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Verstärkungs- und Strahlbreitenrechner für Hornantennen

Berechnen Sie den Gewinn der Pyramidenhornantenne, die Strahlbreiten der E- und H-Ebene mit halber Leistung und die effektive Aperturfläche für Mikrowellenanwendungen

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Formel

G=10⋅log10(4π⋅η⋅A/λ2)G = 10·log₁₀(4π·η·A/λ²)
G— Gewinnen (dBi)
η— Apertureffizienz (≈ 0,5)
A— Aperturbereich (W×H) (m²)
λ— Wellenlänge (c/f) (m)
θ_E— E-Flugzeug HPBW ≈ 51λ/h (degrees)

Wie es funktioniert

Der Hornantennenrechner berechnet Aperturabmessungen, Verstärkung und Strahlbreite für wellenleitergespeiste Strahler — Mikrowellentechniker, Betreiber von Antennentestbereichen und Entwickler von Satellitenbodenstationen verwenden dies, um Verstärkungsstandards und Einspeisungen für Reflektorantennen zu entwerfen. Die Verstärkung wird durch die Aperturfläche bestimmt: G = eta * 4*Pi*A/lambda^2, wobei eta die Apertureffizienz (typischerweise 0,5-0,7) und A die Hornmundfläche ist, gemäß der 'Antenna Theory' von Balanis (4. Aufl.) und dem IEEE-Standard 149-2021.

Drei Horntypen eignen sich für unterschiedliche Anwendungen: Pyramidale Hörner flackern sowohl in der E- als auch in der H-Ebene auf und sorgen für symmetrische Muster mit einem Wirkungsgrad von 50-70% und einer Verstärkung von 10-25 dBi. Sektorale Hörner flackern nur in einer Ebene (E-Ebene oder H-Ebene), was für die gezielte Musterformung nützlich ist. Konische Hörner, die von einem kreisförmigen Wellenleiter gespeist werden, sorgen für kreissymmetrische Muster, die sich ideal für Reflektoreinspeisungen eignen. Hörner mit Standardverstärkung (SGH) sind für Antennenmessungen auf eine Genauigkeit von +/- 0,5 dB kalibriert.

Das optimale Horndesign gleicht die Aperturgröße gegen den Phasenfehler aus. Für ein Pyramidenhorn gilt: L_e = a_E^2/ (3*lambda) und L_h = a_H^2/ (2*lambda), wobei L die axiale Länge und A die Öffnungsabmessung ist. Ein 10-GHz-Horn mit einer Verstärkung von 15 dBi benötigt eine Apertur von etwa 60 mm und eine Länge von 100 mm. Hörner aus Wellpappe erreichen einen Wirkungsgrad von 75-80% und extrem niedrige Seitenkeulen (< -30 dB) durch Oberflächenwellungen, die die Muster der E- und H-Ebenen ausgleichen. Dies wird für Präzisionsmessungen und Satelliteneinspeisungen bevorzugt.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwerfen Sie ein Horn mit Standardverstärkung für 10-GHz-Antennenmessungen, die eine Verstärkung von 17 dBi erfordern.

Entwurf gemäß der Methode IEEE Std 149-2021:

  1. Wellenlänge: Lambda = c/f = 3e8/10e9 = 30 mm
  2. Erforderliche Aperturfläche aus der Verstärkungsgleichung:
G = 17 dBi = 50 (linear) eta = 0,6 (typischer Wirkungsgrad eines Pyramidenhorns) A = G * Lambda^2/(4*Pi*eta) = 50 * 0,03^2/(4*3,14159*0,6) = 59,7 cm^2

  1. Abmessungen der Blende (quadratische Öffnung für symmetrisches Muster):
A_e = A_h = Quadratmeter (59,7) = 7,73 cm = 77 mm
  1. Optimale Achsenlängen für Phasengleichheit:
L_e = a_E^2/(3*lambda) = 77^2/(3*30) = 66 mm (E-Ebene) L_h = a_H^2/(2*lambda) = 77^2/(2*30) = 99 mm (H-Ebene) Verwenden Sie eine längere Abmessung: L = 100 mm für beide Ebenen
  1. Wellenleiter-Eingang: WR-90 (22,86 x 10,16 mm) für X-Band
- TE10-Grenzwert: 6,56 GHz (10 GHz weit innerhalb des Betriebsbandes) - Übergang vom Wellenleiter zum Horn: allmähliches Aufflackern über 50 mm
  1. Leistungsüberprüfung (berechnet):
- Verstärkung: 10*log10 (0,6 * 4*pi * 77^2/30^2) = 17,1 dBi (entspricht der Spezifikation) - 3-dB-Strahlbreite: 70*Lambda/A = 70*30/77 = 27 Grad - Erste Nebenkeule: -13 dB (typisch für eine gleichmäßig ausgeleuchtete Blende)
  1. VSWR: < 1. 25:1 über 8-12 GHz mit geeignetem Waveguide-Flare-Design
  1. Kalibrierung: Vergleichen Sie den Vergleich mit einem auf NIST rückführbaren Standard oder verwenden Sie das Drei-Antennen-Verfahren gemäß IEEE 149 zur Bestimmung der absoluten Verstärkung mit einer Genauigkeit von +/- 0,3 dB

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie für Messungen der Antennenreichweite Standardverstärkungshörner, die auf +/-0,5 dB kalibriert sind — handelsübliche SGHs von Anbietern (Narda, Pasternack, A-INFO) enthalten Kalibrierungszertifikate, die auf nationale Standards rückführbar sind
  • ✓Spezifizieren Sie gewellte Hörner für Reflektoreinspeisungen — ihre symmetrischen Muster mit < -25 dB Seitenkeulen minimieren den Überlaufverlust und verbessern den Gesamtwirkungsgrad der Blende um 5-10% im Vergleich zu Hörnern mit glatten Wänden
  • ✓Überprüfen Sie bei Feldmessungen die Hornkalibrierung jährlich und schützen Sie die Blende vor physischen Beschädigungen — Dellen oder Korrosion an den Hornkanten beeinträchtigen die Mustersymmetrie und erhöhen die Genauigkeit

Häufige Fehler

  • ✗Vernachlässigung der Apertureffizienz bei Verstärkungsberechnungen — das theoretische Maximum (eta = 1) wird nie erreicht; verwenden Sie eta = 0,5-0,6 für pyramidenförmige, 0,7-0,8 für gewellte Hörner
  • ✗Ignorieren des Phasenfehlers aufgrund einer unzureichenden Hornlänge — kurze Hörner haben eine gekrümmte Phasenfront, was zu einer Verringerung der Verstärkung und größeren Seitenkeulen führt. Halten Sie L > A^2/ (2*Lambda) für einen Kantenphasenfehler von < 45 Grad
  • ✗Falsche Wellenleitergröße verwendet — Horn muss an einen Wellenleiter angeschlossen werden, der den dominanten Modus bei Betriebsfrequenz unterstützt; WR-90 für 8-12 GHz, WR-62 für 12-18 GHz, WR-42 für 18-26 GHz
  • ✗Unter der Annahme eines konstanten Wirkungsgrads im Vergleich zur Frequenz variiert der Wirkungsgrad je nach Wellenleiterband aufgrund von Modenanpassung und Änderungen der Aperturverteilung; für präzise Arbeiten bei mehreren Frequenzen charakterisieren

Häufig gestellte Fragen

Die Verstärkung wird durch die Blendenfläche und den Wirkungsgrad bestimmt: G = eta * 4*Pi*a/lambda^2. Eine Verdoppelung der Blendenabmessungen (Vervierfachung der Fläche) führt zu einer Verstärkung von 6 dBi. Durch die Verdoppelung der Frequenz (Halbierung von Lambda) wird bei gleicher Größe eine Verstärkung von 6 dBi hinzugefügt. Der Wirkungsgrad hängt vom Horntyp ab: glatte Pyramide 50-60%, sektoral 40-50%, gewellt 70-80%. Für ein Horn mit einer Verstärkung von 20 dBi bei 10 GHz (Lambda = 30 mm) und einem Wirkungsgrad von 60% gilt: A = 100*0,03^2/ (4*pi*0,6) = 0,012 m^2 = 110 mm x 110 mm Öffnung.
Hörner bieten eine vorhersagbare, berechenbare Verstärkung auf der Grundlage der Geometrie — eine Resonanzabstimmung ist nicht erforderlich. Vergleich bei 10 GHz: Dipol: 2,15 dBi, Balun erforderlich. Patch: 6-8 dBi, schmale Bandbreite. Horn (100 mm Öffnung): 17 dBi, von Natur aus breitbandig. Schüssel (1 m): 40 dBi, erfordert Futterhorn. Hörner zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus: (1) Verstärkungsstandards mit einer Genauigkeit von +/-0,5 dB. (2) Reflektorspeisung mit kontrollierter Beleuchtung. (3) Breitbandantennen (typische Bandbreite von 2:1). (4) Anwendungen mit mäßiger Verstärkung, bei denen Einfachheit im Vordergrund steht.
Optionen: (1) Größere Blende — praktischer Grenzwert bei 20-25 dBi, bevor die Größe unhandlich wird. (2) Gewelltes Design — erhöht den Wirkungsgrad um 1—2 dB. (3) Linsenkorrektur — dielektrische Linse gleicht die Phase über die Blende für +1—2 dB aus. (4) Anordnung von Hörnern — 2x2-Anordnung fügt 6 dB hinzu, erfordert jedoch ein firmeninternes Einspeisungsnetz. (5) Reflektoreinspeisung — Parabolantenne mit Hornbeleuchtung erreicht eine kombinierte Verstärkung von 30-50 dBi. Für eine maximale Verstärkung verwenden Sie das Horn als Einspeisung für die Reflektorantenne; das Horn formt das Beleuchtungsmuster, während der Reflektor für die Aperturverstärkung sorgt.
Sektorale Hornblitze der E-Ebene flackern nur in der elektrischen Feldebene (senkrecht zur breiten Wellenleiterwand) und erzeugen eine schmale Strahlbreite in der E-Ebene und eine breite Strahlbreite in der H-Ebene. Sektorale Hornausbrüche auf H-Ebene in der Magnetfeldebene (parallel zur breiten Wand), wodurch eine schmale Strahlbreite auf der H-Ebene und eine breite E-Ebene erzeugt wird. Pyramidale Hornausbrüche in beiden Ebenen ermöglichen eine unabhängige Steuerung der E- und H-Strahlbreiten. Das konische Horn (kreisförmiger Wellenleiter) hat in allen Ebenen gleiche Strahlbreiten. Wählen Sie das gewünschte Muster aus: sektorförmig für fächerförmige Strahlen, pyramidenförmig für Buntstrahlen, konisch für kreissymmetrische Beleuchtung.
Gewellte Hörner erreichen einen Wirkungsgrad von 70-80% (gegenüber 50-60% bei glatten Wänden) durch drei Mechanismen: (1) Gleiche E- und H-Ebenenmuster — Wellen zwingen die Feldverteilung, auf beiden Ebenen die gleiche Strahlbreite zu haben, wodurch die Gleichmäßigkeit der Reflektorbeleuchtung verbessert wird. (2) Niedrige Seitenkeulen (< -25 dB) — reduzieren den Überfluss an den Reflektorrand und minimieren so die Schallaufnahme von der warmen Erde. (3) Niedrige Kreuzpolarisation (< -30 dB) — Wellungen unterdrücken Moden höherer Ordnung, die einen Kreuzpol verursachen. Diese Eigenschaften sind entscheidend für Satelliten-Bodenstationen, bei denen G/T (Verhältnis zwischen Verstärkung und Geräuschtemperatur) die Verbindungsleistung bestimmt. Gewellte Hörner erhöhen die Hornkosten um 20-30%, verbessern jedoch das G/T-Verhältnis des Systems um 0,5-1 dB.

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