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Antenna

Verstärkungs- und Strahlbreitenrechner für Hornantennen

Berechnen Sie den Gewinn der Pyramidenhornantenne, die Strahlbreiten der E/H-Ebene und die effektive Aperturfläche. Entwerfen Sie Hornantennen für Mikrowellensysteme. Kostenlose, sofortige Ergebnisse.

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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 Strahlbreitefür Wellenleiter-gespeiste 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 aus einem kreisförmigen [Wellenleiter] ((/calculators/rf/waveguide-cutoff/)) 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 pyramidenförmige Hörner: 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.

Rechenbeispiel

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 = sqrt (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. WaveguideEingang: WR-90 (22,86 x 10,16 mm) für X-Band
- TE10-Grenzwert: 6,56 GHz (10 GHz weit innerhalb des Betriebsbandes) - Wellenleiterzum 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 - Erster Seitenkegel: -13 dB (typisch für eine gleichmäßig ausgeleuchtete Blende)
  1. VSWR: < 1.25:1 über 8-12 GHz mit richtigem WaveguideFlare-Design
  2. 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 von Verstärkung zu Rauschtemperatur) die Verbindungsleistung bestimmt. Gewellte Hörner erhöhen die Kosten für das Horn um 20-30%, verbessern das System G/T jedoch um 0,5-1 dB.

Methodik & Referenzen

Referenzen

  • Antenna Theory: Analysis and Design, 4th ed. — Constantine A. Balanis (2016), Chapter 13 — Aperture antennas and horn gain
  • Antenna Theory and Design, 3rd ed. — Warren L. Stutzman & Gary A. Thiele (2012), Chapter 8 — Horn antenna beamwidth

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