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Antenna

Calculadora de Antena de Bocina

Calcula las dimensiones, ganancia y ancho de haz de antenas de bocina piramidal y sectorial.

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Fórmula

G=10⋅log10(4π⋅η⋅A/λ2)G = 10·log₁₀(4π·η·A/λ²)
G— Ganancia (dBi)
η— Eficiencia de apertura (≈ 0.5)
A— Área de apertura (W×H) (m²)
λ— Longitud de onda (c/f) (m)
θ_E— Plano eléctrico HPBW ≈ 51λ /h (degrees)

Cómo Funciona

La calculadora de antenas Horn calcula las dimensiones de apertura, la ganancia y el ancho del haz de los radiadores alimentados por guía de ondas. Los ingenieros de microondas, los operadores de campos de prueba de antenas y los diseñadores de estaciones terrestres de satélites utilizan esto para diseñar estándares de ganancia y alimentaciones para antenas reflectoras. La ganancia se determina por el área de apertura: G = eta * 4*pi*A/lambda^2, donde eta es la eficiencia de apertura (normalmente de 0,5 a 0,7) y A es el área de la boca de la bocina, según la «Teoría de la antena» de Balanis (4ª ed.) y la norma IEEE 149-2021.

Los tres tipos de bocina sirven para diferentes aplicaciones: las bocinas piramidales se ensanchan en los planos E y H, lo que proporciona patrones simétricos con una eficiencia del 50 al 70% y una ganancia de 10 a 25 dBi. Los cuernos sectoriales se ensanchan solo en un plano (plano E o H), lo que resulta útil para dar forma a patrones específicos. Las bocinas cónicas alimentadas por una guía de ondas circular proporcionan patrones simétricos circulares ideales para la alimentación por reflectores. Las bocinas de ganancia estándar (SGH) están calibradas con una precisión de +/- 0,5 dB para las mediciones de antenas.

El diseño óptimo de la bocina equilibra el tamaño de la abertura con los errores de fase. Para un cuerno piramidal: L_e = A_e^2/ (3*lambda) y L_h = A_h^2/ (2*lambda), donde L es la longitud axial y A es la dimensión de la abertura. Una bocina de 10 GHz con una ganancia de 15 dBi requiere aproximadamente 60 mm de apertura y 100 mm de longitud. Las bocinas onduladas alcanzan una eficiencia del 75 al 80% y tienen lóbulos laterales extremadamente bajos (< -30 dB) gracias a las ondulaciones superficiales que igualan los patrones de los planos E y H, por lo que son las preferidas para mediciones de precisión y señales satelitales.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe una bocina de ganancia estándar para mediciones de antenas de 10 GHz que requieran una ganancia de 17 dBi.

Diseño según la metodología IEEE Std 149-2021:

  1. Longitud de onda: lambda = c/f = 3e8/10e9 = 30 mm
  2. Área de apertura requerida a partir de la ecuación de ganancia:
G = 17 dBi = 50 (lineal) eta = 0.6 (eficiencia típica de una bocina piramidal) A = G * lambda^2/(4*pi*eta) = 50 * 0,03^2/ (4*3,14159*0,6) = 59,7 cm^2

  1. Dimensiones de la apertura (apertura cuadrada para un patrón simétrico):
A_e = A_h = sqrt (59,7) = 7,73 cm = 77 mm
  1. Longitudes axiales óptimas para la uniformidad de fase:
L_e = A_e^2/ (3*lambda) = 77^2/ (3*30) = 66 mm (plano E) L_h = a_H^2/ (2*lambda) = 77^2/ (2*30) = 99 mm (plano H) Utilice una dimensión más larga: L = 100 mm para ambos planos
  1. Entrada de guía de ondas: WR-90 (22,86 x 10,16 mm) para banda X
- Punto de corte TE10:6,56 GHz (10 GHz dentro de la banda operativa) - Transición de la guía de ondas a la bocina: destello gradual de más de 50 mm
  1. Verificación del rendimiento (calculada):
- Ganancia: 10*log10 (0,6 * 4*pi * 77^2/30^2) = 17,1 dBi (cumple con las especificaciones) - Ancho de haz de 3 dB: 70*Lambda/a = 70*30/77 = 27 grados - Primer lóbulo lateral: -13 dB (típico de una apertura con iluminación uniforme)
  1. VSWR: < 1. 25:1 en 8-12 GHz con un diseño de destello de guía de ondas adecuado
  1. Calibración: compárela con el estándar rastreable por el NIST o utilice el método de tres antenas según la norma IEEE 149 para determinar la ganancia absoluta con una precisión de +/-0,3 dB

Consejos Prácticos

  • ✓Para medir el alcance de la antena, utilice bocinas de ganancia estándar calibradas a +/-0,5 dB; los SGH comerciales de los proveedores (Narda, Pasternack, A-INFO) incluyen certificados de calibración que se ajustan a los estándares nacionales
  • ✓Especifique bocinas corrugadas para la alimentación de reflectores: sus patrones simétricos con lóbulos laterales de < -25 dB minimizan las pérdidas por derrame y mejoran la eficiencia general de apertura entre un 5 y un 10% en comparación con las bocinas de pared lisa
  • ✓Para las mediciones de campo, verifique la calibración de la bocina anualmente y proteja la abertura contra daños físicos: las abolladuras o la corrosión en los bordes de la bocina degradan la simetría del patrón y aumentan la precisión

Errores Comunes

  • ✗Sin tener en cuenta la eficiencia de apertura en los cálculos de ganancia: nunca se alcanza el máximo teórico (eta = 1); utilice eta = 0.5-0.6 para cuernos piramidales, 0.7-0.8 para cuernos corrugados
  • ✗Ignorar el error de fase debido a una longitud de bocina inadecuada: las bocinas cortas tienen un frente de fase curvo, lo que reduce la ganancia y aumenta los lóbulos laterales; mantenga L > A^2/ (2*lambda) para un error de fase de borde de < 45 grados
  • ✗Uso de un tamaño de guía de ondas incorrecto: la bocina debe conectarse a una guía de ondas que admita el modo dominante a la frecuencia de operación; WR-90 para 8-12 GHz, WR-62 para 12-18 GHz, WR-42 para 18-26 GHz
  • ✗Suponiendo una eficiencia constante en comparación con la frecuencia: la eficiencia varía según la banda de la guía de ondas debido a los cambios en la adaptación de modos y la distribución de la apertura; caracterice en múltiples frecuencias para un trabajo de precisión

Preguntas Frecuentes

La ganancia se establece según el área de apertura y la eficiencia: G = eta * 4*pi*A/lambda^2. Al duplicar las dimensiones de la apertura (cuadruplicar el área) se obtiene una ganancia de 6 dBi. La duplicación de la frecuencia (reducción de lambda a la mitad) añade una ganancia de 6 dBi para el mismo tamaño físico. La eficiencia depende del tipo de trompa: piramidal lisa entre un 50 y un 60%, sectorial entre un 40 y un 50%, ondulada entre un 70 y un 80%. Para una bocina con una ganancia de 20 dBi a 10 GHz (lambda = 30 mm) con una eficiencia del 60%: A = 100*0,03^2/ (4*pi*0,6) = 0,012 m^2 = 110 mm x 110 mm de apertura.
Las bocinas proporcionan una ganancia predecible y calculable en función de la geometría, sin necesidad de ajustar la resonancia. Comparación a 10 GHz: dipolo: 2,15 dBi, requiere balun. Parche: 6-8 dBi, ancho de banda estrecho. Bocina (apertura de 100 mm): 17 dBi, banda ancha inherente. Plato (1 m): 40 dBi, requiere bocina de alimentación. Las bocinas destacan por: (1) Ganar estándares con una precisión de +/- 0,5 dB. (2) Los reflectores se alimentan con iluminación controlada. (3) Antenas de banda ancha (ancho de banda típico de 2:1). (4) Aplicaciones de ganancia moderada en las que se valora la simplicidad.
Opciones: (1) Apertura mayor: límite práctico de alrededor de 20 a 25 dBi antes de que el tamaño se vuelva difícil de manejar. (2) Diseño corrugado: añade de 1 a 2 dB gracias a una mayor eficiencia. (3) Corrección de lente: la lente dieléctrica ecualiza la fase a lo largo de la apertura entre 1 y 2 dB. (4) Matriz de bocinas: la matriz de 2 x 2 añade 6 dB, pero requiere una red de alimentación corporativa. (5) Alimentación por reflector: el plato parabólico que ilumina la bocina logra una ganancia combinada de 30 a 50 dBi. Para obtener la máxima ganancia, utilice la bocina como alimentación para la antena reflectora; la bocina da forma al patrón de iluminación mientras que el reflector proporciona una ganancia de apertura.
La bocina sectorial del plano E se enciende solo en el plano del campo eléctrico (perpendicular a la pared ancha de la guía de ondas), lo que produce un ancho de haz estrecho en el plano E y ancho en el plano H. La bocina sectorial en el plano H se enciende en el plano del campo magnético (paralelo a una pared ancha), lo que produce una anchura de haz estrecha en el plano H y un ancho en el plano E. La trompa piramidal se ensancha en ambos planos, lo que permite un control independiente de los anchos de haz E y H. La bocina cónica (guía de ondas circular) tiene el mismo ancho de haz en todos los planos. Elija según el patrón requerido: sectorial para los haces en forma de abanico, piramidal para los haces tipo lápiz, cónico para la iluminación simétrica circular.
Los cuernos corrugados alcanzan una eficiencia del 70 al 80% (frente al 50 al 60% de las paredes lisas) mediante tres mecanismos: (1) Patrones iguales en los planos E y H: las ondulaciones obligan a la distribución del campo a tener el mismo ancho de haz en ambos planos, lo que mejora la uniformidad de la iluminación del reflector. (2) Lóbulos laterales bajos (< -25 dB): reducen el desbordamiento más allá del borde del reflector y minimizan la captación de ruido de la Tierra cálida. (3) Baja polarización cruzada (< -30 dB) — corrugado las estaciones suprimen los modos de orden superior que provocan la polaridad cruzada. Estas propiedades son fundamentales para las estaciones terrestres de satélite en las que la G/T (relación ganancia-ruido-temperatura) determina el rendimiento del enlace. Las bocinas corrugadas aumentan entre un 20 y un 30% el costo de las bocinas, pero mejoran el G/T del sistema entre 0,5 y 1 dB.

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