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Antenna

Calculateur de gain d'antenne et de largeur de faisceau

Calculez le gain de l'antenne en cornet pyramidal, les largeurs de faisceau à demi-puissance des plans E et H et la zone d'ouverture effective pour les applications à micro-ondes

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Formule

G=10⋅log10(4π⋅η⋅A/λ2)G = 10·log₁₀(4π·η·A/λ²)
G— Gain (dBi)
η— Efficacité d'ouverture (≈ 0,5)
A— Zone d'ouverture (L × H) (m²)
λ— Longueur d'onde (c/f) (m)
θ_E— Avion E HPBW ≈ 51λ/h (degrees)

Comment ça marche

Le calculateur d'antenne cornet calcule les dimensions d'ouverture, le gain et la largeur de faisceau pour les radiateurs alimentés par guide d'ondes. Les ingénieurs en micro-ondes, les opérateurs de plage de test d'antennes et les concepteurs de stations terrestres pour satellites l'utilisent pour concevoir des normes de gain et des alimentations pour les antennes à réflecteur. Le gain est déterminé par la zone d'ouverture : G = eta * 4*pi*A/lambda^2, où eta est l'efficacité d'ouverture (généralement 0,5 à 0,7) et A est la zone de la bouche du cornet, selon la « théorie des antennes » de Balanis (4e éd.) et la norme IEEE 149-2021.

Trois types de cornets répondent à différentes applications : les cornets pyramidaux s'évasent dans les plans E et H, fournissant des motifs symétriques avec une efficacité de 50 à 70 % et un gain de 10 à 25 dBi. Les cornets sectoriels s'évasent dans un seul plan (plan E ou plan H), ce qui est utile pour la mise en forme de motifs spécifiques. Les cornets coniques alimentés par un guide d'ondes circulaire fournissent des motifs à symétrie circulaire idéaux pour les alimentations par réflecteur. Les cornets à gain standard (SGH) sont calibrés avec une précision de +/- 0,5 dB pour les mesures d'antenne.

La conception optimale du klaxon équilibre la taille de l'ouverture par rapport à l'erreur de phase. Pour la corne pyramidale : L_e = A_e^2/ (3*lambda) et L_h = A_H^2/ (2*lambda), où L est la longueur axiale et A la dimension d'ouverture. Un klaxon de 10 GHz avec un gain de 15 dBi nécessite une ouverture d'environ 60 mm et une longueur de 100 mm. Les cornets ondulés atteignent une efficacité de 75 à 80 % et présentent des lobes latéraux extrêmement faibles (< -30 dB) grâce à des ondulations de surface qui égalisent les motifs des plans E et H, ce qui est idéal pour les mesures de précision et les transmissions par satellite.

Exemple Résolu

Problème : Concevez un klaxon à gain standard pour les mesures d'antenne 10 GHz nécessitant un gain de 17 dBi.

Conception selon la méthodologie IEEE Std 149-2021 :

  1. Longueur d'onde : lambda = c/f = 3e8/10e9 = 30 mm
  2. Zone d'ouverture requise à partir de l'équation de gain :
G = 17 dBi = 50 (linéaire) eta = 0,6 (efficacité typique de la corne pyramidale) A = G * lambda^2/(4*pi*eta) = 50 * 0,03^2/(4*3,14159*0,6) = 59,7 cm^2

  1. Dimensions de l'ouverture (ouverture carrée pour un motif symétrique) :
A_e = A_h = carré (59,7) = 7,73 cm = 77 mm
  1. Longueurs axiales optimales pour une uniformité de phase :
L_e = A_e^2/(3*lambda) = 77^2/(3*30) = 66 mm (plan E) L_h = A_h^2/(2*lambda) = 77^2/(2*30) = 99 mm (plan H) Utiliser une dimension plus longue : L = 100 mm pour les deux plans
  1. Entrée du guide d'ondes : WR-90 (22,86 x 10,16 mm) pour bande X
- Coupure TE10 : 6,56 GHz (10 GHz bien dans la bande de fonctionnement) - Transition du guide d'ondes au cornet : évasement progressif sur 50 mm
  1. Vérification des performances (calculée) :
- Gain : 10*log10 (0,6 * 4*pi * 77^2/30^2) = 17,1 dBi (conforme aux spécifications) - Largeur de faisceau de 3 dB : 70* Lambda/A = 70* 30/77 = 27 degrés - Premier lobe latéral : -13 dB (typique pour une ouverture uniformément éclairée)
  1. VSWR : < 1, 25:1 sur 8-12 GHz avec une conception appropriée du guide d'ondes
  1. Étalonnage : comparer avec une norme traçable par le NIST ou utiliser la méthode à trois antennes conformément à la norme IEEE 149 pour une détermination du gain absolu avec une précision de +/- 0,3 dB

Conseils Pratiques

  • ✓Pour les mesures de portée d'antenne, utilisez des cornets de gain standard calibrés à +/- 0,5 dB. Les SGH commerciaux des fournisseurs (Narda, Pasternack, A-INFO) incluent des certificats d'étalonnage traçables selon les normes nationales
  • ✓Spécifiez des cornets ondulés pour l'alimentation des réflecteurs : leurs motifs symétriques avec des lobes latéraux inférieurs à -25 dB minimisent les pertes par débordement et améliorent l'efficacité globale de l'ouverture de 5 à 10 % par rapport aux cornets à paroi lisse
  • ✓Pour les mesures sur le terrain, vérifiez l'étalonnage du cornet chaque année et protégez l'ouverture contre les dommages physiques : les bosses ou la corrosion sur les bords du cornet dégradent la symétrie du motif et gagnent en précision.

Erreurs Fréquentes

  • ✗Négliger l'efficacité de l'ouverture dans les calculs de gain : le maximum théorique (eta = 1) n'est jamais atteint ; utilisez eta = 0,5-0,6 pour les cornes pyramidales, 0,7-0,8 pour les cornes ondulées
  • ✗Ignorer l'erreur de phase due à une longueur de cornet inadéquate — les cornes courtes ont un front de phase incurvé, ce qui entraîne une réduction du gain et une augmentation des lobes latéraux ; maintenez L > A^2/ (2*lambda) pour une erreur de phase de bord inférieure à 45 degrés
  • ✗Utilisation d'un guide d'ondes de taille incorrecte : le klaxon doit se connecter au guide d'ondes supportant le mode dominant à la fréquence de fonctionnement ; WR-90 pour 8-12 GHz, WR-62 pour 12-18 GHz, WR-42 pour 18-26 GHz
  • ✗En supposant une efficacité constante par rapport à la fréquence : l'efficacité varie selon la bande du guide d'ondes en raison de l'adaptation des modes et des changements de distribution d'ouverture ; caractérisez à plusieurs fréquences pour un travail de précision

Foire Aux Questions

Le gain est réglé en fonction de la zone d'ouverture et de l'efficacité : G = eta * 4*Pi*A/Lambda^2. Le fait de doubler les dimensions de l'ouverture (zone de quadruplement) ajoute un gain de 6 dBi. Le doublement de la fréquence (réduction de moitié du lambda) ajoute un gain de 6 dBi pour la même taille physique. L'efficacité dépend du type de cornet : pyramidale lisse 50-60%, sectorielle 40-50%, ondulée 70-80%. Pour une corne à gain de 20 dBi à 10 GHz (lambda = 30 mm) avec une efficacité de 60 % : A = 100*0,03^2/ (4*pi*0,6) = 0,012 m^2 = ouverture 110 mm x 110 mm.
Les cornets fournissent un gain prévisible et calculable en fonction de la géométrie ; aucun réglage de résonance n'est requis. Comparaison à 10 GHz : Dipôle : 2,15 dBi, balun requis. Patch : 6-8 dBi, bande passante étroite. Klaxon (ouverture de 100 mm) : 17 dBi, large bande intrinsèquement. Parabole (1 m) : 40 dBi, nécessite un klaxon d'alimentation. Les klaxons excellent dans les domaines suivants : (1) Normes de gain avec une précision de +/- 0,5 dB. (2) Les réflecteurs alimentent avec un éclairage contrôlé. (3) Antennes à large bande (bande passante 2:1 typique). (4) Applications à gain modéré où la simplicité est valorisée.
Options : (1) Ouverture plus grande — limite pratique d'environ 20 à 25 dBi avant que la taille ne devienne difficile à manier. (2) Design ondulé : ajoute 1 à 2 dB grâce à une efficacité accrue. (3) Correction de l'objectif : lentille diélectrique égalise la phase à travers l'ouverture de +1 à 2 dB. (4) Réseau de cornes — matrice 2x2 ajoute 6 dB mais nécessite un réseau d'alimentation d'entreprise. (5) Alimentation par réflecteur — parabole éclairant le cornet atteint un gain combiné de 30 à 50 dBi. Pour un gain maximal, utilisez le klaxon comme alimentation de l'antenne à réflecteur ; le cornet façonne le motif d'éclairage tandis que le réflecteur fournit un gain d'ouverture.
Le cornet sectoriel du plan E s'évase uniquement dans le plan du champ électrique (perpendiculairement à la large paroi du guide d'ondes), produisant une largeur de faisceau étroite dans le plan E et large dans le plan H. Le cornet sectoriel du plan H s'évase dans le plan du champ magnétique (parallèlement à la paroi large), produisant une largeur de faisceau étroite dans le plan H et un large plan E. La corne pyramidale s'évase dans les deux plans, permettant un contrôle indépendant des largeurs de faisceau E et H. Le cornet conique (guide d'ondes circulaire) a des largeurs de faisceau égales dans tous les plans. Choisissez en fonction du motif requis : sectoriel pour les faisceaux en éventail, pyramidal pour les faisceaux en crayon, conique pour un éclairage à symétrie circulaire.
Les cornets ondulés atteignent une efficacité de 70 à 80 % (contre 50 à 60 % pour les parois lisses) grâce à trois mécanismes : (1) Motifs de plans E et H égaux : les ondulations forcent la distribution du champ à avoir la même largeur de faisceau dans les deux plans, améliorant ainsi l'uniformité de l'éclairage du réflecteur. (2) Faible polarisation transversale (< -25 dB) : réduit le débordement au-delà du bord du réflecteur, minimisant ainsi la captation du bruit provenant de la Terre chaude. (3) Faible polarisation croisée (< -30 dB) — les ondulations suppriment les modes d'ordre supérieur qui provoquent des polarités croisées. Ces propriétés sont essentielles pour les stations terriennes de satellites où le G/T (rapport gain/bruit-température) détermine les performances de la liaison. Les cornets en carton ondulé augmentent de 20 à 30 % le coût des cornets, mais améliorent le rapport G/T du système de 0,5 à 1 dB.

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