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혼 안테나 게인 및 빔폭 계산기

마이크로파 애플리케이션을 위한 피라미드형 혼 안테나 게인, E-플레인 및 H-플레인 하프 파워 빔폭, 유효 조리개 영역 계산

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공식

G=10⋅log10(4π⋅η⋅A/λ2)G = 10·log₁₀(4π·η·A/λ²)
G— 이득 (dBi)
η— 조리개 효율 (≈ 0.5)
A— 조리개 영역 (W×H) (m²)
λ— 파장 (c/f) (m)
θ_E— E-플레인 HPBW ≈ 51λ/h (degrees)

작동 방식

혼 안테나 계산기는 도파관 공급 라디에이터의 조리개 크기, 게인 및 빔폭을 계산합니다. 마이크로파 엔지니어, 안테나 테스트 범위 운영자 및 위성 지상국 설계자는 이를 사용하여 리플렉터 안테나의 게인 표준과 피드를 설계합니다.게인은 조리개 영역 (G = eta * 4*PI*A/Lambda^2) 에 따라 결정됩니다. 여기서 eta는 조리개 효율 (일반적으로 0.5-0.7) 이고 A는 혼 마우스 영역입니다. 이는 발란스의 '안테나 이론' (제4판) 및 IEEE 표준 149-2021입니다.

세 가지 유형의 혼은 다양한 용도로 사용됩니다. 피라미드 혼은 E 및 H 플레인 모두에서 플레어되며 50-70% 효율과 10-25dBi 게인의 대칭 패턴을 제공합니다.섹터별 혼은 한 평면 (E-플레인 또는 H-플레인) 에서만 플레어하므로 특정 패턴 쉐이핑에 유용합니다.원형 도파관에서 공급되는 원추형 혼은 리플렉터 피드에 이상적인 원형 대칭 패턴을 제공합니다.표준 게인 혼 (SGH) 은 안테나 측정을 위해 +/-0.5dB 정확도로 보정됩니다.

최적의 혼 디자인은 조리개 크기와 위상 오차의 균형을 유지합니다.피라미드 혼의 경우: L_e = A_e^2/ (3*람다) 및 L_h = A_H^2/ (2* 람다). 여기서 L은 축 길이이고 A는 조리개 치수입니다.15dBi 게인이 적용된 10GHz 혼에는 약 60mm의 조리개와 100mm의 길이가 필요합니다.주름진 혼은 E 및 H 평면 패턴을 동일하게 만드는 표면 주름을 통해 75~ 80% 의 효율과 매우 낮은 사이드 로브 (< -30dB) 를 달성하며 정밀 측정 및 위성 피드에 적합합니다.

계산 예제

문제: 17dBi 게인이 필요한 10GHz 안테나 측정을 위한 표준 게인 혼을 설계하십시오.

IEEE 표준 149-2021 방법론에 따른 설계: 1.파장: 람다 = c/f = 3e8/10e9 = 30 밀리미터 2.게인 방정식에서 필요한 조리개 영역: G = 17dBi = 50 (선형) eta = 0.6 (일반적인 피라미드 혼 효율) A = G* 람다^2/(4*pi*eta) = 50* 0.03^2/ (4*3.14159*0.6) = 59.7 cm^2

3.조리개 크기 (대칭 패턴의 경우 정사각형 조리개): A_e = A_h = 제곱 피트 (59.7) = 7.73 센티미터 = 77 밀리미터

4.위상 균일성을 위한 최적의 축 길이: L_e = A_E^2/(3*람다) = 77^2/(3*30) = 66 mm (E-플레인) L_h = A_H^2/(2*람다) = 77^2/(2*30) = 99 mm (H-플레인) 더 긴 치수를 사용하십시오. 두 평면 모두 L = 100mm

5.웨이브가이드 입력: X-밴드용 WR-90 (22.86 x 10.16mm) - TE10 컷오프: 6.56GHz (작동 대역 내에서는 10GHz 허용) - 도파관을 통한 혼 전환: 50mm 이상의 점진적 플레어

6.성능 검증 (계산): - 게인: 10*log10 (0.6 * 4*pi * 77^2/30^2) = 17.1dBi (사양 충족) - 3dB 빔폭: 70*람다/A = 70*30/77 = 27도 - 첫 번째 사이드로브: -13dB (조명이 균일한 조리개에서 일반적으로 사용됨)

7.VSWR: 적절한 웨이브가이드 플레어 설계를 사용한 8-12GHz 이상 (1. 25:1 미만)

8.캘리브레이션: NIST 추적 가능 표준과 비교하거나 IEEE 149에 따른 3-안테나 방식을 사용하여 +/-0.3dB 정확도의 절대 게인을 측정할 수 있습니다.

실용적인 팁

  • ✓안테나 범위 측정의 경우 +/-0.5dB로 교정된 표준 게인 혼을 사용하십시오. 공급업체 (Narda, Pasternack, A-INFO) 의 상용 SGH에는 국가 표준에 따라 추적할 수 있는 교정 인증서가 포함되어 있습니다.
  • ✓리플렉터 피드에는 주름진 혼을 사용하세요. 사이드 로브가 -25dB 미만인 대칭 패턴의 경우 스필오버 손실을 최소화하고 전체 조리개 효율이 스무스 월 혼에 비해 5-10% 개선됩니다.
  • ✓현장 측정의 경우 매년 혼 캘리브레이션을 확인하고 애퍼처를 물리적 손상으로부터 보호하십시오. 혼 가장자리의 찌그러짐이나 부식은 패턴 대칭성을 떨어뜨리고 정확도를 높입니다.

흔한 실수

  • ✗게인 계산 시 조리개 효율 무시 — 이론상 최대값 (eta = 1) 은 절대 달성되지 않습니다. 피라미드형의 경우 eta = 0.5-0.6, 주름진 뿔의 경우 0.7-0.8을 사용하십시오.
  • ✗부적절한 혼 길이로 인한 위상 오차 무시 — 짧은 혼은 위상 전면이 구부러져 게인이 감소하고 사이드 로브가 증가합니다. 에지 위상 오차가 45도 미만인 경우 L > A^2/ (2* lambda) 로 유지
  • ✗잘못된 도파관 크기 사용 - 작동 주파수에서 도미넌트 모드를 지원하는 도파관에 혼을 연결해야 합니다. 8-12GHz의 경우 WR-90, 12-18GHz의 경우 WR-62, 18-26GHz의 경우 WR-42
  • ✗주파수 대비 효율이 일정하다고 가정하면 모드 매칭 및 조리개 분포 변경으로 인해 도파관 대역에 따라 효율이 달라집니다. 정밀 작업을 위해 여러 주파수에서 특성화하십시오.

자주 묻는 질문

게인은 조리개 면적과 효율에 따라 설정됩니다. G = eta * 4*PI*A/람다^2.조리개 크기를 두 배로 늘리면 (면적이 네 배로 늘어남) 6dBi 게인이 추가됩니다.주파수를 두 배로 늘리면 (람다를 반으로 줄이면) 동일한 물리적 크기에 6dBi 게인이 추가됩니다.효율은 혼 유형에 따라 달라집니다. 부드러운 피라미드형 50-60%, 섹터별 40-50%, 주름진 70-80%.효율이 60% 인 10GHz (람다 = 30mm) 에서 20dBi 게인 혼의 경우: A = 100*0.03^2/ (4*pi*0.6) = 0.012m^2 = 110mm x 110mm 조리개.
혼은 지오메트리를 기반으로 예측 가능하고 계산 가능한 게인을 제공하므로 공명 조정이 필요하지 않습니다.10GHz에서의 비교: 쌍극자: 2.15dBi, 발룬이 필요합니다.패치: 6-8dBi, 좁은 대역폭.혼 (100mm 조리개): 17dBi, 본질적으로 광대역.접시 (1m): 40dBi, 피드 호른이 필요합니다.혼은 탁월한 성능을 제공합니다. (1) +/-0.5dB 정확도로 게인 표준을 제공합니다. (2) 제어된 조명으로 리플렉터 피드. (3) 광대역 안테나 (일반적으로 2:1 대역폭). (4) 단순성을 중시하는 중간 게인 애플리케이션.
옵션: (1) 더 큰 조리개 — 크기가 다루기 힘들어지기 전에 실제로는 20-25dBi 정도로 제한합니다. (2) 주름진 디자인 — 높은 효율을 통해 1-2dB를 추가합니다. (3) 렌즈 보정 — 유전체 렌즈는 조리개 전반의 위상을 +1-2dB로 균등화합니다. (4) 혼 어레이 — 2x2 어레이는 6dB를 추가하지만 기업 피드 네트워크가 필요합니다. (5) 리플렉터 피드 — 혼 조명 파라볼릭 접시 어치 30-50dBi의 복합 게인을 제공합니다.게인을 극대화하려면 혼 (horn) 을 리플렉터 안테나의 피드로 사용하십시오. 혼 (horn) 은 조명 패턴을 형성하고 리플렉터는 조리개 게인을 제공합니다.
E-플레인 섹터 혼은 전기장 평면 (넓은 도파관 벽에 수직) 에서만 플레어가 발생하여 E-플레인에서는 좁은 빔폭을 생성하고 H-플레인에서는 넓은 빔폭을 생성합니다.자기장 평면 (넓은 벽과 평행) 에서 H-평면 섹터 혼 플레어가 발생하여 좁은 H-평면 빔폭과 넓은 E-플레인을 생성합니다.피라미드형 혼은 두 평면 모두에서 플레어 발생하여 E 및 H 빔폭을 독립적으로 제어할 수 있습니다.원뿔형 혼 (원형 도파관) 의 빔폭은 모든 평면에서 동일합니다.팬 빔의 경우 섹터형, 펜슬 빔의 경우 피라미드, 원형 대칭 조명의 경우 원추형 등 필요한 패턴을 기준으로 선택하십시오.
주름진 혼은 다음과 같은 세 가지 메커니즘을 통해 70-80% (매끄러운 벽의 경우 50-60%) 의 효율을 달성합니다. (1) 동일한 E 및 H 평면 패턴 — 주름은 필드 분포가 양쪽 평면에서 동일한 빔폭을 가지도록 하여 반사판 조명 균일성을 개선합니다. (2) 낮은 사이드 로브 (< -25dB) — 반사경 가장자리를 지나가는 유출을 줄여 따뜻한 지구에서 발생하는 노이즈 픽업을 최소화합니다. (3) 낮은 교차 편광 (< -30dB) — 주름은 크로스 폴을 유발하는 고차 모드를 억제합니다.이러한 특성은 G/T (게인 대 잡음-온도 비율) 가 링크 성능을 결정하는 위성 어스 스테이션에 매우 중요합니다.주름진 혼은 혼 비용을 20-30% 증가시키지만 시스템 G/T를 0.5-1dB 개선합니다.

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