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Antenna

Calculadora de ganho de antena e largura de feixe

Calcule o ganho da antena em forma de corneta piramidal, as larguras de feixe do plano E/H e a área de abertura efetiva. Projete antenas de buzina para sistemas de micro-ondas. Resultados gratuitos e instantâneos.

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Fórmula

G=10⋅log10(4π⋅η⋅A/λ2)G = 10·log₁₀(4π·η·A/λ²)
G— Ganho (dBi)
η— Eficiência de abertura (≈0,5)
A— Área de abertura (W × H) (m²)
λ— Comprimento de onda (c/f) (m)
θ_E— Plano E HPBW ≈ 51λ/h (degrees)

Como Funciona

A calculadora de antenas Horn calcula as dimensões de abertura, ganho e largura de feixe para radiadores alimentados por guia de ondas — engenheiros de micro-ondas, operadores de alcance de teste de antenas e projetistas de estações terrestres de satélite usam isso para projetar padrões de ganho e feeds para antenas refletoras. O ganho é determinado pela área de abertura: G = eta 4 pi*A/lambda ^ 2, onde eta é a eficiência de abertura (normalmente 0,5-0,7) e A é a área da boca da buzina, de acordo com a “Teoria da Antena” de Balanis (4ª ed.) e o Padrão IEEE 149-2021.

Três tipos de buzinas atendem a diferentes aplicações: as buzinas piramidais se alargam nos planos E e H, fornecendo padrões simétricos com eficiência de 50-70% e ganho de 10-25 dBi. Os chifres setoriais brilham em apenas um plano (plano E ou plano H), úteis para modelagem de padrões específicos. Buzinas cônicas alimentadas por um guia de ondas circular fornecem padrões circularmente simétricos ideais para alimentação de refletores. As buzinas de ganho padrão (SGH) são calibradas com precisão de +/- 0,5 dB para medições de antena.

O design ideal da buzina equilibra o tamanho da abertura com o erro de fase. Para chifre piramidal: L_e = A_e^2/ (3*lambda) e L_h = A_h^2/ (2*lambda), onde L é o comprimento axial e A é a dimensão da abertura. Uma buzina de 10 GHz com ganho de 15 dBi requer aproximadamente 60 mm de abertura e 100 mm de comprimento. Os chifres corrugados alcançam 75-80% de eficiência e lóbulos laterais extremamente baixos (< -30 dB) por meio de corrugações de superfície que igualam os padrões dos planos E e H — preferidos para medições de precisão e alimentação por satélite.

Exemplo Resolvido

Problema: projete uma buzina de ganho padrão para medições de antena de 10 GHz que exijam ganho de 17 dBi.

Projeto de acordo com a metodologia IEEE Std 149-2021:

  1. Comprimento de onda: lambda = c/f = 3e8/10e9 = 30 mm
  2. Área de abertura necessária a partir da equação de ganho:
G = 17 dBi = 50 (linear) eta = 0,6 (eficiência típica do chifre piramidal) A = G lambda ^ 2/(4 pi* eta) = 50 0,03 ^ 2/(4 3,14159* 0,6) = 59,7 cm ^ 2

  1. Dimensões da abertura (abertura quadrada para padrão simétrico):
A_e = A_h = sqrt (59,7) = 7,73 cm = 77 mm
  1. Comprimentos axiais ideais para uniformidade 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) Use uma dimensão maior: L = 100 mm para ambos os planos
  1. Entrada de guia de ondas: WR-90 (22,86 x 10,16 mm) para banda X
- Corte TE10:6,56 GHz (10 GHz bem dentro da banda de operação) - Guia de onda para transição da buzina: alargamento gradual acima de 50 mm
  1. Verificação de desempenho (calculada):
- Ganho: 10* log10 (0,6 4 pi * 77 ^ 2/30 ^ 2) = 17,1 dBi (atende às especificações) - Largura de feixe de 3 dB: 70* lambda/A = 70* 30/77 = 27 graus - Primeiro lóbulo lateral: -13 dB (típico para abertura uniformemente iluminada)
  1. VSWR: < 1, 25:1 em 8-12 GHz com design de reflexo de guia de onda adequado
  2. Calibração: compare com o padrão rastreável pelo NIST ou use o método de três antenas conforme IEEE 149 para determinar o ganho absoluto com precisão de +/- 0,3 dB

Dicas Práticas

  • ✓Para medições de alcance de antenas, use buzinas de ganho padrão calibradas para +/- 0,5 dB — os SGHs comerciais de fornecedores (Narda, Pasternack, A-INFO) incluem certificados de calibração rastreáveis de acordo com os padrões nacionais
  • ✓Especifique buzinas corrugadas para alimentação de refletores — seus padrões simétricos com lóbulos laterais de < -25 dB minimizam a perda de transbordamento e melhoram a eficiência geral da abertura em 5 a 10% em comparação com buzinas de parede lisa
  • ✓Para medições de campo, verifique a calibração da buzina anualmente e proteja a abertura contra danos físicos — amassados ou corrosão nas bordas da buzina degradam a simetria do padrão e ganham precisão

Erros Comuns

  • ✗Negligenciando a eficiência da abertura nos cálculos de ganho — o máximo teórico (eta = 1) nunca é alcançado; use eta = 0,5-0,6 para buzinas piramidais, 0,7-0,8 para buzinas corrugadas
  • ✗Ignorando o erro de fase devido ao comprimento inadequado do chifre — chifres curtos têm frente de fase curva, causando redução de ganho e aumento dos lóbulos laterais; mantenha L > A^2/ (2*lambda) para um erro de fase na borda de < 45 graus
  • ✗Usando o tamanho errado do guia de ondas — a buzina deve se conectar ao guia de ondas compatível com o modo dominante na frequência de operação; WR-90 para 8-12 GHz, WR-62 para 12-18 GHz, WR-42 para 18-26 GHz
  • ✗Assumindo eficiência constante versus frequência — a eficiência varia em toda a banda do guia de ondas devido à correspondência de modos e às mudanças na distribuição de abertura; caracterize em várias frequências para trabalhos de precisão

Perguntas Frequentes

O ganho é definido pela área de abertura e eficiência: G = eta * 4* pi*A/lambda ^ 2. Dobrar as dimensões da abertura (quadruplicar a área) adiciona ganho de 6 dBi. A duplicação da frequência (redução de lambda pela metade) adiciona ganho de 6 dBi para o mesmo tamanho físico. A eficiência depende do tipo de chifre: piramidal liso 50-60%, setorial 40-50%, corrugado 70-80%. Para uma buzina de ganho de 20 dBi a 10 GHz (lambda = 30 mm) com 60% de eficiência: A = 100* 0,03 ^ 2/ (4* pi* 0,6) = 0,012 m ^ 2 = 110 mm x 110 mm de abertura.
As buzinas fornecem ganho previsível e calculável com base na geometria — sem necessidade de ajuste de ressonância. Comparação a 10 GHz: Dipolo: 2,15 dBi, requer balun. Patch: 6-8 dBi, largura de banda estreita. Buzina (abertura de 100 mm): 17 dBi, inerentemente banda larga. Prato (1 m): 40 dBi, requer buzina de alimentação. As buzinas se destacam como: (1) Padrões de ganho com precisão de +/- 0,5 dB. (2) Alimentação de refletores com iluminação controlada. (3) Antenas de banda larga (largura de banda 2:1 típica). (4) Aplicações de ganho moderado onde a simplicidade é valorizada.
Opções: (1) Abertura maior — limite prático de cerca de 20-25 dBi antes que o tamanho se torne pesado. (2) Design corrugado — adiciona 1-2 dB por meio de maior eficiência. (3) Correção da lente — a lente dielétrica equaliza a fase na abertura em +1-2 dB. (4) Matriz de buzinas — a matriz 2x2 adiciona 6 dB, mas requer uma rede de alimentação corporativa. (5) Alimentação do refletor — a buzina ilumina a placa parabólica obtém ganho combinado de 30-50 dBi. Para obter o máximo ganho, use a buzina como alimentação para a antena refletora; a buzina molda o padrão de iluminação enquanto o refletor fornece ganho de abertura.
A buzina setorial do plano E brilha somente no plano do campo elétrico (perpendicular à parede larga do guia de ondas), produzindo largura de feixe estreita no plano E e larga no plano H. A buzina setorial do plano H brilha no plano do campo magnético (paralelo à parede larga), produzindo uma largura de feixe estreita no plano H e um plano E amplo. O chifre piramidal brilha em ambos os planos, permitindo o controle independente das larguras de feixe E e H. O chifre cônico (guia de ondas circular) tem larguras de feixe iguais em todos os planos. Escolha com base no padrão exigido: setorial para feixes de ventilador, piramidal para feixes de lápis, cônico para iluminação circularmente simétrica.
Os chifres corrugados alcançam 70-80% de eficiência (versus 50-60% para paredes lisas) por meio de três mecanismos: (1) Padrões iguais nos planos E e H — as corrugações forçam a distribuição do campo a ter a mesma largura de feixe em ambos os planos, melhorando a uniformidade da iluminação do refletor. (2) Lóbulos laterais baixos (< -25 dB) — reduzem o transbordamento além da borda do refletor, minimizando a captação de ruído da Terra quente. (3) Baixa polarização redução (< -30 dB) — as corrugações suprimem os modos de ordem superior que causam polaridade cruzada. Essas propriedades são críticas para estações terrestres de satélite onde G/T (relação entre ganho e ruído de temperatura) determina o desempenho do link. Buzinas corrugadas adicionam 20-30% ao custo da buzina, mas melhoram o sistema G/T em 0,5-1 dB.

Metodologia e referências

Referências

  • 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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