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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 dimensões de abertura, ganho e largura de feixepara radiadores alimentados por guia de ondas— engenheiros de micro-ondas, operadores de campo de teste de antenas e projetistas de estações terrestres de satélite usam isso para projetar padrões de ganho e alimentações 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 [guia de ondas] circular(/calculators/rf/waveguide-cutoff/)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. Guia de ondas Entrada: 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 ondaspara transição de 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) - 3 dB largura do feixe: 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 clarão adequado guia de ondas
  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 modos de ordem superior que causam polaridade cruzada. Essas propriedades são essenciais para estações terrestres de satélite em que G/T (relação entre ganho e ruído e temperatura) determina o desempenho do link. Buzinas corrugadas adicionam 20-30% ao custo da buzina, mas melhoram o System 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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