Mi az a kürtantenna: 9 fontos fogalom

A kép forrása: Schwarzbeck Mess-Elektronik, Schwarzbeck BBHA 9120 DCC BY-SA 3.0

Pontok a megbeszéléshez: Kürtantenna

  • Bevezetés
  • Kürtantenna használata
  • A kürtantenna elemei és a kürtantenna típusai
  • Kürt antenna kialakítás
  • A kürtantenna iránya
  • Kürtantenna sugárzási mintázata
  • Kürt antenna erősítés
  • Kürt antenna sugárszélessége
  • Néhány matematikai probléma a kürtantennával kapcsolatban

Bevezetés

A kürtantenna meghatározásához ismernünk kell az antenna megfelelő definícióját. Az IEEE szabvány antennadefiníciói szerint

"Az antenna rádióhullámok sugárzásának vagy vételének eszköze."

A kürtantenna az Aperture antenna legnépszerűbb típusa. Az apertúrás antennákat kifejezetten mikrohullámú frekvenciákhoz tervezték. Az ilyen típusú apertúrás antennák széles körben használatosak, és a legtöbben díszítetlenek, kivéve bármilyen fajtát.

Bár a kürtantenna használatát már az 1800-as években elkezdték használni, a gyors alkalmazást az 1930-as években hozták létre. Ezek az antennák is drasztikus módosításon estek át ez idő alatt. Számos tézis és kutatás született a kürtantenna kialakításának leírására, a kürtantenna sugárzási mintázatának, valamint a különböző szektorokban történő alkalmazásainak feltárására. A alkalmazások mikrohullámú sütőben és hullámvezető átviteli tartomány tette híressé a kürtantennát. Ezért a kürtantennákat gyakran mikrohullámú kürtantennaként értelmezik.

Mi az átviteli vonal? Hogyan kapcsolódik az antennához? Tudd itt!

Horn Antenna használata

A kürtantennák hatásos alkalmazásokat találtak a rádiócsillagászat, a műholdkövetés, a kommunikációs antennák és sok más helyen betápláló elemként. A reflektor és a lencsék betáplálásaként használják, valamint fázisos tömbökben is használják. Ezeket az antennákat részesítik előnyben a különböző típusú apertúrás antennákkal szemben, tisztességes és egyszerű kialakításuk, jobb erősítésük, sokoldalúságuk és általános teljesítményük miatt.

A kürtantenna elemei

A kürtantenna egy különféle kialakítású rezonáló cső, amely nagyobb nyílás kialakítására alakítható. Az antenna általános teljesítményét befolyásolja az irány, a kúpos mértéke, az irányítottság.

A kürtantenna típusai

A kürtantennák működéséhez különböző formájúak. Ők -

· Ágazati kürtantenna

  • E-Plane
  • H-Plane

· Piramis alakú kürtantenna

ATM kürtantennák
Egy tipikus piramis kürt antenna, Credit Tactron ElektronikATM kürtantennákCC BY-SA 3.0

· Kúpos kürtantenna

BocinaLenteDielelectrica
Kúpos kürt - Antenna és sugárzási mintája; Kép jóváírása – Mª Luisa BelloBocinaLenteDieléctricaCC BY-SA 4.0

· Hullámos kürtantenna

640px LNB 2
Hullámos kürt-antenna; Kép jóváírása: Laurent 06LNB 2CC BY-SA 3.0

· Átlós kürtantenna

NRAO kalibrációs kürtantenna 1967
Átlós kürtantenna; Kép forrása – NRAO/AUI/NSF, NRAO kalibrációs kürtantenna (1967)CC BY 3.0

· Bordázott kürtantenna

640 képpont Schwarzbeck BBHA 9120 D 1
Bordázott kürtantenna; Kép jóváírása –Schwarzbeck Mess-Elektronik, Schwarzbeck BBHA 9120 DCC BY-SA 3.0

· Kettős üzemmódú kúpos kürtantenna

· Septum kürt antenna

· Korlátozott rekesznyílású kürtantenna

Kürtantenna kialakítás (Pyramidal Horn Antenna)

A piramis alakú kürtantenna a kürtantenna leggyakrabban használt és legnépszerűbb típusa. Szabványos erősítésű kürtként ismert (ezért választjuk a piramis alakú kürtöt leírására). A piramis alakú kürt sugárzási mintája az E- és H-szektorális kürtantennák kombinációja. Beszéljük meg a piramis alakú kürtantenna kialakítását.

Tervezési eljárás

  • A tervezőnek/mérnöknek ismernie kell a nyereséget (G0). Szintén a négyszög 'a', 'b' mérései hullámvezető (takarmányként használva) ismerni kell.  
  • A tervezés célja olyan méretek származtatása, mint – a1, b1, ρe, ρh, Pe, Ph. A számításnak el kell vezetnie a tervezőt a kürtantenna optimális erősítésére.
  • Az a1 és b1 kiválasztása is irányított legyen, hogy segítsenek megtalálni az optimális erősítést, és le tudjuk vezetni a tervezési egyenleteket.
  • A kürtantenna hatásfoka a nyílásokkal együtt körülbelül 50%. Most már tudjuk, hogy...

a1 ≈ √ (3λρ2)

b1 ≈ √ (2λρ1)

Az irányítottságot a következőképpen adjuk meg: – D0

D0 =Aem [ 4π / λ2]

Aem a maximális hatásos terület, és kapcsolatban áll a fizikai területtel (rövidítve Ap).

Aem = εap Ap

εap a rekesznyílás hatékonysága, 0 ≤ εap ≤ 1

Nyereség = G0

G0 = (1/2) * (4π / λ2) * (a1 b1)

Vagy G0 = (2π / λ2) * √ (3λρ2) * √ (2λρ1)

Vagy G0 (2π / λ2) * √ (3λρh * 2λρe) – (1)

Ahogy feltételezzük, hogy ρ2 ≈ ρh és ρ1 ≈ ρe hosszú kürtantennákhoz.

Most, hogy megértsük a fizikai kürtantennát, Pe és a Ph egyenlőnek kell lennie.

Tudjuk,

Pe = (b1 – b) [ (ρe /b1)2 – ¼]1/2

Ph = (a1 – a) [ (ρh / nál nél1)2 – ¼]1/2

Most átírhatjuk az (1) egyenletet az alábbiak szerint.

[√ (2χ) – b/λ]2 (2χ -1) = [{(G0 /2π√χ) * √ (3/2π)} – (a/λ)]2 * [(G02 / 6π3χ) – 1] – (2)

Ahol,

ρe / λ = χ és

ρh / λ = G02 / 8π3χ

A (2) egyenlet kürt-antenna tervezési egyenletként ismert.

  1. Először ki kell számítanunk χ értékét, amely kielégíti a nyereség értékét. A χ érték meghatározásához egy iteratív megközelítést alkalmazunk próbaértékkel.

χ (nyomvonal) = χ1 =G0 /2π√2π

  1. A helyes érték kiszámítása után a ρe és a ρh kiszámítják.
  2. A tervekhez kapcsolódó a1 és b1 ezután kerül kiszámításra.

a1 = √ (3λρ2) ≈ √ (3λρh) = (G0 /2π) * √ (3λ/2πχ)

b1 = √ (2λρ1) ≈ √ (2λρe) = √ (2λχ)

  1. A p értékeie és ph kiszámolják végre.

A kürtantenna irányultsága

Mielőtt rátérnénk a kürtantenna irányítottságának kiderítésére, ismerjük meg az antenna irányítottságát? Az antenna irányíthatóságát az antenna egy adott irányú sugárzási intenzitásának és az összes irányban számított átlagos sugárzási intenzitás arányaként határozzuk meg. Az irányítottságot paraméternek tekintik az antenna érdemi értékének kiszámításához.

A következő matematikai kifejezés írja le az irányítottságot.

D = U / U0 = 4πU/Prad

Ha az irány nincs megadva, az alapértelmezett irány a maximális sugárzási intenzitás iránya.

Dmax = D0 =Umax /U0 = 4πUmax / Prad

Itt a „D” az irányítottság, és nincs iránya, mivel ez egy arány. U a sugárzás intenzitása. Umax a maximális sugárzási intenzitás. U0 az izotróp forrás sugárzási intenzitása. Prad a teljes kisugárzott teljesítmény. Mértékegysége a watt (W).

Mint korábban említettük, a kürtantenna háromféle. Minden osztály eltérő irányultságú. Beszéljük meg mindegyiket.

E-Sík ágazati kürt

A következő kifejezés megadja az E-Plane kürtantenna irányítottságát.

DE = 4πUmax /Prad = (64aρ1 * | F(t) | 2)/πλ b1

Hol, | F(t) | = [C2b1 / √ (2λρ1) + S2b1 / √ (2λρ1)]

H-sík ágazati kürt

A következő kifejezés megadja a H-sík szektorális kürtantenna irányítottságát.

DH = 4πUmax /Prad = [4πbρ2 /a1 λ]* {[ C(u) – C(v)]2 + [S(u) – S(v)]2}

Ahol,

u = (1/√2) * [{√ (λρ2)/a1 + a1/ √ (λρ2)}]

v = (1/√2) * [{√ (λρ2)/a1 - a1/ √ (λρ2)}]

Piramis alakú kürtantenna

A piramis kürtantenna irányítottsága függ az E és H sík szektorkürt irányultságától is. Az egyenlet alább látható.

DP = 4πUmax /Prad = [8πρ1ρ2 /a1b1] * {[ C(u) – C(v)]2 + [S(u) – S(v)]2} * {[C2b1 / √ (2λρ1) + S2b1 / √ (2λρ1)]}

Így írható:

DP = [π λ2 / 32ab] * DEDH

Kürt antenna sugárzási minta

A sugárzási mintázat bármely elektromágneses forrásból származó rádióhullámok erősségének szögfüggése. Az alábbi képen egy piramis alakú kürtantenna sugárzási mintája látható.

Piramis alakú kürtantenna sugárzási minták 1

A Horn antenna sugárzási mintáját ábrázoló kép

Horn Antenna Gain

Az antenna erősítését az adott irányú intenzitás és a sugárzás intenzitásának aránya jelenti, ha az antennát izotóposan sugározzák. Ez alapvető paraméter az antenna teljesítményének méréséhez, és szoros kapcsolatban áll az antenna irányítottságával. A kürtantenna erősítése 25 dBi körül van, és a tartomány jellemzően 10-20 dBi.

Kürt antenna sugárszélessége

Az antenna sávszélessége a felső körvonal hátoldalán lévő két illeszkedő pont közötti szögtávolság. A kürt-antenna sugárszélessége csökken, ha a folyamat frekvenciáját növeljük.

A praktikus kürtantenna sávszélessége 10:1 és 20:1 közötti tartományban marad.

Néhány matematikai probléma a kürtantennával kapcsolatban

1. Határozza meg az E-sík szektorális kürtantenna irányát! Az antenna részletei az alábbiakban találhatók. a = 0.5λ, b = 0.25λ, b1 = 6λ, ρ1 = 6λ

Megoldás:

b1 / √ (2λρ1) = 6λ / √ (2λ*6λ) = 6 / √12 = 1.73

Frensel 1

A Fresnel Integral Chart egy része; Kép jóváírása – A. VAN WIJNGAARDEN és WL SCHEEN

Most, [C (1.73)]2 = (0.32)2 = 0.1024 [a Fresnel-integrálok diagramjából]

És [S (1.73)]2 = (0.54)2 = 0.2916 [a Fresnel-integrálok diagramjából]

Tudjuk, DE = 4πUmax /Prad = (64aρ1 * | F(t) | 2)/πλb1

Hol, | F(t) | = [C2b1 / √ (2λρ1) + S2b1 / √ (2λρ1)]

DE = [{64 (0.5) * 6 * (0.1024 + 0.2916)} / 6π]

Vagy DE = 4.01 dB.

Tehát az adott E-Plane szektorális kürtantenna irányítottsága 4.01 dB.

2. Határozza meg a H-sík szektorális kürtantenna irányítottságát! Az antenna részletei az alábbiakban találhatók. a = 0.5λ, b = 0.25λ, a1 = 6λ, ρ2 = 6λ

Megoldás:

Tudjuk,

u = (1/√2) * [{√ (λρ2)/a1 + a1/ √ (λρ2)}]

v = (1/√2) * [{√ (λρ2)/a1 - a1/ √ (λρ2)}]

Most u = (1/√2) * [{√ (6)/6 + 6/ √ (6)}] = 2.02

És v = (1/√2) * [{√ (6)/6 – 6/ √ (6)}] = – 1.44

Fresnel integrálok használatával,

C(u)=C(2.02)=0.48825

C (v) = C (-1.44) = -C (1.44) = - 0.54310

S(u)=S(2.02)=0.3434

S (v) = S (-1.44) = -S (1.44) = - 0.71353

Tudjuk, hogy a H-síkú szektorális kürtantenna irányítottsága az 

DH = 4πUmax /Prad = [4πbρ2 /a1 λ]* {[C(u) – C(v)]2 + [S(u) – S(v)]2}

Vagy DH = [4π (0.25) 6/6] * [ (0.488 + 0.543)2 + (0.343 + 0.713)2]

Vagy DH = (3.141) * (1.0629 + 1.1151)

Vagy DH = 6.84 dB

Tehát az adott H-sík szektorális kürtantenna irányítottsága 6.84 dB.

3. A piramis alakú kürtantenna tervezési részleteit az alábbiakban mutatjuk be. ρ2 = 6λ = ρ1 = 6λ; a = 0.5λ, b = 0.25λ; a1 = 6λ = b1 = 6λ; Ellenőrizze, hogy ezekkel a részletekkel tervezhető-e praktikus kürtantenna. Ezenkívül nézze meg a piramis alakú kürtantenna irányát.

Megoldás:

            Nos, ρe = λ √ ([62+ (6/2)2] = 6.708λ

            És ρh = λ √ ([62+ (6/2)2] = 6.708λ

Tudjuk,

Pe = (b1 – b) [ (ρe /b1)2 – ¼]1/2

Ph = (a1 – a) [ (ρh / nál nél1)2 – ¼]1/2

Most, Pe = (6λ–0.25λ) [ (6.708 / 6)2 – ¼]1/2 = 5.74λ

És, Ph = (6λ–0.5λ) [ (6.708 / 6)2 – ¼]1/2 = 5.12λ

Mint látjuk, Pe nem egyenlő P-velh, így a tervezés nem valósítható meg.

            Tudjuk, hogy a piramis alakú kürtantenna irányítottsága a 

DP = [π λ2 / 32ab] * DEDH

            Most, DP = [π / 32 * (0.5) * (0.25)] * 6.84 * 4.01]

            [D értékeEDH korábban kiszámították]

            Vagy DP = 21.54

            Átalakítva dB értékre, DP = 10log21.54 = 13.33 dB

Tehát az adott Pyramidal Horn-antenna irányiránya 13.33 dB.