Antena de bocina

Una antena de bocina o una bocina de microondas es una antena que consiste en una guía de ondas de metal abocinada con forma de bocina para dirigir las ondas de radio en un haz. Las bocinas se utilizan ampliamente como antenas en frecuencias UHF y microondas, por encima de 300 MHz. Se utilizan como antenas de alimentación (llamadas bocinas de alimentación) para estructuras de antena más grandes, como antenas parabólicas, como antenas de calibración estándar para medir la ganancia de otras antenas y como antenas directivas para dispositivos como pistolas de radar, abridores de puertas automáticos y radiómetros de microondas.. Sus ventajas son directividad moderada, amplio ancho de banda, bajas pérdidas y construcción y ajuste sencillos.

Una de las primeras antenas de cuerno fue construida en 1897 por el investigador de radio Bengali-Indiano Jagadish Chandra Bose en sus experimentos pioneros con microondas. La antena de cuerno moderno fue inventada independientemente en 1938 por Wilmer Barrow y G. C. Southworth El desarrollo del radar en la Segunda Guerra Mundial estimuló la investigación de cuernos para diseñar cuernos para antenas de radar. El cuerno ondulado inventado por Kay en 1962 se ha utilizado ampliamente como un cuerno de alimentación para antenas de microondas, como platos satélites y radiotelescopios.

Una ventaja de las antenas de bocina es que, dado que no tienen elementos resonantes, pueden funcionar en una amplia gama de frecuencias y un amplio ancho de banda. El ancho de banda utilizable de las antenas de bocina suele ser del orden de 10:1 y puede ser de hasta 20:1 (permitiendo, por ejemplo, operar entre 1 GHz y 20 GHz). La impedancia de entrada varía lentamente en este amplio rango de frecuencia, lo que permite una relación de onda estacionaria de bajo voltaje (VSWR) en todo el ancho de banda. La ganancia de las antenas de bocina varía hasta 25 dBi, siendo típico entre 10 y 20 dBi.

Descripción

Una antena de bocina se utiliza para transmitir ondas de radio desde una guía de ondas (un tubo metálico utilizado para transportar ondas de radio) al espacio, o para recoger ondas de radio en una guía de ondas para su recepción. Por lo general, consiste en un tramo corto de tubo de metal rectangular o cilíndrico (la guía de ondas), cerrado en un extremo, que se ensancha en un cuerno abierto de forma cónica o piramidal en el otro extremo. Las ondas de radio normalmente se introducen en la guía de ondas mediante un cable coaxial colocado en el lateral, con el conductor central proyectándose hacia la guía de ondas para formar una antena monopolo de un cuarto de onda. Las ondas luego irradian hacia el extremo del cuerno formando un haz estrecho. En algunos equipos, las ondas de radio se conducen entre el transmisor o receptor y la antena mediante una guía de ondas; en este caso la bocina está unida al extremo de la guía de ondas. En las bocinas exteriores, como las bocinas de alimentación de las antenas parabólicas, la boca abierta de la bocina suele estar cubierta por una lámina de plástico transparente a las ondas de radio, para excluir la humedad.

Cómo funciona

Una antena de bocina cumple la misma función para las ondas electromagnéticas que una bocina acústica para las ondas sonoras de un instrumento musical como una trompeta. Proporciona una estructura de transición gradual para hacer coincidir la impedancia de un tubo con la impedancia del espacio libre, permitiendo que las ondas del tubo irradien de manera eficiente hacia el espacio.

Si se utiliza como antena una guía de ondas simple de extremo abierto, sin la bocina, el final repentino de las paredes conductoras provoca un cambio abrupto de impedancia en la apertura, desde la impedancia de onda en la guía de ondas a la impedancia del espacio libre. (aproximadamente 377 Ω). Cuando las ondas de radio que viajan a través de la guía de ondas golpean la abertura, este paso de impedancia refleja una fracción significativa de la energía de la onda de regreso a la guía hacia la fuente, de modo que no se irradia toda la potencia. Esto es similar a la reflexión en una línea de transmisión abierta o en un límite entre medios ópticos con un índice de refracción alto y bajo, como en una superficie de vidrio. Las ondas reflejadas provocan ondas estacionarias en la guía de ondas, aumentando la ROE, desperdiciando energía y posiblemente sobrecalentando el transmisor. Además, la pequeña apertura de la guía de ondas (menos de una longitud de onda) provoca una importante difracción de las ondas que salen de ella, lo que da como resultado un patrón de radiación amplio sin mucha directividad.

Para mejorar estas malas características, los extremos de la guía de ondas se ensanchan para formar una bocina. La forma cónica de la bocina cambia la impedancia gradualmente a lo largo de la longitud de la bocina. Esto actúa como un transformador de adaptación de impedancia, permitiendo que la mayor parte de la energía de la onda irradie desde el extremo de la bocina hacia el espacio, con una reflexión mínima. El cono funciona de manera similar a una línea de transmisión ahusada o un medio óptico con un índice de refracción que varía suavemente. Además, la amplia apertura de la bocina proyecta las ondas en un haz estrecho.

La forma de la bocina que proporciona una potencia reflejada mínima es una forma cónica exponencial. Las bocinas exponenciales se utilizan en aplicaciones especiales que requieren una pérdida mínima de señal, como antenas de satélite y radiotelescopios. Sin embargo, los cuernos cónicos y piramidales son los más utilizados porque tienen lados rectos y son más fáciles de diseñar y fabricar.

Patrón de radiación

Las ondas viajan por una bocina como frentes de onda esféricos, con su origen en el vértice de la bocina, un punto llamado centro de fase. El patrón de campos eléctricos y magnéticos en el plano de apertura en la boca de la bocina, que determina el patrón de radiación, es una reproducción ampliada de los campos en la guía de ondas. Debido a que los frentes de onda son esféricos, la fase aumenta suavemente desde los bordes del plano de apertura hacia el centro, debido a la diferencia en longitud del punto central y los puntos de borde desde el punto vértice. La diferencia de fase entre el punto central y los bordes se denomina error de fase. Este error de fase, que aumenta con el ángulo de ensanchamiento, reduce la ganancia y aumenta el ancho del haz, dando a las bocinas anchos de haz más amplios que las antenas de onda plana de tamaño similar, como las antenas parabólicas.

En el ángulo de ensanchamiento, la radiación del lóbulo del haz disminuye unos 20 dB con respecto a su valor máximo.

A medida que aumenta el tamaño de una bocina (expresado en longitudes de onda), el error de fase aumenta, dándole a la bocina un patrón de radiación más amplio. Mantener el ancho del haz estrecho requiere una bocina más larga (ángulo de ensanchamiento más pequeño) para mantener constante el error de fase. El creciente error de fase limita el tamaño de apertura de las bocinas prácticas a unas 15 longitudes de onda; aberturas más grandes requerirían cuernos imprácticamente largos. Esto limita la ganancia de las bocinas prácticas a aproximadamente 1000 (30 dBi) y el ancho de haz mínimo correspondiente a aproximadamente 5-10°.

Tipos

A continuación se detallan los principales tipos de antenas de bocina. Las bocinas pueden tener diferentes ángulos de ensanchamiento, así como diferentes curvas de expansión (elípticas, hiperbólicas, etc.) en las direcciones del campo E y del campo H, lo que hace posible una amplia variedad de perfiles de haz diferentes.

cuerno piramidal (fig. a) – una antena de cuerno con el cuerno en forma de una pirámide de cuatro caras, con una sección de cruz rectangular. Son un tipo común, usado con guías de onda rectangulares y ondas radialmente polarizadas.

Cuerno sectorial – Un cuerno piramidal con sólo un par de lados flared y el otro par paralelo. Produce un haz en forma de abanico, que es estrecho en el plano de los lados revestidos, pero ancho en el plano de los lados estrechos. Estos tipos se utilizan a menudo como cuernos de alimentación para anales de radar de búsqueda anchas.

E-plane horn (fig. b) – Un cuerno sectorial voló en la dirección del campo eléctrico o electrónico en la guía de onda.

H-plane cuerno (fig. c) – Un cuerno sectorial voló en la dirección del campo magnético o H en la guía de onda.

Cuerno cónico (fig. d) – Un cuerno en la forma de un cono, con una sección circular de la cruz. Se utilizan con guías de onda cilíndricas.

cuerno exponencial (fig. e) – Un cuerno con lados curvados, en el que la separación de los lados aumenta como función exponencial de la longitud. También se llama cuerno de cuero cabelludo, pueden tener secciones de cruz piramidal o cónica. Los cuernos exponenciales tienen mínimos reflejos internos, y casi constante impedancia y otras características sobre un amplio rango de frecuencias. Se utilizan en aplicaciones que requieren alto rendimiento, como cuernos de alimentación para antenas satélite de comunicación y radiotelescopios.

Bocina ondulada – Un cuerno con ranuras paralelas o ranuras, pequeño comparado con una longitud de onda, cubriendo la superficie interior del cuerno, transversal al eje. Los cuernos corrugados tienen ancho de banda más ancho y los sidelobes más pequeños y la poliarización cruzada, y son ampliamente utilizados como cuernos de alimentación para platos satélites y radio telescopios.

cuerno cónico de doble modo – (El cuerno de Potter) Este cuerno se puede utilizar para reemplazar el cuerno ondulado para su uso en longitudes de onda sub-mm donde el cuerno ondulado es perdido y difícil de fabricar.

cuerno diagonal – Este simple cuerno de doble modo superficialmente parece un cuerno piramidal con una abertura de salida cuadrada. Sin embargo, al realizar una inspección más cercana, se observa que la abertura de salida cuadrada gira 45° en relación con la guía de onda. Estos cuernos normalmente se mecanizan en bloques divididos y se utilizan en longitudes de onda de sub-mm.

Cuerno lleno de agua – Un cuerno piramidal con crestas o aletas adheridas al interior del cuerno, extendiendo el centro de los lados. Las aletas bajan la frecuencia de corte, aumentando el ancho de banda de la antena.

cuerno de septtum – Un cuerno que se divide en varios subhornos por particiones metálicas (septums) dentro, unidos a paredes opuestas.

cuerno limitado de abertura – un cuerno angosto largo, lo suficiente para que el error de fase sea una fracción insignificante de longitud de onda, por lo que esencialmente irradia una onda plana. Tiene una eficiencia de abertura de 1.0 por lo que da la ganancia máxima y el ancho de haz mínimo para un tamaño de abertura dado. La ganancia no se ve afectada por la longitud, sino sólo limitada por la difracción en la abertura. Se utiliza como cuernos de alimentación en los telescopios de radio y otras antenas de alta resolución.

Open Boundary Quad-Ridged Horn Antenna – Esta antena de cuerno es un tipo especial de antena de cuerno diseñado como una estructura de cuatro puntas con límites abiertos. Cubre el ancho del rango de frecuencia y la polarización es dual Linear.

Antena de Cuerno de doble filo – Este tipo de antena es similar a una antena cuádruple de borde abierto. Fue diseñado para operar a través de un amplio rango de frecuencias, baja VSWR y alta ganancia.

Bocina óptima

Para una frecuencia y longitud de bocina determinadas, existe un ángulo de ensanchamiento que proporciona una reflexión mínima y una ganancia máxima. Las reflexiones internas en las bocinas de lados rectos provienen de dos lugares a lo largo de la trayectoria de la onda donde la impedancia cambia abruptamente; la boca o abertura del cuerno y la garganta donde los lados comienzan a ensancharse. La cantidad de reflexión en estos dos sitios varía con el ángulo de ensanchamiento de la bocina (el ángulo que forman los lados con el eje). En cuernos estrechos con pequeños ángulos de ensanchamiento, la mayor parte de la reflexión se produce en la boca del cuerno. La ganancia de la antena es baja porque la boca pequeña se aproxima a una guía de ondas de extremo abierto, con un paso de impedancia grande. A medida que aumenta el ángulo, la reflexión en la boca disminuye rápidamente y la ganancia de la antena aumenta. Por el contrario, en los cuernos anchos con ángulos de ensanchamiento cercanos a los 90°, la mayor parte del reflejo se produce en la garganta. La ganancia de la bocina vuelve a ser baja porque la garganta se aproxima a una guía de ondas abierta. A medida que disminuye el ángulo, la cantidad de reflexión en este sitio disminuye y la ganancia de la bocina vuelve a aumentar.

Esta discusión muestra que existe un ángulo de ensanchamiento entre 0° y 90° que proporciona una ganancia máxima y una reflexión mínima. Esto se llama bocina óptima. La mayoría de las antenas de bocina prácticas están diseñadas como bocinas óptimas. En una bocina piramidal las dimensiones que dan una bocina óptima son:

aE=2λ λ LEaH=3λ λ LH{displaystyle a_{E}={sqrt {2lambda L_{E}qquad A_{H}={sqrt {3lambda ¿Qué?

Para una bocina cónica, las dimensiones que dan una bocina óptima son:

d=3λ λ L{displaystyle D={sqrt {3lambda - Sí.

dónde

a_E es el ancho de la abertura en la dirección E-field

a_H es el ancho de la abertura en la dirección H-field

L_E es la altura inclinada del lado en la dirección E-field

L_H es la altura inclinada del lado en la dirección H-field

d es el diámetro de la abertura del cuerno cilíndrico

L es la altura inclinada del cono del ápice

λ es la longitud de onda

Una bocina óptima no produce la máxima ganancia para un tamaño de apertura determinado. Esto se consigue con una bocina muy larga (una bocina de apertura limitada). La bocina óptima produce la máxima ganancia para una longitud de bocina determinada. En los manuales de microondas se proporcionan tablas que muestran las dimensiones de las bocinas óptimas para diversas frecuencias.

Ganancia

Las bocinas tienen muy poca pérdida, por lo que la directividad de una bocina es aproximadamente igual a su ganancia. La ganancia G de una antena de bocina piramidal (la relación entre la intensidad de potencia radiada a lo largo del eje de su haz y la intensidad de una antena isotrópica con la misma potencia de entrada) es:

G=4π π Aλ λ 2eA{displaystyle G={frac {4pi A}{lambda ¿Qué?

Para cuernos cónicos, la ganancia es:

G=()π π dλ λ)2eA{displaystyle G=left({frac {pid}lambda}right)^{2}e_{A}

dónde

A es el área de la abertura,

d es el diámetro de la abertura de un cuerno cónico

λ es la longitud de onda,

e_A es un parámetro sin dimensiones entre 0 y 1 llamado el eficiencia de la abertura,

La eficiencia de apertura oscila entre 0,4 y 0,8 en las prácticas antenas de bocina. Para cuernos piramidales óptimos, e_A = 0,511., mientras que para cuernos cónicos óptimos e_A = 0,522. Por lo tanto, a menudo se utiliza una cifra aproximada de 0,5. La eficiencia de apertura aumenta con la longitud de la bocina, y para bocinas con apertura limitada es aproximadamente la unidad.

Antena reflectora de bocina

Un tipo de antena que combina una bocina con un reflector parabólico se conoce como Hogg-horn o antena reflectora de bocina, inventada por Alfred C. Beck y Harald T. Friis en 1941 y desarrollada posteriormente por David C. Hogg. en los laboratorios Bell en 1961. También se la conoce como "cuchara de azúcar" debido a su forma característica. Consiste en una antena de bocina con un reflector montado en la boca de la bocina en un ángulo de 45 grados, de modo que el haz radiado esté en ángulo recto con el eje de la bocina. El reflector es un segmento de un reflector parabólico y el foco del reflector está en el vértice de la bocina, por lo que el dispositivo equivale a una antena parabólica alimentada fuera del eje. La ventaja de este diseño sobre una antena parabólica estándar es que la bocina protege la antena de la radiación proveniente de ángulos fuera del eje del haz principal, por lo que su patrón de radiación tiene lóbulos laterales muy pequeños. Además, la apertura no está parcialmente obstruida por la alimentación y sus soportes, como ocurre con las antenas parabólicas de alimentación frontal ordinarias, lo que le permite alcanzar eficiencias de apertura del 70 % en comparación con el 55-60 % de las antenas parabólicas de alimentación frontal. La desventaja es que es mucho más grande y pesado para un área de apertura determinada que un plato parabólico, y debe montarse en una plataforma giratoria engorrosa para que sea completamente orientable. Este diseño se utilizó para algunos radiotelescopios y antenas terrestres de satélites de comunicaciones durante la década de 1960. Sin embargo, su uso más importante fue como antenas fijas para enlaces de retransmisión de microondas en la red de microondas de AT&T Long Lines. Desde la década de 1970, este diseño ha sido reemplazado por antenas parabólicas cubiertas, que pueden lograr un rendimiento de lóbulo lateral igualmente bueno con una construcción más liviana y compacta. Probablemente el ejemplo más fotografiado y conocido sea la antena Holmdel Horn de 15 metros de largo (50 pies) de Bell Labs en Holmdel, Nueva Jersey, con la que Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron la radiación cósmica de fondo de microondas en 1965, por lo que ganaron el Premio Nobel de Física en 1978. Otro diseño de bocina-reflector más reciente es el cass-horn, que es una combinación de una bocina con una antena parabólica cassegrain que utiliza dos reflectores.

15 metros (50 pies) antena de cuerno Holmdel en los laboratorios Bell en Holmdel, Nueva Jersey, EE.UU., con la que Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron radiación de fondo de microondas cósmica en 1964.

Grandes 54 metros (177 pies) antena reflectora de cuernos en la instalación de comunicaciones por satélite AT plagaT en Andover, Maine, EE.UU., usada en 1960s para comunicarse con el primer satélite directo de comunicaciones de relé, Telstar.

AT lT Long-Lines KS-15676 Banda C (4–6 GHz) antenas de relé de microondas en el techo del centro de conmutación de teléfono AT Pult, Seattle, Washington, EE.UU.

Antenas de cuerno-reflector