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Antena de bocina

Antena de bocina de microondas piramidal, con un ancho de banda de 0,8 a 18 GHz. Una línea de alimentación de cable coaxial se conecta al conector visible en la parte superior. Este tipo se llama cuerno estriado; Las aletas curvas visibles dentro de la boca de la bocina aumentan el ancho de banda de la antena .
La primera antena de bocina moderna en 1938 con el inventor Wilmer L. Barrow .

Una antena de bocina o bocina de microondas es una antena que consiste en una guía de ondas de metal ensanchada 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 , superiores a 300 MHz. [1] 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 . [2] Sus ventajas son directividad moderada , amplio ancho de banda , bajas pérdidas y construcción y ajuste simples. [3]

Una de las primeras antenas de bocina fue construida en 1897 por el investigador de radio indio-bengalí Jagadish Chandra Bose en sus experimentos pioneros con microondas. [4] [5] La antena de bocina moderna fue inventada de forma independiente en 1938 por Wilmer Barrow y GC Southworth [6] [7] [8] [9] El desarrollo del radar en la Segunda Guerra Mundial estimuló la investigación de bocinas para diseñar bocinas de alimentación para radar. antenas. La bocina corrugada inventada por Kay en 1962 se ha utilizado ampliamente como bocina de alimentación para antenas de microondas como antenas parabólicas y radiotelescopios . [9]

Una ventaja de las antenas de bocina es que, al no tener 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 (permitiéndole, por ejemplo, funcionar entre 1 GHz y 20 GHz). [1] 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. [1] La ganancia de las antenas de bocina varía hasta 25 dBi , siendo típico entre 10 y 20 dBi. [1]

Descripción

Antenas de bocina piramidales para una variedad de frecuencias. Tienen bridas en la parte superior para acoplarse a guías de ondas estándar.

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. [10] Las ondas de radio generalmente se introducen en la guía de ondas mediante un cable coaxial sujeto al costado, 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

Antena de bocina cónica corrugada utilizada como bocina de alimentación en una antena parabólica doméstica Hughes Direcway. Una lámina de plástico transparente cubre la boca de la bocina para evitar la lluvia.

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. [11]

Si se utiliza como antena una simple guía de ondas 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 hasta la impedancia del espacio libre (aproximadamente 377 Ω ). [2] [12] 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. [12] 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 . [12] 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 hasta 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 llama 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. [13]

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. [14] Esto limita la ganancia de las bocinas prácticas a aproximadamente 1000 (30 dBi) y el ancho de haz mínimo correspondiente a aproximadamente 5-10°. [14]

Tipos

Tipos de antena de bocina
Pila de bocinas de alimentación sectoriales para antena de radar de búsqueda aérea

A continuación se muestran 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.

Bocina piramidal (fig. a): una antena de bocina con forma de pirámide de cuatro lados y sección transversal rectangular. Son de un tipo común, se utilizan con guías de ondas rectangulares e irradian ondas de radio polarizadas linealmente. [12]
Cuerno sectorial : un cuerno piramidal con solo un par de lados ensanchados y el otro par paralelo. Produce una viga en forma de abanico, que es estrecha en el plano de los lados ensanchados, pero ancha en el plano de los lados estrechos. Estos tipos se utilizan a menudo como bocinas de alimentación para antenas de radar de búsqueda amplia.
Bocina del plano E (fig. b): una bocina sectorial que se ensancha en la dirección del campo eléctrico o E en la guía de ondas.
Bocina del plano H (fig. c): una bocina sectorial que se ensancha en la dirección del campo magnético o H en la guía de ondas.
Cuerno cónico (fig. d): un cuerno en forma de cono , con una sección transversal circular. Se utilizan con guías de ondas cilíndricas.
Bocina exponencial (fig. e): bocina con lados curvos, en la que la separación de los lados aumenta en función exponencial de la longitud. También llamados asta escalar , pueden tener secciones transversales piramidales o cónicas. Las bocinas exponenciales tienen reflexiones internas mínimas y una impedancia casi constante y otras características en un amplio rango de frecuencia. Se utilizan en aplicaciones que requieren un alto rendimiento, como bocinas de alimentación para antenas de satélites de comunicación y radiotelescopios.
Bocina corrugada : una bocina con ranuras o surcos paralelos, pequeños en comparación con la longitud de onda, que cubren la superficie interior de la bocina, transversal al eje. Las bocinas corrugadas tienen un ancho de banda más amplio y lóbulos laterales y polarización cruzada más pequeños, y se usan ampliamente como bocinas de alimentación para antenas parabólicas y radiotelescopios .
Bocina cónica de modo dual : (La bocina Potter [15] ) Esta bocina se puede usar para reemplazar la bocina corrugada para usar en longitudes de onda inferiores a mm donde la bocina corrugada tiene pérdidas y es difícil de fabricar.
Bocina diagonal : esta simple bocina de modo dual parece superficialmente una bocina piramidal con una apertura de salida cuadrada. Sin embargo, en una inspección más cercana, se ve que la abertura de salida cuadrada está girada 45° con respecto a la guía de ondas. Estas bocinas generalmente se mecanizan en bloques divididos y se usan en longitudes de onda inferiores a mm. [dieciséis]
Cuerno con crestas : un cuerno piramidal con crestas o aletas unidas al interior del cuerno, que se extiende hacia el centro de los lados. Las aletas reducen la frecuencia de corte, aumentando el ancho de banda de la antena.
Cuerno del tabique : cuerno que está dividido en varios subcuernos mediante tabiques metálicos (tabiques) en el interior, unidos a paredes opuestas.
Bocina de apertura limitada : una bocina larga y estrecha, lo suficientemente larga como para que el error de fase sea una fracción insignificante de una longitud de onda, [13] por lo que esencialmente irradia una onda plana. Tiene una eficiencia de apertura de 1,0, por lo que proporciona la ganancia máxima y el ancho de haz mínimo para un tamaño de apertura determinado. La ganancia no se ve afectada por la longitud, solo está limitada por la difracción en la apertura. [13] Se utilizan como bocinas de alimentación en radiotelescopios y otras antenas de alta resolución.
Antena de bocina de cuatro puntas con límites abiertos : esta antena de bocina es un tipo especial de antena de bocina diseñada como una estructura de cuatro puntas con límites abiertos. Cubre todo el rango de frecuencia y la polarización es dual lineal. [17]
Antena de bocina de doble arista de límite abierto : este tipo de antena es similar a una antena de bocina de cuatro aristas de límite abierto. Fue diseñado para funcionar en un amplio rango de frecuencia, VSWR bajo y alta ganancia. [10]

Bocina óptima

Antena de bocina corrugada con un ancho de banda de 3,7 a 6 GHz diseñada para conectarse a una línea de alimentación de guía de ondas SMA. Se utilizó como bocina de alimentación para una antena parabólica en una base militar británica.
Bocina de alimentación exponencial para antena de comunicación de nave espacial Cassegrain de 26 metros (85 pies) en el Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo Goldstone de la NASA .

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 aumenta la ganancia de la antena. 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. [18] Esto se llama cuerno óptimo . 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: [18] [19]

Para una bocina cónica, las dimensiones que dan una bocina óptima son: [18]

dónde

a E es el ancho de la apertura en la dirección del campo E
a H ​​es el ancho de la apertura en la dirección del campo H
L E es la altura inclinada del lado en la dirección del campo E
L H es la altura inclinada del lado en la dirección del campo H
d es el diámetro de la abertura del cuerno cilíndrico
L es la altura inclinada del cono desde el 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.

Gran cuerno piramidal utilizado en 1951 para detectar la radiación de 21 cm/8,3 pulgadas (1,43 GHz) del gas hidrógeno en la Vía Láctea . Actualmente en exhibición en el Observatorio de Green Bank en Green Bank, Virginia Occidental, EE. UU.

Ganar

Las bocinas tienen muy poca pérdida, por lo que la directividad de una bocina es aproximadamente igual a su ganancia . [1] La ganancia G de una antena de bocina piramidal (la relación entre la intensidad de potencia radiada a lo largo de su eje del haz y la intensidad de una antena isotrópica con la misma potencia de entrada) es: [19]

Para bocinas cónicas, la ganancia es: [18]

dónde

A es el área de la apertura,
d es el diámetro de apertura de un cuerno cónico
λ es la longitud de onda ,
e A es un parámetro adimensional entre 0 y 1 llamado eficiencia de apertura ,

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., [18] mientras que para cuernos cónicos óptimos e A = 0,522. [18] 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 de bocina-reflector, inventada por Alfred C. Beck y Harald T. Friis en 1941 [20] y desarrollada posteriormente por David C. Hogg. en los laboratorios Bell en 1961. [21] 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. [22] 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 . [23] 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. [22] La desventaja es que es mucho más grande y más 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 . [21] [23] [24] 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 [21] en los Laboratorios Bell en Holmdel, Nueva Jersey, con la que Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron la radiación cósmica de fondo de microondas en 1965. , por el 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. [25]

Antenas reflectoras de bocina

Ver también

enlaces externos

Referencias

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