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Antena de bocina

Antena de microondas de bocina piramidal, con un ancho de banda de 0,8 a 18 GHz. Un cable coaxial se conecta al conector visible en la parte superior. Este tipo se denomina bocina estriada; las aletas curvas visibles en el interior 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 de microondas , por encima de los 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 automáticos de puertas y radiómetros de microondas . [2] Sus ventajas son la directividad moderada , el amplio ancho de banda , las bajas pérdidas y la construcción y el ajuste simples. [3]

Una de las primeras antenas de bocina fue construida en 1897 por el investigador de radio bengalí-indio 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 antenas de radar. 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, dado que no tienen elementos resonantes , pueden funcionar en un amplio rango 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 llegar hasta 20:1 (lo que permite, por ejemplo, que funcionen de 1 GHz a 20 GHz). [1] La impedancia de entrada varía lentamente en este amplio rango de frecuencias, lo que permite una baja relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) en todo el ancho de banda. [1] La ganancia de las antenas de bocina varía hasta 25 dBi , siendo típicos entre 10 y 20 dBi. [1]

Descripción

Antenas de bocina piramidales para diversas frecuencias. Tienen bridas en la parte superior para sujetarlas a guías de onda estándar.

Una antena de bocina se utiliza para transmitir ondas de radio desde una guía de ondas (un tubo de metal 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 trozo 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 conectado a un lateral, con el conductor central proyectándose hacia la guía de ondas para formar una antena monopolar de cuarto de onda . Luego, las ondas irradian por el extremo de la bocina en 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 conectada al extremo de la guía de ondas. En las bocinas para exteriores, como las bocinas de alimentación de las antenas parabólicas, la boca abierta de la bocina a menudo está 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 de Hughes Directway Home. Una lámina de plástico transparente cubre la boca de la bocina para evitar la entrada de 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 adaptar la impedancia de un tubo a la impedancia del espacio libre, lo que permite que las ondas del tubo se irradien de manera eficiente al espacio. [11]

Si se utiliza una guía de ondas simple de extremos abiertos como antena, 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 ). [2] [12] Cuando las ondas de radio que viajan a través de la guía de ondas golpean la apertura, este paso de impedancia refleja una fracción significativa de la energía de la onda hacia la fuente a través de la guía, de modo que no se irradia toda la potencia. Esto es similar a la reflexión en una línea de transmisión de extremos abiertos o en un límite entre medios ópticos con un índice de refracción bajo y alto , como en una superficie de vidrio. Las ondas reflejadas causan ondas estacionarias en la guía de ondas, lo que aumenta la ROE , desperdicia energía y posiblemente sobrecalienta el transmisor. Además, la pequeña apertura de la guía de ondas (menos de una longitud de onda) causa una difracción significativa de las ondas que emite, lo que da como resultado un patrón de radiación amplio sin mucha directividad.

Para mejorar estas características deficientes, los extremos de la guía de ondas se ensanchan para formar una bocina. La conicidad 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 , lo que permite que la mayor parte de la energía de las ondas se irradie por el extremo de la bocina hacia el espacio, con una reflexión mínima. La conicidad funciona de manera similar a una línea de transmisión cónica 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 la potencia reflejada mínima es una conicidad exponencial . [12] Las bocinas exponenciales se utilizan en aplicaciones especiales que requieren una pérdida de señal mínima, como antenas satelitales y radiotelescopios . Sin embargo, las bocinas cónicas y piramidales son las más utilizadas, 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 a mayor escala 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 de longitud del punto central y los puntos de borde desde el punto del 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, lo que proporciona 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 llamarada, la radiación del lóbulo del haz disminuye unos 20 dB respecto de su valor máximo. [13]

A medida que aumenta el tamaño de una bocina (expresada en longitudes de onda), aumenta el error de fase, lo que le da a la bocina un patrón de radiación más amplio. Mantener estrecho el ancho del haz requiere una bocina más larga (ángulo de destello más pequeño) para mantener constante el error de fase. El aumento del error de fase limita el tamaño de la apertura de las bocinas prácticas a aproximadamente 15 longitudes de onda; aperturas mayores requerirían bocinas imprácticamente largas. [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 antenas de bocina
Pila de bocinas de alimentación sectorial para antena de radar de búsqueda aérea

A continuación se presentan los principales tipos de antenas de bocina. Las bocinas pueden tener diferentes ángulos de expansión, 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.

Antena de bocina piramidal (fig. a): antena de bocina con la bocina en forma de pirámide de cuatro lados, con una sección transversal rectangular. Son un tipo común, se utilizan con guías de ondas rectangulares y emiten ondas de radio polarizadas linealmente. [12]
Bocina sectorial : bocina piramidal con un solo par de lados ensanchados y el otro par paralelo. Produce un haz en forma de abanico, que es angosto en el plano de los lados ensanchados, pero ancho en el plano de los lados angostos. Estos tipos se utilizan a menudo como bocinas de alimentación para antenas de radar de búsqueda anchas.
Bocina del plano E (fig. b) – Una bocina sectorial ensanchada en la dirección del campo eléctrico o E en la guía de ondas.
Bocina en el plano H (fig. c) – Una bocina sectorial ensanchada en la dirección del campo magnético o H en la guía de ondas.
Bocina cónica (fig. d) – Bocina en forma de cono , con sección transversal circular. Se utilizan con guías de onda cilíndricas.
Bocina exponencial (fig. e) – Bocina con lados curvos, en la que la separación de los lados aumenta como una función exponencial de la longitud. También llamada bocina escalar , puede 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 frecuencias. Se utilizan en aplicaciones que requieren un alto rendimiento, como bocinas de alimentación para antenas de satélites de comunicación y radiotelescopios.
Bocina corrugada : bocina con ranuras o surcos paralelos, pequeños en comparación con la longitud de onda, que cubren la superficie interior de la bocina, transversalmente al eje. Las bocinas corrugadas tienen un ancho de banda más amplio, lóbulos laterales más pequeños y polarización cruzada, y se utilizan ampliamente como bocinas de alimentación para antenas parabólicas y radiotelescopios .
Bocina cónica de modo dual (la bocina Potter [15] ) Esta bocina se puede utilizar para reemplazar la bocina corrugada para su uso en longitudes de onda submilimétricas donde la bocina corrugada tiene pérdidas y es difícil de fabricar.
Bocina diagonal : esta bocina simple de modo dual parece superficialmente una bocina piramidal con una abertura de salida cuadrada. Sin embargo, al observarla más de cerca, se ve que la abertura de salida cuadrada está rotada 45° con respecto a la guía de ondas. Estas bocinas generalmente se mecanizan en bloques divididos y se utilizan en longitudes de onda submilimétricas. [16]
Bocina estriada : bocina piramidal con crestas o aletas adheridas al interior de la bocina, que se extienden hacia abajo por el centro de los lados. Las aletas reducen la frecuencia de corte, lo que aumenta el ancho de banda de la antena.
Cuerno septum : Cuerno que está dividido en varios subcuernos por tabiques metálicos (tabiques) en su 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, sino que 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 lineal dual. [17]
Antena de bocina de doble cresta y límite abierto : este tipo de antena es similar a una antena de bocina de cuatro crestas y límite abierto. Fue diseñada para funcionar en un amplio rango de frecuencias, con baja ROE 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 la línea de alimentación de la 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 comunicaciones de naves espaciales Cassegrain de 26 metros (85 pies) en el Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo Goldstone de la NASA .

Para una frecuencia y una longitud de bocina dadas, 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 apertura de la bocina 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 las bocinas estrechas con ángulos de ensanchamiento pequeños, la mayor parte de la reflexión ocurre en la boca de la bocina. La ganancia de la antena es baja porque la boca pequeña se aproxima a una guía de ondas de extremos abiertos, con un gran paso de impedancia. A medida que aumenta el ángulo, la reflexión en la boca disminuye rápidamente y la ganancia de la antena aumenta. En contraste, en las bocinas anchas con ángulos de ensanchamiento que se acercan a los 90°, la mayor parte de la reflexión se produce en la garganta. La ganancia de la bocina es nuevamente baja porque la garganta se aproxima a una guía de ondas de extremos abiertos. A medida que disminuye el ángulo, la cantidad de reflexión en este sitio disminuye y la ganancia de la bocina aumenta nuevamente.

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 denomina 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: [18] [19]

Para un cuerno cónico, las dimensiones que dan un cuerno óptimo 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 vértice
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 varias 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 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 de haz y la intensidad de una antena isótropa 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 varía de 0,4 a 0,8 en antenas de bocina prácticas. Para bocinas piramidales óptimas, e A = 0,511., [18] mientras que para bocinas cónicas óptimas 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 bocina Hogg, o antena reflectora de bocina, inventada por Alfred C. Beck y Harald T. Friis en 1941 [20] y desarrollada posteriormente por David C. Hogg en Bell Labs 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 para 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 es equivalente a una antena parabólica alimentada fuera del eje. [22] La ventaja de este diseño sobre una antena parabólica estándar es que la bocina protege a la antena de la radiación que viene 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 con los platos parabólicos alimentados por el frente ordinarios, lo que le permite lograr eficiencias de apertura del 70% en comparación con el 55-60% para los platos alimentados por el frente. [22] La desventaja es que es mucho más grande y pesado para un área de apertura dada que un plato parabólico, y debe montarse en un plato giratorio engorroso para que sea completamente orientable. Este diseño se utilizó para algunos radiotelescopios y antenas terrestres de satélites de comunicación durante la década de 1960. Sin embargo, su uso más grande fue como antenas fijas para enlaces de retransmisión de microondas en la red de microondas 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 es la antena de bocina Holmdel de 15 metros de largo (50 pies) [21] en 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 la que ganaron el Premio Nobel de Física en 1978. Otro diseño de bocina-reflector más reciente es la bocina Cassegrain, que es una combinación de una bocina con una antena parabólica Cassegrain que utiliza dos reflectores. [25]

Antenas reflectoras de bocina

Véase también

Enlaces externos

Referencias

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