Antena Tipo Bocina – Horn Natalia Duarte, Daniel Iturry, Aldo J. Reyes Mella, Guillermo Palacios Antenas – Facultad de Ingeniería UNA – Ing. Electrónica en Telecomunicaciones 2012 Abstract Las antenas de bocina son muy utilizadas en las bandas de frecuencia de microondas porque proporcionan alta ganancia, buena adaptación a la guía de alimentación (ROE típicas ≤ 1,1), ancho de banda relativamente grande y son además relativamente fáciles de diseñar y construir, ya que los cálculos teóricos concuerdan muy exactamente con las medidas de sus parámetros eléctricos. 1. Tipos de Antenas Bocina 1.1 Bocinas Rectangulares se alimentan con una guía rectangular que se orienta normalmente para su análisis con la cara ancha horizontal. El modo dominante en la guía () tiene entonces el campo eléctrico vertical (Plano E) y el campo magnético horizontal (plano H). Si la bocina ensancha la cara ancha de la guía sin cambiar las dimensiones de la cara estrecha se le llama Bocina Sectorial Plano H. Si la bocina sirve para ensanchar las dimensiones del Plano E se llama Bocina Sectorial Plano E. Cuando se ensanchan ambas dimensiones se habla de una Bocina Piramidal. Esta configuración permite controlar la anchura de haz en ambos planos principales por separado. El rango de valores en que se mueve la ganancia de estas bocinas (y de cualquier otro tipo) va desde unos 8 dB (guía simplemente abierta) hasta unos 30 dB (apertura de unos 10λx10λ) si la frecuencia es suficientemente alta. A frecuencias bajas consideraciones de tamaño limitan las ganancias prácticas a valores más reducidos. Tanto estas bocinas como las cónicas, se utilizan como patrones de ganancia en sistemas de medida de antenas ya que los valores predichos teóricamente concuerdan muy fielmente con los valores medidos. También se utilizan como antenas individuales de ganancia para establecer radioenlaces en bandas de milimétricas (donde se pueden conseguir altas ganancias) y como antenas de satélite para conseguir cobertura global de la Tierra, con ganancias del orden de 21 dB. Sin embargo, su principal aplicación es servir de alimentadores para antenas de tipo reflector. Tipos de bocinas rectangulares: 1.1.1 Sectorial Plano-H: Los campos que llegan a la apertura son fundamentalmente una versión expandida de los campos en la guía. De hecho la zona abocinada se comporta como una guía sectorial que soporta una onda cilíndrica en la que el campo eléctrico tangencial sobre las paredes laterales se anula. Esto hace que los campos que llegan a los distintos puntos de la apertura plana no estén en fase debido a la curvatura del frente de fase cilíndrico. Por eso para escribir los campos sobre la boca plana es necesario incluir el término de error de fase cuadrático. La constante de fase cambia desde el valor en la guía hasta el valor en espacio libre conforme la onda progresa a lo largo de la bocina sobre todo si la boca es eléctricamente grande. La fase del campo en la apertura no varía según la dirección y. El campo en la apertura es una distribución de tipo separable: () () () De este modo la integral de radiación se convierte en un producto de dos integrales lineales, que son las transformadas de Fourier unidimensionales de las iluminaciones según y según . ∫ ( ) ∫ El corte del diagrama en cada plano principal concuerda en este caso con la respectiva Transformada de Fourier de la
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Antena Tipo Bocina – Horn
Natalia Duarte, Daniel Iturry, Aldo J. Reyes Mella, Guillermo Palacios
Antenas – Facultad de Ingeniería UNA – Ing. Electrónica en Telecomunicaciones
2012
Abstract
Las antenas de bocina son muy utilizadas en las bandas de frecuencia de microondas porque proporcionan alta ganancia, buena
adaptación a la guía de alimentación (ROE típicas ≤ 1,1), ancho de banda relativamente grande y son además relativamente
fáciles de diseñar y construir, ya que los cálculos teóricos concuerdan muy exactamente con las medidas de sus parámetros
eléctricos.
1. Tipos de Antenas Bocina
1.1 Bocinas Rectangulares se alimentan con una
guía rectangular que se orienta normalmente para su análisis
con la cara ancha horizontal. El modo dominante en la guía
( ) tiene entonces el campo eléctrico vertical (Plano E) y
el campo magnético horizontal (plano H). Si la bocina
ensancha la cara ancha de la guía sin cambiar las dimensiones
de la cara estrecha se le llama Bocina Sectorial Plano H. Si
la bocina sirve para ensanchar las dimensiones del Plano E se
llama Bocina Sectorial Plano E. Cuando se ensanchan ambas
dimensiones se habla de una Bocina Piramidal. Esta
configuración permite controlar la anchura de haz en ambos
planos principales por separado. El rango de valores en que se
mueve la ganancia de estas bocinas (y de cualquier otro tipo)
va desde unos 8 dB (guía simplemente abierta) hasta unos 30
dB (apertura de unos 10λx10λ) si la frecuencia es
suficientemente alta. A frecuencias bajas consideraciones de
tamaño limitan las ganancias prácticas a valores más
reducidos. Tanto estas bocinas como las cónicas, se utilizan
como patrones de ganancia en sistemas de medida de antenas
ya que los valores predichos teóricamente concuerdan muy
fielmente con los valores medidos.
También se utilizan como antenas individuales de ganancia
para establecer radioenlaces en bandas de milimétricas (donde
se pueden conseguir altas ganancias) y como antenas de
satélite para conseguir cobertura global de la Tierra, con
ganancias del orden de 21 dB. Sin embargo, su principal
aplicación es servir de alimentadores para antenas de tipo
reflector. Tipos de bocinas rectangulares:
1.1.1 Sectorial Plano-H: Los campos que llegan a la
apertura son fundamentalmente una versión expandida de los
campos en la guía.
De hecho la zona abocinada se comporta como una guía
sectorial que soporta una onda cilíndrica en la que el campo
eléctrico tangencial sobre las paredes laterales se anula.
Esto hace que los campos que llegan a los distintos puntos de
la apertura plana no estén en fase debido a la curvatura del
frente de fase cilíndrico. Por eso para escribir los campos
sobre la boca plana es necesario incluir el término de error de
fase cuadrático.
La constante de fase cambia desde el valor en la guía hasta el
valor en espacio libre conforme la onda progresa a lo largo de
la bocina sobre todo si la boca es eléctricamente grande.
La fase del campo en la apertura no varía según la dirección
y.
El campo en la apertura es una distribución de tipo separable:
( ) ( ) ( )
De este modo la integral de radiación se convierte en un
producto de dos integrales lineales, que son las transformadas
de Fourier unidimensionales de las iluminaciones según y
según .
∫
(
)
∫
El corte del diagrama en cada plano principal concuerda en
este caso con la respectiva Transformada de Fourier de la
variación del campo a lo largo del corte del plano de apertura
con el plano considerado (eje y para el plano y eje para
el ). Por ejemplo, para el plano eléctrico , (donde
º, y ) el diagrama es una sinc con un
lóbulo secundario situado a -13.5 dB, (transformada de
Fourier de un campo constante tipo pulso), mientras que en el
plano magnético ( , y ), si el error
de fase es despreciable (t=0), el diagrama de radiación es la
transformada de una función coseno, con un nivel de lóbulos
secundarios de -23 dB, el campo eléctrico de radiación total
vale entonces
√
(
) (
) [( ⁄ ) ]
( ⁄ ) ( )
los diagramas en los planos principales. En el plano E
( ), la forma normalizada de la expresión anterior es
[( ⁄ ) ]
( ⁄ )
Que se corresponde con el diagrama de una fuente lineal
uniforme (función sinc), como era de esperar, dada la
distribución tipo pulso según y. En el plano H(( ), el
diagrama normalizado es:
( )
( )
Los diagramas de radiación normalizados en el plano H se
suelen expresar en forma de diagramas de radiación
universales en función del máximo error de fase en la
apertura, cuyo valor se da para
entonces,
y
, donde t es el error de fase
expresado en vueltas (múltiplo de 2π radianes);
Los diagramas
normalizados se
dibujan para
diversos valores de
t sin incluir el
factor
( )
⁄ para
que los diagramas
tengan carácter
universal, (sean
válidos para
cualquier A).
Los diagramas de
radiación plano H
se representan en función de
, con el error de fase como
parámetro, mientras que la sinc del plano E está trazada en
función de
Si el error de fase es despreciable (t =0), el diagrama plano H
corresponde a la boca de una guía abierta con iluminación
tipo coseno.
Errores de fase cuadráticos pequeños elevan el nivel del
lóbulo adyacente rellenando el nulo entre éste y el principal.
La directividad DH se obtiene integrando la potencia en la
apertura. En la figura se han trazado valores de
⁄ en
función de
⁄ para
diversos
valores de
⁄ . Para
cada valor
de R1hay un
valor
óptimo de
ancho de
apertura A
que se
corresponde
con el
máximo de
la curva
correspondiente.
Para una longitud axial dada al incrementar el ancho de la
boca la directividad aumenta al incrementarse el área de
apertura. Sin embargo se incrementa también el error de fase
en la apertura que, más allá de un valor óptimo, cancela el
incremento de directividad producido por el incremento de
apertura.
Las anchuras óptimas satisfacen la ecuación √
Las bocinas que cumplen esta condición, reciben el nombre
de bocinas óptimas, porque cumplen la condición de ser las
más cortas que alcanzan una ganancia dada. Estas bocinas
óptimas tienen un error de fase de
y una
anchura de haz a -3dB de (para ):
( )
( )
1.1.2 Sectorial Plano-E: Los diagramas universales plano
H se representan en función de ( ) , con el error de
fase como parámetro, mientras que la sinc del plano E está
trazada en función de ( ) . Si el error de fase es
despreciable ( ) el diagrama plano H corresponde a la
boca de una guía abierta con iluminación tipo coseno y la
eficiencia de apertura es de 0,81. Los errores de fase
cuadrática pequeños elevan el nivel del lóbulo adyacente
rellenando el nulo entre éste y el principal, reducen la
directividad respecto al caso sin error y reducen la eficiencia.
Los diagramas universales de la transparencia se dibujan para
diversos valores de t sin incluir el factor de oblicuidad,
derivado de la radiación del elemento ( ) , para la
componente .
Este factor sólo es significativo para aperturas muy pequeñas,
y no lo vamos a considerar.
Los diagramas de radiación para diversos valores de s se
dibujan en la figura
adjunta.
El diagrama plano
H se representa en
función de
⁄ .
Estos diagramas
universales no
incluyen el “factor
de
oblicuidad”
( )
⁄ que
aparecen en las
expresiones de los campos radiados. En el plano E, cuando el
error de fase es despreciable el lóbulo secundario lateral se
sitúa a -13,5 dB (iluminación tipo pulso). Conforme crece el
error de fase el nivel de este lóbulo aumenta, rellenándose
simultáneamente los nulos.
La directividad DE se obtiene integrando la potencia en la
apertura. En la
figura, se han
trazado valores de
⁄ en función
de ⁄ para
diversos valores
de ⁄ .
De nuevo aquí,
para cada valor de
hay un valor
óptimo de altura B
que hace la
ganancia máxima.
√ al que
corresponde un
error de fase s:
y una anchura de haz a -3dB
de:
( )
1.1.3 Bocina Piramidal: El campo eléctrico en la apertura
se obtiene como
combinación de
los resultados
para los
sectoriales
planos E y H: La
distribución de
campo en la
apertura es de
tipo separable y
coincide para cada plano principal con las propias de las
bocinas sectoriales plano E y plano H. De esto modo el
diagrama plano E de la bocina piramidal puede obtenerse de
los diagramas universales de las bocinas sectoriales plano E y
el diagrama plano H de los diagramas universales de las
sectoriales plano H. Las bocinas piramidales se utilizan como
patrones de comparación, en las medidas de ganancia de otras
antenas, por la buena concordancia entre las previsiones
teóricas de su directividad y los valores reales de su ganancia
(las pérdidas óhmicas son despreciables). En cuanto a la
ganancia, si se quiere obtener alta eficiencia hay que trabajar
con errores de fase pequeños (s,t <0.15) lo que suele
traducirse en bocinas
muy largas. Cuando se
requiere estructuras
compactas se realizan
diseños "óptimos" con
s=1/4 y t=3/8. Esta
doble condición define
la bocina más corta
que consigue una
determinada ganancia.
La eficiencia de
apertura en este caso
vale .
Es la forma más
común de bocina
rectangular.
Como muestra la figura se ensancha tanto en el plano E como
en el H, lo que permite radiar haces estrechos en ambos
planos.
Modelos del Campo en la apertura:
(
)
( )(
)
La distribución de campo en la apertura es de tipo separable y
coincide para cada plano principal con las propias de las
bocinas sectoriales plano E y plano H.
De este modo el diagrama plano E de la bocina piramidal
puede obtenerse de los diagramas universales de las bocinas
sectoriales plano E y el diagrama plano H de los diagramas
universales de las sectoriales plano H.
La directividad de la bocina piramidal se puede demostrar que
vale:
[
] [
]
Donde los términos entre paréntesis se obtienen de las curvas
de directividad de las bocinas sectoriales sustituyendo a por A
y b por B.
Los valores de ganancia obtenidos con la expresión anterior
coinciden relativamente bien con las medidas. Incluyen los
campos de óptica geométrica y los difractados en los bordes
de las bocinas. La inclusión de términos de difracción
múltiple de reflexiones del interior de la bocina producen
pequeñas oscilaciones dela ganancia en función de la
frecuencia entorno a los valores predichos por la expresión
anterior.
Esto se puede detectar a través de medidas que ponen de
manifestó errores respecto a la fórmula representada que no
suelen superar los 0,3 dB.
Diseño de una Bocina Piramidal.
Su diseño, requiere que su garganta coincida con la guía
rectangular de alimentación para lo que se requiere que:
“Condición de realizabilidad”
Las bocinas piramidales se suelen utilizar como patrones de
comparación en las medidas de ganancia. En este caso suelen
construirse bajo la condición de que sean óptimas (mínimas
dimensiones para máxima ganancia), esto es:
√ √
La apertura efectiva de estas bocinas piramidales óptimas vale
aproximadamente el 50% de su apertura física, de modo que:
( )
1.1.4 Bocina Piramidal Corrugada: El uso de
corrugaciones en las paredes perpendiculares al campo E en
una bocina piramidal, tales como las de la figura, reduce las
corrientes longitudinales sobre dichas paredes, forzando un
campo en la apertura que sigue una ley de amplitud tipo
coseno en ambos planos. Las corrugaciones se diseñan de
modo que se cumpla que:
o
o ( )
o
1.2 Bocinas Cónicas Son las que se utilizan
fundamentalmente en antenas de satélites de haz global. Son
las más adecuadas para utilizar polarizaciones circulares,
aunque también pueda utilizar polarizaciones lineales, estas
polarizaciones tienen un mejor
comportamiento en las bocinas
piramidales.
Se pueden clasificar según el
modo de propagación
transmitido: bocinas de modo
dominante, bocinas de modo
dual y bocinas corrugadas.
1.2.1 Bocinas de modo dominante (o de modo único):
Se sintoniza al modo predominante de la guía de onda
circular, el modo . Este es el más básico de los tres
tipos.
1.2.2 Bocinas de modo dual (o multimodo): Se sintoniza
al modo de propagación de la onda que se propaga por
la guía de onda, junto al modo (uno de los modos de
propagación más altos).
El diagrama de radiación en campo lejano del modo
dominante de la bocina cónica tiene un ancho de haz más
estrecho en el plano E que en el plano H, pero los lóbulos
laterales son más elevados.
Las bocinas de modo dual se han desarrollado para obtener un
ancho de haz igual en los planos E y H, con un bajo nivel de
polarización cruzada.
En la siguiente figura se muestra los distintos modelos de
bocinas cónicas de modo dual más típicas. El modo se
obtiene del modo alimentado en la guía de onda circular
por escalones (step), zonas acampanadas (flare), salientes
(iris) o anillos de dieléctrico. Combinaciones de convertidores
de modo son empleadas para conseguir características de
difusión.
1.2.3 Bocinas corrugadas (o híbridas): Una variación de
la bocina cónica de paredes lisas es la bocina cónica de
paredes corrugadas. El efecto de las corrugaciones en las
paredes es el de modificar la distribución de los campos, el
especial el plano E, convirtiendo la distribución uniforme
original en una cosenoidal. Las líneas de campo también se
modifican y quedan prácticamente paralelas a la dirección de
polarización.
En la figura se muestran los campos del modo dominante
de la bocina corrugada y de la bocina lisa, donde
se observa una mayor
pureza de la
polarización en la
primera. La finalidad de
las bocinas corrugadas
es conseguir diagramas
mas simétricos con un
ancho de haz igual en
los planos E y H, y
obtener niveles de
polarización cruzada
más bajos y elevadas
eficiencias del haz
(aproximadamente del
95%).
En la siguiente figura se observa la configuración de las
bocinas cónicas corrugadas. La superficie interna esta provista
de surcos circulares, que según su profundidad y
espaciamiento, serán capaces de cancelar la energía
procedente de otros modos de propagación que puedan
provocar los indeseados efectos de polarización cruzada y
altos lóbulos secundarios.
1.3 Bocinas Reflectoras El sistema de alimentación
de este tipo de antenas consiste en uno o varios radiadores de
tipo bocina.
En el modo de transmisión la energía de microondas
proveniente de la guía-onda entra a la bocina de alimentación
que la conducirá al espacio exterior. La bocina de
alimentación, que se encuentra situada en el foco del
paraboloide, radiará energía desde este punto hasta la
superficie del reflector. Estas ondas, cuando alcanzan la
superficie conductora del reflector, inducen corrientes
eléctricas en su superficie directamente proporcional al nivel
local de energía. La combinación de todas estas corrientes
radia la energía en dirección a la Tierra y sobre un rango
angular correspondiente al modelo de cobertura deseado.
En recepción la
bocina trabaja
en el sentido
opuesto, aunque
con una señal
mucho más
débil. La
energía que
llega al satélite
produce
corrientes
eléctricas muy
débiles en la
superficie del reflector, resultando una erradicación hacia el
alimentador. En este caso el reflector actúa como un
acumulador de energía de la señal, que es concentrada hacia
la bocina alimentadora.
Una buena propiedad de este tipo de antenas es que un único
reflector con alimentador puede funcionar para transmitir,
recibir o ambas cosas simultáneamente. A esta propiedad se le
conoce como reciprocidad.
Normalmente, este tipo de antenas son excitadas por ondas
circularmente polarizadas, la dirección del haz se desplaza
desde el eje de la bocina en una dirección que dependerá de la
polarización. Si miramos la dirección de la radiación dejando
el reflector a nuestras espaldas la excitación producida por
una onda polarizada circularmente a derechas se traducirá en
un desplazamiento del haz hacia la izquierda, y por el
contrario una onda polarizada circularmente a izquierdas
producirá un desplazamiento del haz hacia la derecha.
2. Procedimiento de Diseño
Teniendo como datos las dimensiones a, b, la frecuencia de
operación y la ganancia de la antena referida a un radiador
isotrópico (dBi).
Elegimos construir una antena con una ganancia , en una frecuencia de operación, previamente para los cálculos
se realizaron las siguientes consideraciones:
Para una óptima propagación de la onda en la guía, optamos
por
y diseñamos la guía rectangular de dimensiones
a,b para su operación en el modo
√ (Criterio de Diseño), entonces
√
; para TE10 se cumple que
⁄
(Criterio de Diseño)
√ (
)
√ (
)
Las ecuaciones de diseño son derivadas seleccionando
primero valores de A y B que lleven respectivamente a
directividades óptimas de las bocinas en los planos E y H.
( )
√ √
√ √
Donde y
Asumiendo que para que una bocina sea físicamente
realizable , entonces la anterior ecuación se
reduce a:
(√
)
( )
(
√
√
)
(
)
Donde
y
Corresponde a la ecuación de diseño de la bocina.
Llamaremos X al lado izquierdo de la igualdad e Y al lado
derecho.
Como primer paso de diseño debe encontrarse un valor de
que satisfaga la anterior ecuación para la ganancia ( )
deseada. Use la técnica iterativa con el valor de intento…
( )
√
√
Si X=Y, entonces
Si X≠Y, se inicia un proceso de prueba de error así:
Si , entonces
, lo que quiere decir ,
Si , entonces
, por lo tanto ,
Consideramos cuando | | (mientras es
menor la diferencia, más exactitud hay en el cálculo)
Probando iterativamente, se obtiene un para el
cual | |
Una vez encontrado el valor de que satisface la ecuación de
diseño
,
Se hallan A y B
√ √ √
√
√ √ √ √
Se hallan (recordando que deben ser iguales para
que la antena sea realizable)
( ) [(
)
]
( ) [(
)
]
Para finalizar, recalculamos la directividad sobre el radiador
isotrópico, mediante la ecuación
√
⁄ √
⁄
,
o bien
( ) (
) ( )
Donde representan las pérdidas en dB debido a los
errores de fase en los planos E y H respectivamente.
son las directividades en los planos E y H respectivamente.
√
⁄
y
√
⁄
√
⁄ y
√
⁄ , entonces
y
Para hallar se utiliza la siguiente figura, donde en la
horizontal se tienen los parámetros t y s. Se hallan t y s y
luego los valores de ( ) ( )
,
Recordando que
,
, de donde podemos decir
que se tratan de los valores óptimos.
De la figura ( ) ( )
( ) (
) ( )
3. Polarización
Una onda electromagnética está formada por campos
eléctricos y magnéticos íntimamente ligados que se propagan
en el espacio. La dirección del campo eléctrico se corresponde
con la polarización de esta onda.
La polarización de una antena corresponde a la dirección del
campo eléctrico emitido por una antena.
Esta polarización puede ser: Vertical, Horizontal y Elíptica,
Circular (Hacia la derecha o hacia la izquierda)
3.1 Polarización Vertical si el campo eléctrico
permanece en la dirección vertical durante toda la trayectoria
de una onda decimos que tiene polarización vertical, para un
dipolo el movimiento de los electrones dentro del alambre
responde al campo eléctrico y por lo tanto define la
polarización.
3.2 Polarización Horizontal de manera análoga que en
la polarización vertical solo que el conductor en sentido
horizontal, el flujo del campo eléctrico será en sentido
horizontal por lo que esta estará polarizada de esta manera.
La polarización de este modo en una antena tipo piramidal
además del modo dominante de la guía de onda está basada en
la disposición del monopolo de carga en el extremo de la guía.
Para una posición vertical tendremos Polarización Vertical y
para una posición horizontal tendremos una Polarización
Horizontal de la señal.
4. Adaptación.
4.1 Impedancia y Directividad de un monopolo de un
cuarto de onda La impedancia de un monopolo es la mitad
de la de una antena de dipolo completo. Por un monopolo de
cuarto de onda , la impedancia es la mitad de la de
un dipolo de media onda, por lo que .
Esto se puede entender ya que sólo la mitad de la tensión se
requiere para conducir un monopolo a la misma corriente
como un dipolo (que de un dipolo como tener + V / 2 y V / 2
se aplicarán en sus extremos, mientras que un monopolo sólo
tiene que aplicar + V / 2 entre el monopolo y la tierra para
conducir la misma corriente). Desde , la
impedancia es la mitad.
La directividad de una antena monopolo está directamente
relacionada con la de una antena dipolo. Si la directividad de
un dipolo de longitud tiene una directividad de ( ), a
continuación, la directividad de una antena monopolo de
longitud tendrá una directividad de ( ) ( ). Es
decir, la directividad (en unidades lineales) de un monopolo
es el doble de la directividad de una antena de dipolo del
doble de la longitud. La razón de esto es simplemente porque
la radiación no se produce por debajo del plano del suelo, por
lo que la antena es realmente el doble de "directiva".
4.2 Consideraciones para la adaptación Vamos a
alimentar la guía de onda mediante un conector coaxial tipo
N. A este conector se le coloca un monopolo, el cual se
introduce por una de las caras de la guía.
Tanto la longitud como la posición del monopolo con
respecto a la guía son críticos a la hora de obtener los
resultados deseados: máxima adaptación a la frecuencia de
trabajo.
El funcionamiento del monopolo dentro de la guía lo
podemos ver como un monopolo en con un plano de
masa. En este caso, el plano de masa sería la superficie
interna de la guía de onda y el monopolo debería medir una
cuarta parte de la longitud de onda de trabajo .
La diferencia es que el monopolo radia dentro de la guía. Esto
hace que no esté radiando a una longitud de onda sino a
otra, la longitud de la onda que viaja dentro de la guía .
Tenemos que diferenciar entre tres longitudes de onda
completamente distintas: , como la longitud de onda de
trabajo, a la que emite el átomo de hidrógeno; , como la
longitud de onda de corte del modo tratado; y , como la
longitud de onda de la onda propagándose en el interior de la
guía.
√
Debemos colocar el monopolo a una distancia del fondo
de la guía, como mostramos en la figura. Esto ha de ser así
para que la onda que emite el monopolo en dirección hacia el
fondo de la guía, al llegar a la pared llegue con amplitud cero.
La onda se refleja en su
totalidad en la pared
conductora de coeficiente
de reflexión ,
habiendo recorrido una
distancia /4. Un
coeficiente de reflexión
de -1 implica un cambio
de fase de 180º, o lo que
es lo mismo, de .De
esta manera, cuando la
onda reflejada en el fondo
de la guía llega de nuevo al monopolo, habrá recorrido /4
desde el monopolo hasta el final de la guía; /2 por el
cambio de fase que le provoca el coeficiente de reflexión de la
pared; y otros /4 desde la pared hasta el monopolo. En total
habrá recorrido una distancia de una longitud de onda , por
lo tanto, al encontrarse con la onda que emite el monopolo
hacia fuera de la guía, éstas se sumarán en fase y ambas
formarán una onda progresiva. Es importante tener en cuenta
que se trata de la longitud de onda de la señal que se propaga
dentro de la guía de onda y no la de operación.
Si la posición del monopolo no fuera de y no estuviera
colocado en el máximo de la onda que viaja por la guía,
habría desadaptación del coaxial a la guía, con lo que habría
reflexiones y las ondas no se sumarían en fase, lo que incurre
en que la onda no transportaría a través de la guía toda la
energía posible, como queda ilustrado en la figura.
4.3 Longitud de la guía de onda la longitud de la guía
debe ser tal que se pueda establecer una onda de longitud de
onda que propague el primer modo que soporta la guía de
onda . Si la longitud de la guía no es suficientemente
grande, puede que el monopolo esté demasiado cerca de la
cara abierta de la guía y, por consiguiente, no pueda
establecerse la onda de longitud y éste esté radiando
prácticamente en espacio libre. Por esto, teóricamente debe
haber un valor umbral de la longitud, en el que a partir de ese
valor, la respuesta de la guía sea independiente de la longitud
de ésta.
5. Ventajas, Características
Son antenas comúnmente utilizadas en frecuencias
de microondas.
Tienen alta ganancia, bajo ROE (VSWR),
relativamente alto ancho de banda.
No necesita red de acoplamiento ni balun para cubrir
intervalos de frecuencia amplios.
Buen acoplamiento de impedancia
Las características de su patrón de radiación
permanecen casi constantes en gran parte de su
intervalo de operación
Opera con potencias grandes
6. Desventajas
Delicada fabricación
Sensibilidad en cuanto al ambiente de trabajo
El aumento de las dimensiones si se quiere aumentar
la ganancia de la antena.
7. Aplicaciones
Generalmente se utilizan como alimentadores de
reflectores parabólicos
Estándar para medir la ganancia de otras antenas
Aplicaciones en astronomía de radio amplia, rastreo
satelital.
8. Simulación
Para la simulación de la antena se valió de los software de
Antena Magus 3.4 y Feko 6.1.
F= 1.5 GHz
Wa[mm] Wg[mm] Ha[mm] Hg[mm] Lf[mm] Lg[mm]
515.7 173.2 381.47 86.6 239.4 254
Con el Magus se pudo obtener el diagrama de radiación con
lo que puede observar que diseño cumple con condiciones
bastante directivas.
Peak gain @ angle (freq)
[φ = 90 °]
15.02 dBi @ θ = 0 ° (1.5 GHz)
Peak gain @ angle (freq) [φ = 0 °]
15.02 dBi @ θ = 0 ° (1.5 GHz)
Main 3dB beamwidth (freq) [φ = 90 °]
29.00 °
Main 3dB beamwidth (freq) [φ = 0 °]
31.77 °
De la misma manera ser grafico puede ser expresado
A partir de estos gráficos se pudo construir el diagrama en
3D con lo que se podrá observar el gradiente de radiación y
ganancia.
La curva de los parámetros de reflexión con respecto a la
frecuencia, nos proporcionan los datos de adaptación con lo
que se ve que a 1.5 GHz se tiene una diferencia de recepción
de -21.5 dB y en la curva un valor mínimo de -25 dB a
1.38GHz aproximadamente.
De la misma forma con los datos del diagrama de radiación se
construyó el grafico de Ganancia con respecto a la frecuencia,
donde se obtuvo una ganancia de 15.6 dBi a 1.687GHz
mientras que para la frecuencia original de diseño de 1.5GHz
se obtuvo una ganancia de 15 dBi.
Conclusiones
Tras el desarrollo de la fabricación de la antena tipo corneta,
se pudo estudiar las ventajas de esta pues, al funcionar como
un reflector para el monopolo de carga, aumenta
notablemente su directividad y ganancia, proporcionando un
mejor rendimiento, pero para que esta serie de bondades
puedan ser aprovechadas adecuadamente, es necesario tener
especial cuidado con el correcto dimensionamiento de la
estructura de la antena, pues esta puede causar el efecto
inverso si las dimensiones no están en orden de .
El proceso de construcción dejo en evidencia ese aspecto, ya
que el material a usar primeramente se debe considerar que
sea buen conductor eléctrico y magnético por lo que
generalmente se busca materiales híbridos, aleaciones
metálicas.
Para las junturas de la antena se encontró que mientras más
lisas y menor es la separación optimiza su funcionamiento, ya
que es muy fácil encontrar deformaciones que puedan
presentar algún tipo de corrugado que se encuentre en ordenes
de , afectando su funcionamiento.
Para la parte de simulación, en particular como la entena tipo
corneta presenta una arquitectura de planos conductores lo
programas estándares de simulación no presentaron gran
eficiencia en la simulación, pues en general estos se basan en
software de simulación por construcción de mallas
conductoras y no superficies lisas por lo que se buscó los
programas que lograron simular a perfección la estructura que
fueron Magus y FEKO, que al trabajar en conjunto consiguen
la simulación física completa de los campos como de los
demás parámetros de la antena.
Los resultados obtenidos con respecto a los calculados
contiene una gran aproximación, las variantes encontradas se
evidencias en el proceso de construcción netamente y en la
finura del acabado del mismo pues este presenta gran
influencia en el comportamiento del equipo en sí.
Referencias Bibliográficas:
TFG, Análisis y diseño de una antena tipo Bocina
para alimentar una antena Parabólica de un
radiotelescopio de la banda 1420 MHz -
Universidad Politécnica de Cartagena – Adrian
Juan Heredia - 2006
Curso Superior de telecomunicaciones Militar -
Antenas de Apertura - 2006
Antenas y Cables, Unidad 8 - Alberto Escudero
pascual - 2007
High performance horn antenna desing II -
Universidad de Navarra - Dr. Carlos del Rio Bocio
Diseño de Antenas – Universidad Pedagógica y
Tecnológica de Colombia, Escuela de Ingeniería
Electrónica, Facultad Seccional Sogamoso –
Eduardo Avendaño Fernández - 2011
Microwave Horn antenna desing and test System –
San Jose State University – Vishal Ohri, Ozair Amin,