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Hornstrahler

Bild 1: Hornstrahler, hier ein mit amateurmäßigen Mitteln (weich gelöteter) Eigenbau

Bild 1: Hornstrahler, hier ein mit amateurmäßigen Mitteln (weich gelöteter) Eigenbau

Was ist ein Hornstrahler?

Hornstrahler

Der Hornstrahler ist eine spezielle Antennenbauform für höhere Frequenzbereiche. Die Form erinnert mehr oder weniger an den Schallauslass eines Blasinstrumentes, zum Beispiel eines Jagdhorns. Diese trichterförmige Konstruktion mündet dann in einen Hohlleiter. Hornstrahler werden sowohl als eigenständige Antenne oder auch als Primärstrahler zur Speisung einer Reflektorantenne, zum Beispiel einer Parabolantenne verwendet. Der mögliche Frequenzbereich für diese Antennenbauform ist nur durch die mechanischen Dimensionen begrenzt und beginnt etwa ab dem UHF-Bereich und ist derzeit nach oben offen.

Hohlleiter
leitungsgebundene Welle
Hornstrahler
Aufweitung des
Hohlleiters
Raumwelle

Bild 2: Elektrische Feldlinien in einem Hohlleiter, Übergang von leitungsgebundener Welle zur Raumwelle

Hohlleiter
leitungsgebundene Welle
Hornstrahler
Aufweitung des
Hohlleiters
Raumwelle

Bild 2: Elektrische Feldlinien in einem Hohlleiter, Übergang von leitungsgebundener Welle zur Raumwelle

Hohlleiter
leitungsgebundene Welle
Hornstrahler
Aufweitung des
Hohlleiters
Raumwelle

Bild 2: Elektrische Feldlinien in einem Hohlleiter, Übergang von leitungsgebundener Welle zur Raumwelle

Funktion eines Hornstrahlers

Selbstverständlich kann man einen Hohlleiter an einem Ende einfach offen lassen, um die elektromagnetische Welle in den freien Raum abstrahlen zu lassen. Da aber der Wellenwiderstand der Luft einen anderen Wert hat, als der Hohlleiter, werden an dieser Stelle durch die Fehlanpassung schädliche Reflexionen auftreten. Deshalb werden die mechanischen Abmessungen des Hohlleiters an der Stelle des gewünschten Austritts der elektromagnetischen Welle ausgedehnt, um einen allmählichen Übergang zu erreichen. Die Länge dieses Bereiches sollte wesentlich größer als die Wellenlänge sein. Die Öffnung des Hornstrahlers sollte mindestens die doppelten Maße des Hohlleiters betragen. Die Öffnung des Horns wird Apertur genannt und als strahlende Fläche A betrachtet.

Eigenschaften

Hornstrahler haben eine gute Richtcharakteristik, die von der konstruktiven Gestaltung abhängen. Je länger die geometrischen Abmessungen des Hornstrahlers sind, desto bessere Richtcharakteristik und folglich ein höherer Gewinn sind erreichbar. Sinnvolle Antennengewinne mit einem Hornstrahler liegen im Bereich um die 20 bis 23 dB. Eine weitere Erhöhung bedeutet, dass eine jeweilige Verdoppelung der Hornstrahlerlänge einen zusätzlichen Gewinn um 3 dB bringen würde. Irgendwann werden dann die geometrischen Ausmaße des Hornstrahlers sehr unhandlich. Dann ist es besser, den Hornstrahler vor einem fokussierenden Reflektor zu installieren. Hornstrahler haben relativ geringe Verluste, so dass Richtwirkung und Gewinn ungefähr gleich sind.

Wie bei Aperturstrahlern üblich nimmt mit zunehmender Öffnungsfläche die Richtcharakteristik und der Antennengewinn zu und kann mit folgender Formel überschlagsmäßig berechnet werden:

D ≈ 10 log 10 A mit A = Apertur, Fläche der Öffnung
λ = Wellenlänge [m]
(1)

λ2
Verschiedene Bauformen

Die Öffnung des Hornstrahlers ist oft mit einem dielektrischen Material (z.B. nicht-hygroskopisch versiegeltes Schaumpolystyrol) verschlossen. Wenn in dem Hohlleitersystem ein Überdruck aufgebaut wird, werden als Dichtmittel keramische Werkstoffe oder Quarzglas verwendet.

Pyramidenförmiger Hornstrahler

Theoretische Grundformen eines Hornstrahlers wären einmal die Öffnung nur in der E-Ebene sowie die Öffnung nur in der H-Ebene. Diese Grundformen (“E-plane or H-plane Sectoral horn”) haben sich aber in der Praxis nicht durchsetzen können. Meist wird ein Hornstrahler verwendet, der sich sowohl in der E-Ebene als auch in der H-Ebene öffnet (siehe Bild 1). Dieser Hornstrahler wird dann pyramidenförmiger Hornstrahler genannt. Der Grad der Öffnung kann sich dabei unterscheiden, so dass unsymmetrische Antennendiagramme entstehen. Die Bandbreite dieser Bauart ist etwa eine halbe Oktave.

Exponentialhornstrahler

Ein Exponentialhornstrahler ist ein Hornstrahler, dessen Querschnittsfläche der Öffnung durch eine Exponentialfunktion beschrieben wird. Dadurch entsteht ein fließender Übergang der Impedanz vom dem Wert innerhalb des Hohlleiters zu dem Wert im freien Raum. Im Idealfall ist durch diese Bauform die Reflexion sehr gering und der größte Teil der Energie wird abgestrahlt.

Exponentialhornstrahler können sowohl eine rechteckige (pyramidiale) als auch eine runde (konische) Grundform haben.

Steghornstrahler

Der Steghornstrahler ist eine besondere Bauform eines Hornstrahlers. Oft wird auch sein englischer Name Double-ridged waveguide horn linear übersetzt zu Doppelsteghorn.

In der Mitte der oberen und unteren Seite „a“ befinden sich exponentiell nach außen öffnende metallische Stege. Eine planare Variante des Steghornstrahlers ist die Vivaldi-Antenne.

Konische Hornstrahler

Konische Hornstrahler sind eine runde Bauform und werden meist auch an runde Hohlleiter angeschlossen. Sie sind wie die pyramidale Form sowohl in der E-Ebene als auch in der H-Ebene geöffnet.

Rillenhornstrahler

Geriffelte, konische Hornstrahler in einer breiten Bauform haben einen nahezu konstanten und gleichförmigen Abstrahlwinkel sowohl in E- als auch in H-Ebene. Durch die eingedrehten λ/4-tiefen Rillen lassen sich die Diagrammsymmetrie und die Polarisationsreinheit verbessern. Besondere Merkmale dieser Antenne sind die hohe Nebenzipfeldämpfung und die geringen internen Verluste. Die schmale Bauform bewirkt eine frequenzabhängige und ebenfalls in E- und H-Ebene gleichförmige Abstrahlcharakteristik. Die Bandbreite dieser Antenne beträgt eine Oktave. Auf Grund der zirkularen Symmetrie lassen sich diese Hornstrahler für alle Polarisationsarten verwenden.

Rillenhornstrahler werden vor allem in der Satellitenempfangstechnik verwendet.

TEM-Hornstrahler

Ein TEM-Hornstrahler (von engl.: Transverse Electro-Magnetic Horn) ist eine Sonderbauform eines Hornstrahlers. Er besteht aus einer Kombination von zwei an die Form eines Exponentialtrichters angenäherten Metallflächen, die elektrisch voneinander isoliert sind. Diese Form wird vor allem als eine sehr breitbandige Prüfantenne für Mikrowellen verwendet, bei der es nicht auf große Richtwirkung, aber auf gleichmäßige Antenneneigenschaften in einem sehr großen Frequenzbereich ankommt.

Bildergalerie Hornstrahler

Bild 3: Antennendiagramm eines Hornstrahlers in dreidimensionaler Darstellung

Bild 4: Steghornstahler BBHA 9120 A von Schwarzbeck Mess-Elektronik (Datenblatt) Bandbreite: 800 MHz - 5 GHz

Bild 5: Rillenhornstrahler mit Übergang zu rechteckigem Hohlleiterprofil

Bild 6: TEM- Steghornstrahler von ETS-Lindgreen (Datenblatt) Bandbreite: 750 MHz - 40 GHz

Bild 7: Konisches Horn mit Übergang zu rechteckigem Hohlleiterquerschnitt

Bild 8: In einem Monopulse Horn sind vier unabhängige Hornstrahler integriert

Weiterführende Literatur: