www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Grondbeginselen

Hornstrahler

Afbeelding 1: Hoornantenne, hier een met hobbymiddelen zelfgemaakt exemplaar (zacht gesoldeerd).

Afbeelding 1: Hoornantenne, hier een met hobbymiddelen zelfgemaakt exemplaar
(zacht gesoldeerd).

Wat is een hoornantenne?

Hoornantenne

De hoornantenne is een speciaal antenneontwerp voor hogere frequentiebereiken. De vorm doet min of meer denken aan de geluidsuitgang van een blaasinstrument, bijvoorbeeld een jachthoorn. Deze trechtervormige constructie mondt vervolgens uit in een golfgeleider. Hoornstralers worden zowel als op zichzelf staande antennes gebruikt als als primaire stralers om een reflectorantenne, bijvoorbeeld een paraboolantenne, te voeden. Het mogelijke frequentiebereik voor dit type antenne wordt alleen beperkt door de mechanische afmetingen en begint ongeveer bij het UHF-bereik en is momenteel open naar boven toe.

Golfgeleider
Geleidende golf
Hoornantenne
Golfgeleider
uitbreiding
Ruimtegolf

Afbeelding 2: Elektrische veldlijnen in een golfgeleider, overgang van geleide golf naar ruimtegolf

Golfgeleider
Geleidende golf
Hoornantenne
Golfgeleider
uitbreiding
Ruimtegolf

Afbeelding 2: Elektrische veldlijnen in een golfgeleider, overgang van geleide golf naar ruimtegolf

Golfgeleider
Geleidende golf
Hoornantenne
Golfgeleider
uitbreiding
Ruimtegolf

Afbeelding 2: Elektrische veldlijnen in een golfgeleider, overgang van geleide golf naar ruimtegolf

Functie van een hoornantenne

Natuurlijk kan een golfgeleider ook gewoon aan één kant open worden gelaten om de elektromagnetische golf in de vrije ruimte te laten uitstralen. Aangezien de karakteristieke impedantie van de lucht echter een andere waarde heeft dan die van de golfgeleider, zullen op dit punt schadelijke reflecties optreden ten gevolge van de mismatch. Daarom worden de mechanische afmetingen van de golfgeleider verlengd op het punt van de gewenste uitgang van de elektromagnetische golf om een geleidelijke overgang te bereiken. De lengte van dit gebied moet veel groter zijn dan de golflengte. Het apertur van de hoornstraler moet ten minste tweemaal zo groot zijn als de afmetingen van de golfgeleider. De opening van de hoorn wordt het apertur genoemd en wordt beschouwd als het stralingsoppervlak A.

Eigenschappen

Hoornstralers hebben goede richtkarakteristieken, die afhangen van het ontwerp. Hoe groter de geometrische afmetingen van de hoornstraler, hoe beter de richtingsgevoeligheid en dus hoe hoger de versterking. Redelijke antennewinsten met een hoornantenne liggen in het bereik van 20 tot 23 dB. Een verdere toename betekent dat elke verdubbeling van de lengte van de hoornantenne een extra winst van 3 dB oplevert. Op een gegeven moment worden de geometrische afmetingen van de hoornantenne erg onhandelbaar. Dan is het beter om de hoornantenne vóór een focusserende reflector te plaatsen. Hoornstralers hebben relatief lage verliezen, zodat richtingsgevoeligheid D en versterking G ongeveer gelijk zijn.

Zoals gebruikelijk bij apertuurstralers nemen de directiviteit en de antenneversterking toe met toenemende apertuuroppervlakte en kunnen zij ruwweg met de volgende formule worden berekend:

D ≈ 10 log 10 A met A = apertuur
λ = golflengte [m]
(1)
λ2
Verschillende ontwerpen

Het apertuur van de hoornstraler is vaak afgedicht met een diëlektrisch materiaal (b.v. niet-hygroscopisch afgedicht geëxpandeerd polystyreen). Indien in het golfgeleidersysteem een overdruk wordt opgebouwd, worden keramische materialen of kwartsglas gebruikt als afdichtmiddel.

Piramidevormige hoornantenne

Theoretische basisvormen van een hoornstraler zijn de opening alleen in het E-vlak en de opening alleen in het H-vlak. Deze basisvormen („E-vlak sectorale hoornantenne“ of „H-vlak sectorale hoornantenne“) hebben zich echter in de praktijk niet kunnen verankeren. Gewoonlijk wordt een hoornstraler gebruikt die zowel in het E-vlak als in het H-vlak opengaat (zie afbeelding 1). Deze hoornstraler wordt dan een piramidale hoornstraler genoemd. De mate van opening kan verschillen, hetgeen asymmetrische antennepatronen tot gevolg heeft. De bandbreedte van dit type is ongeveer een halve octaaf.

Exponentiële hoornantenne

Een exponentiële hoornstraler is een hoornstraler waarvan de doorsnede van het apertur wordt beschreven door een exponentiële functie. Dit resulteert in een soepele overgang van de impedantie van de waarde binnen de golfgeleider naar de waarde in de vrije ruimte. In het ideale geval is de reflectie door dit ontwerp zeer laag en wordt de meeste energie uitgestraald.

Exponentiële hoornstralers kunnen een rechthoekige (piramidevormige) of een ronde (conische) basisvorm hebben.

Dubbele geribbelde hoornantenne

De dubbele geribbelde hoornantenne is een speciaal type hoornantenne. Vaak wordt de Engelse naam Double-ridged waveguide horn lineair vertaald als dubbele hoorn.

In het midden van de boven- en onderzijde „a“ zijn er exponentieel naar buiten openende metalen ribbels. Een planaire variant van de dubbele geribbelde hoornantenne is de Vivaldi-antenne.

Conische hoornantenne

Conische hoornantennen hebben een rond ontwerp en zijn gewoonlijk verbonden met ronde golfgeleiders. Net als de piramidevorm zijn ze open in zowel het E-vlak als het H-vlak.

Gegroefde hoornantenne

Gegroefde, conische hoornantennen in een breed ontwerp hebben een vrijwel constante en uniforme stralingshoek in zowel het E- als het H-vlak. De ingedraaide λ/4-diepe groeven kunnen de diagramsymmetrie en de polarisatiezuiverheid verbeteren. Bijzondere kenmerken van deze antenne zijn de hoge zijlobdemping en de lage interne verliezen. Het smalle ontwerp resulteert in een frequentie-afhankelijk en tevens in een E- en H-vlak uniform stralingspatroon. De bandbreedte van deze antenne is één octaaf. Dankzij de circulaire symmetrie kunnen deze hoornantennen worden gebruikt voor alle soorten polarisatie.

Gegroefde hoornantennen worden hoofdzakelijk gebruikt in de satellietontvangsttechniek.

TEM-hoornantenne

Een TEM hoornantenne (van Transverse Electro-Magnetic Horn) is een speciaal type hoornantenne. Het bestaat uit een combinatie van twee metalen oppervlakken die de vorm van een exponentiële trechter benaderen en elektrisch van elkaar geïsoleerd zijn. Deze vorm wordt hoofdzakelijk gebruikt als een zeer breedbandige testantenne voor microgolven, waarbij het niet belangrijk is een grote richtingsgevoeligheid te hebben, maar wel uniforme antenne-eigenschappen in een zeer groot frequentiebereik.

Fotogalerij hoornantennen

Afbeelding 3: Antennediagram van een hoornstraler in driedimensionaal aanzicht

Afbeelding 4: Hoornstraler BBHA 9120 A van Schwarzbeck Mess-Elektronik (gegevensblad), bandbreedte: 800 MHz - 5 GHz

Afbeelding 5: Gegroefde hoornstraler met overgang naar rechthoekig golfgeleiderprofiel

Afbeelding 6: TEM-hoornstraler van ETS-Lindgreen (gegevensblad), bandbreedte: 750 MHz - 40 GHz

Afbeelding 7: Conische hoorn met overgang naar rechthoekige golfgeleider doorsnede

Afbeelding 8: Vier onafhankelijke hoornstralers zijn geïntegreerd in een monopulshoorn

Verdere lezing: