Antena Tipo Bocina

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.

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:

( 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 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

√ )

]

(

⁄ . Para cada valor de R1hay un valor óptimo de ancho de apertura A que se corresponde con el máximo de la curva

)

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: (

)

(

)

, 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 , 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

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

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

se representan en función de

de para ⁄ diversos valores de

)(

(

[( ⁄ ) ( ⁄ )

función

⁄ en

anchura de haz a -3dB de (para

(

y una

):

)

(

)

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