Οι κεραίες τύπου horn είναι από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες κατευθυντικές κεραίες στη μηχανική μικροκυμάτων και χιλιοστομετρικών κυμάτων. Η απλή μηχανική τους δομή, τα προβλέψιμα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας, η σχετικά χαμηλή ανάκλαση και η ικανότητά τους να επιτυγχάνουν μέτριο έως υψηλό κέρδος τις καθιστούν πολύτιμες σε μετρήσεις κεραιών, δοκιμές ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMC), ραντάρ, συστήματα επικοινωνίας, συστήματα τροφοδοσίας και εργαστήρια RF.
Μια κεραία κόρνας μπορεί ουσιαστικά να θεωρηθεί ωςκυματοδηγός με σταδιακά διευρυμένο άνοιγμαΑντί να επιτρέπει στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα να συναντούν μια απότομη μετάβαση από τον κυματοδηγό στον ελεύθερο χώρο, το τμήμα με διεύρυνση παρέχει έναν πιο σταδιακό μετασχηματισμό. Αυτό βοηθά στη βελτίωση της αντιστοίχισης της σύνθετης αντίστασης και κατευθύνει περισσότερη από την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε μια ελεγχόμενη δέσμη ακτινοβολίας.
Ανάλογα με τη γεωμετρία του κυματοδηγού και την κατεύθυνση στην οποία επεκτείνεται το άνοιγμα, οι κεραίες χοάνης μπορούν να σχεδιαστούν σε διάφορες μορφές, όπωςτομεακά κέρατα, πυραμιδικά κέρατα και κωνικά κέραταΤο αρχικό άρθρο αναφοράς χρησιμοποιεί αυτές τις τρεις διαμορφώσεις ως κύρια εισαγωγή στις δομές κεραιών κόρνας.
1. Πώς λειτουργεί μια κεραία κόρνας;
Ένας κυματοδηγός περιορίζει την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια μέσα σε μια αγώγιμη δομή. Όταν το καθοδηγούμενο κύμα φτάσει σε ένα ανοιχτό άκρο, ένα μέρος της ενέργειας ακτινοβολεί στον ελεύθερο χώρο, ενώ ένα άλλο μέρος μπορεί να ανακλαστεί λόγω της μετάβασης μεταξύ των αντιστάσεων του κυματοδηγού και του ελεύθερου χώρου.
Μια κεραία κόρνας μειώνει την απότομη κίνηση αυτής της μετάβασης αυξάνοντας σταδιακά τη διατομή του κυματοδηγού προς το άνοιγμα.
Καθώς το ηλεκτρομαγνητικό κύμα διαδίδεται μέσω του διακλαδισμένου τμήματος, το πεδίο επεκτείνεται σε ένα μεγαλύτερο άνοιγμα. Το άνοιγμα στη συνέχεια ακτινοβολεί στον ελεύθερο χώρο και παράγει μια κατευθυντική δέσμη.
Επομένως, η φλόγα εξυπηρετεί δύο σημαντικούς σκοπούς:
- Παρέχει μια ομαλότερη μετάβαση μεταξύ του κυματοδηγού και του ελεύθερου χώρου.
- Αυξάνει το αποτελεσματικό διάφραγμα ακτινοβολίας, επιτρέποντας μεγαλύτερη κατευθυντικότητα και κέρδος.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι μια κόρνα κάνειδεν εξαλείφει πλήρως τις αντανακλάσεις ή τα στάσιμα κύματαΑντίθετα, μια κατάλληλα σχεδιασμένη κόρνα μπορεί να μειώσει την ανάκλαση και να παρέχει καλή αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης, η οποία συνήθως αντικατοπτρίζεται σε ένα σχετικά χαμηλό VSWR.
Σχήμα 1. Τυπική κεραία τύπου κόρνας με σταδιακά διευρυμένο άνοιγμα κυματοδηγού.
2. Συχνότητα λειτουργίας κεραιών κόρνας
Οι κεραίες κόρνας δεν έχουν μία καθολική περιοχή συχνοτήτων.
Η συχνότητα λειτουργίας τους καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό απόδιαστάσεις κυματοδηγού, λειτουργία κυματοδηγού, γεωμετρία διαφράγματος, δομή τροφοδοσίας και προβλεπόμενο εύρος ζώνης.
Οι παραδοσιακές κεραίες κόρνας είναι ιδιαίτερα συνηθισμένες σε συχνότητες μικροκυμάτων και χιλιοστομετρικών κυμάτων, επειδή οι διαστάσεις των κυματοδηγών γίνονται πρακτικές καθώς μειώνεται το μήκος κύματος. Ωστόσο, ειδικά σχεδιασμένες δομές κόρνας ευρείας ζώνης μπορούν επίσης να λειτουργήσουν σε χαμηλότερες συχνότητες, ενώ οι κόρνες κυματοδηγών ακριβείας μπορούν να επεκταθούν σε ζώνες χιλιοστομετρικών κυμάτων και υπο-THz.
Για παράδειγμα, τα σχέδια κεραιών κόρνας μπορούν να βρεθούν από το εύρος εκατοντάδων megahertz έως και πολύ πάνω από 100 GHz. Το RF MISO προσφέρει επί του παρόντος διαμορφώσεις κεραίας ευρείας ζώνης που λειτουργούν από300–750 MHz, καθώς και κωνικές κεραίες κέρατος που καλύπτουν220–325 GHz, που δείχνει πόσο ευρύ μπορεί να είναι το πρακτικό εύρος συχνοτήτων αυτής της οικογένειας κεραιών.
3. Κύριοι τύποι κεραιών κόρνας
3.1 Τομεακή κεραία κόρνας
Ένα τομεακό κέρας παράγεται όταν ένας ορθογώνιος κυματοδηγός διευρύνεται μόνο σε ένα επίπεδο.
Εάν ο κυματοδηγός επεκταθεί στοΗλεκτρονικό αεροπλάνο, η δομή ονομάζεταιΤομεακό κόρνα E-planeΕάν η διαστολή συμβεί στοH-επίπεδο, ονομάζεταιΤομεακό κέρας επιπέδου H.
Επειδή η διάσταση του ανοίγματος αυξάνεται μόνο σε ένα επίπεδο, η διαμόρφωση της δέσμης είναι πιο έντονη σε αυτό το αντίστοιχο επίπεδο.
3.2 Πυραμιδική κεραία
Ένα πυραμιδικό κέρας σχηματίζεται όταν ένας ορθογώνιος κυματοδηγός διευρύνεται τόσο προς την κατεύθυνση του επιπέδου E όσο και προς την κατεύθυνση του επιπέδου H.
Η προκύπτουσα δομή μοιάζει με κολοβωμένη πυραμίδα και παρέχει επέκταση ανοίγματος και στις δύο διαστάσεις.
Τα πυραμιδικά κέρατα χρησιμοποιούνται ευρέως ωςτυπικά κέρατα κέρδους και κεραίες αναφοράςεπειδή τα διαγράμματα κέρδους και ακτινοβολίας τους μπορούν να χαρακτηριστούν με ακρίβεια.
Η RF MISO, για παράδειγμα, προσφέρει τυπικές κεραίες κέρατος κέρατος σε πολυάριθμες ζώνες μικροκυμάτων και χιλιοστομετρικών κυμάτων. Η οικογένεια τυπικών κεραιών κέρατος WR10 περιλαμβάνει μοντέλα που λειτουργούν από75 έως 110 GHz, με καθορισμένα χαρακτηριστικά κέρδους, VSWR, πόλωσης και πλάτους δέσμης.
3.3 Κωνική κεραία κέρατος
Ένα κωνικό κέρας σχηματίζεται γενικά με τη σταδιακή επέκταση ενός κυκλικού κυματοδηγού προς ένα κυκλικό άνοιγμα.
Σε αντίθεση με ένα πυραμιδικό κέρας, το οποίο προέρχεται από έναν ορθογώνιο κυματοδηγό, ένα κωνικό κέρας έχει περιστροφικά συμμετρική γεωμετρία.
Οι κωνικές κεραίες χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές μικροκυμάτων, χιλιοστομετρικών κυμάτων, τροφοδοσίας και μέτρησης. Ανάλογα με τη δομή τροφοδοσίας και το δίκτυο πόλωσης, μπορούν επίσης να υποστηρίξουν πιο εξειδικευμένες διαμορφώσεις πόλωσης.
Σχήμα 2. Τυπικές διαμορφώσεις κεραίας κόρνας: Τομεακό επίπεδο E, τομεακό επίπεδο H, πυραμιδικά και κωνικά κόρνα.
4. Γωνία αναλαμπής, μέγεθος διαφράγματος και μήκος κόρνας
Η γεωμετρία μιας κόρνας έχει άμεση επίδραση στην ηλεκτρομαγνητική της απόδοση.
Τρεις σημαντικές παράμετροι σχεδιασμού είναι:
γωνία ανόδου, μέγεθος διαφράγματος και μήκος κόρνας.
Ένα μεγαλύτερο διάφραγμα μπορεί γενικά να προσφέρει υψηλότερη κατευθυντικότητα και στενότερη δέσμη, αλλά η απλή αύξηση της γωνίας αντανάκλασης δεν παράγει αυτόματα καλύτερη απόδοση.
Εάν η κόρνα είναι πολύ κοντή για ένα δεδομένο μέγεθος διαφράγματος, ενδέχεται να εμφανιστεί υπερβολική διακύμανση φάσης σε όλο το άνοιγμα. Αυτό μειώνει την απόδοση του διαφράγματος και μπορεί να υποβαθμίσει το διάγραμμα ακτινοβολίας.
Αντίθετα, η υπερβολικά μεγάλη διάρκεια της κόρνας αυξάνει το μηχανικό μέγεθος και το βάρος χωρίς απαραίτητα να παρέχει ανάλογη βελτίωση στην απόδοση.
Επομένως, ο σχεδιασμός της κόρνας περιλαμβάνει την εξισορρόπηση:
- Μέγεθος διαφράγματος
- Γωνία αντανάκλασης
- Μήκος
- Σφάλμα φάσης
- Κέρδος
- Πλάτος δέσμης
- Μηχανικές διαστάσεις
5. Διάγραμμα Ακτινοβολίας και Χαρακτηριστικά Δέσμης
Οι κεραίες κόρνας είναι γενικά κατευθυντικοί ακτινοβολητές.
Η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια συγκεντρώνεται κυρίως προς τα εμπρός μέσω του ανοίγματος, παράγοντας μια σαφώς καθορισμένη κύρια δέσμη μαζί με πλευρικούς λοβούς.
Δύο τομές διαγράμματος ακτινοβολίας είναι ιδιαίτερα σημαντικές:
- Διάγραμμα ακτινοβολίας E-plane
- Διάγραμμα ακτινοβολίας H-επιπέδου
ΟΕύρος δέσμης 3 dBχρησιμοποιείται συνήθως για να περιγράψει το γωνιακό πλάτος της κύριας δέσμης μεταξύ των δύο σημείων όπου η ακτινοβολούμενη ισχύς πέφτει 3 dB κάτω από τη μέγιστη τιμή της.
Γενικά, η αύξηση του ενεργού διαφράγματος σε σχέση με το μήκος κύματος αυξάνει την κατευθυντικότητα και τείνει να περιορίζει τη δέσμη.
Αυτή η σχέση μπορεί επίσης να παρατηρηθεί σε πρακτικές κεραίες χιλιοστομετρικού κύματος με κόρνα. Για παράδειγμα, οι τυπικές κόρνες κέρδους 75–110 GHz της RF MISO καθορίζουν τα χαρακτηριστικά πλάτους δέσμης επιπέδου E και επιπέδου H μαζί με δεδομένα κέρδους και VSWR.
Σχήμα 3. Απεικόνιση της διαστολής και της ακτινοβολίας ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μέσω ενός ανοίγματος κόρνας.
6. Πλεονεκτήματα των κεραιών Horn
Οι κεραίες Horn προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα για συστήματα RF και μικροκυμάτων:
Καλή κατευθυντικότητα
Το διευρυμένο άνοιγμα συγκεντρώνει την ακτινοβολία προς την εμπρόσθια κατεύθυνση.
Προβλέψιμα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας
Οι καλά σχεδιασμένες κεραίες κόρνας μπορούν να παρέχουν σταθερά και καλά καθορισμένα μοτίβα επιπέδου E και επιπέδου H.
Καλή αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης
Η σταδιακή μετάβαση από τον κυματοδηγό στον ελεύθερο χώρο μπορεί να μειώσει την ανάκλαση και να υποστηρίξει χαμηλό VSWR.
Μέτριο έως υψηλό κέρδος
Διαφορετικά μεγέθη διαφράγματος και μήκη κόρνας μπορούν να σχεδιαστούν για να παρέχουν διαφορετικά επίπεδα κέρδους.
Σχετικά απλή δομή
Σε σύγκριση με πολλές πολύπλοκες αρχιτεκτονικές κεραιών υψηλού κέρδους, οι συμβατικές κόρνες είναι μηχανικά απλές και ανθεκτικές.
Κατάλληλο για μετρήσεις υψηλής συχνότητας
Η αρχιτεκτονική τους που βασίζεται σε κυματοδηγούς καθιστά τις κεραίες κέρατος ιδιαίτερα πολύτιμες σε συστήματα μέτρησης μικροκυμάτων και χιλιοστομετρικών κυμάτων.
7. Σκέψεις και περιορισμοί σχεδιασμού
Οι κεραίες Horn περιλαμβάνουν επίσης αρκετούς μηχανικούς συμβιβασμούς.
Το υψηλότερο κέρδος γενικά απαιτεί μεγαλύτερο ηλεκτρικό άνοιγμα, το οποίο μπορεί να αυξήσει τις φυσικές διαστάσεις της κεραίας.
Η σχέση μεταξύ του μεγέθους του διαφράγματος, του μήκους του κέρατος και της γωνίας έκλαμψης πρέπει επίσης να ελέγχεται προσεκτικά για να διατηρείται αποδεκτή κατανομή φάσης σε όλο το άνοιγμα.
Σε πολύ υψηλές συχνότητες, η ακρίβεια κατεργασίας, η ποιότητα της επιφάνειας, οι διαστάσεις του κυματοδηγού και η ευθυγράμμιση των φλάντζων αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερη σημασία, επειδή ακόμη και σχετικά μικρά μηχανικά σφάλματα μπορούν να αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό κλάσμα του μήκους κύματος.
Συνεπώς, οι μηχανικοί πρέπει να αξιολογήσουν όχι μόνο το κέρδος και το εύρος συχνότητας, αλλά και:
VSWR, πόλωση, απόδοση διασταυρούμενης πόλωσης, πλάτος δέσμης, επίπεδο πλευρικού λοβού, διεπαφή RF, διαχείριση ισχύος και μηχανική ανοχή.
8. Εφαρμογές κεραιών κόρνας
Λόγω της κατευθυντικής ακτινοβολίας τους, των σταθερών χαρακτηριστικών τους και της συμβατότητάς τους με συστήματα κυματοδηγών, οι κεραίες κόρνας χρησιμοποιούνται ευρέως σε:
- Μέτρηση κέρδους κεραίας
- Μέτρηση διαγράμματος ακτινοβολίας
- Δοκιμές EMC και EMI
- Συστήματα ραντάρ
- Επικοινωνία μικροκυμάτων και χιλιοστομετρικών κυμάτων
- Δοκιμή δορυφορικής κεραίας
- Εύρεση κατεύθυνσης και επιτήρηση
- Μέτρηση ανηχοϊκού θαλάμου
- Τροφοδοτήσεις κεραίας ανακλαστήρα
- Συστήματα έρευνας και εργαστηρίου RF
- Βαθμονόμηση και εφαρμογές κεραίας αναφοράς
Τα σχέδια ευρυζωνικών κόρνων μπορούν επίσης να παρέχουν ευρύ εύρος ζώνης λειτουργίας για συστήματα μέτρησης και παρακολούθησης. Για παράδειγμα, οι κεραίες ευρυζωνικών κόρνων 18–40 GHz της RF MISO έχουν σχεδιαστεί για εφαρμογές που περιλαμβάνουν δοκιμές μικροκυμάτων, μέτρηση κεραιών, δοκιμές δορυφορικών κεραιών, εύρεση κατεύθυνσης, επιτήρηση και μετρήσεις που σχετίζονται με την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα.
Σύναψη
Μια κεραία κόρνας μετατρέπει ένα κατευθυνόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα σε κατευθυντική ακτινοβολία ελεύθερου χώρου μέσω ενός σταδιακά επεκτεινόμενου ανοίγματος κυματοδηγού.
Ο συνδυασμός τουκαλή αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης, κατευθυντική ακτινοβολία, προβλέψιμα χαρακτηριστικά δέσμης, χρήσιμο κέρδος και σχετικά απλή κατασκευήέχει καταστήσει την κόρνα μία από τις σημαντικότερες δομές κεραίας στη μηχανική μικροκυμάτων και χιλιοστομετρικών κυμάτων.
Από τομεακά και πυραμιδικά κέρατα έως κωνικά και ευρυζωνικά σχέδια, διαφορετικές δομές μπορούν να βελτιστοποιηθούν για συγκεκριμένες περιοχές συχνοτήτων, απαιτήσεις πόλωσης, επίπεδα κέρδους και περιβάλλοντα μέτρησης.
Για τους μηχανικούς που επιλέγουν μια κεραία κόρνας, το εύρος συχνοτήτων είναι μόνο το σημείο εκκίνησης. Το κέρδος, η οριακή ταχύτητα, το πλάτος δέσμης, η πόλωση, η διεπαφή κυματοδηγού ή ομοαξονικής, η διαχείριση ισχύος και οι μηχανικές διαστάσεις θα πρέπει να αξιολογούνται σύμφωνα με τις απαιτήσεις του πλήρους συστήματος RF.
Ώρα δημοσίευσης: 21 Αυγούστου 2026
