Ventajas y desventajas de las antenas de bocina. Antena de bocina: descripción, diseño, propiedades y uso. Bocina sectorial de avión E
A 2,45 GHz, la longitud de onda de la señal WiFi es de 122 mm. La polarización es vertical. La red proporciona un diagrama interesante de un bicuadrado curvado alrededor de un tubo de cobre con un diámetro de 10 cm. Resulta que el patrón de radiación de dicha antena está distorsionado y estirado en acimut. No existen modelos MMANA para ver exactamente qué sucede, pero los aficionados argumentan que este movimiento no es el mejor (lo veremos más adelante). Las antenas de bocina son adecuadas para altas frecuencias, pero son demasiado voluminosas para bajas frecuencias. ¿Es posible hacer una antena para un enrutador con sus propias manos en forma de altavoz? En casos excepcionales (imitación de la voz de un pato de lago), definitivamente sí.
Pocas personas piensan en el significado físico de la antena. La persona promedio responderá que es necesaria una antena para amplificar la señal, pero es un dispositivo pasivo que no amplifica. Recoge una señal de un área grande y la envía a una pequeña, donde se encuentra el cable del receptor. Todas las antenas hacen esto sin excepción. ¿Qué puede recoger un vibrador? Baste recordar que un vibrador de onda (un trozo de alambre igual a la longitud de onda) es mejor que un vibrador de media onda, que tiene una ventaja sobre un vibrador de un cuarto de onda (igual a un cuarto de la longitud de onda). Cuanto más largo sea el vibrador, más eficaz. En este caso, se observan ciertas proporciones. Esto está dictado por las leyes ondulatorias de la naturaleza.
Se sabe que un cantante de ópera, después de alcanzar una nota alta, rompe un vaso de cristal. Cómo está hecho. El maestro cantor golpea ligeramente el instrumento y escucha qué nota sale del recipiente. Esta es la frecuencia de resonancia del objeto. Al tocar la misma nota con una voz entrenada, el cantante evoca una respuesta del contenedor. Las oscilaciones se acumulan, se intensifican y no desaparecen. Como resultado, el vidrio se rompe en pedazos. En la antena pasa exactamente lo mismo. Recoge y transmite ondas resonantes. Y esta es la frecuencia fundamental y los armónicos (multiplicados por dos, cuatro, etc. frecuencias). Una antena casera para enrutador ayudará a eliminar lo innecesario. La señal se concentrará en el lugar correcto.
Es importante conectar correctamente el cable a la antena. La recepción de ondas y armónicos permitirá realizar una antena armónica que reciba frecuencias cuyas medias ondas sean múltiplos de las dimensiones del dispositivo.
Por ejemplo, frecuencias relacionadas como 1: 2: 4: 6, etc. Una línea bien trazada te permitirá coger varias olas al mismo tiempo. Si infringe las reglas, el dispositivo no funcionará. He aquí cómo hacerlo:
- Dibuje un diagrama esquemático de un vibrador (línea recta), en el que se indiquen esquemáticamente las leyes de distribución de corrientes y voltajes para todas las longitudes de onda.
- Si conecta los cables en el punto del antinodo de voltaje, obtendrá una fuente de alimentación de voltaje.
- Si conecta los cables en el punto antinodo de todas las corrientes, obtendrá alimentación actual.
Así se fabrican las antenas armónicas. Para hacer algo como esto, por ejemplo, para una frecuencia de 3,7 MHz (rango HF), necesitará un trozo de cable de 80 metros de largo. Está claro que tal situación puede no serle adecuada. Por ello, constantemente se buscan nuevos diseños. No hace mucho publicaron una descripción del proceso de construcción de una antena ferromagnética para el rango de 3,7 - 7 MHz que cabe en un puño. No pretendemos que reemplace 80 metros de cobre, pero los investigadores han observado un efecto positivo en el material que se utiliza en los receptores de radio.
Antenas de bocina para enrutador
Lo que le agradará con una antena amplificadora de bocina para un enrutador. Sencillo en diseño. Aquí está la teoría:
- piramidal (pirámide truncada);
- sectorial, sectorial (un sector hecho de una guía de ondas, el fondo y el techo son paralelos entre sí, los lados divergen);
- cónico (cono truncado);
- híbrido (la forma de la bocina difícilmente puede considerarse una palabra acuñada; quienes han desmontado convertidores de satélite están familiarizados con una bocina con escalones).
Si las bocinas se utilizan en comunicaciones por satélite en frecuencias superiores a 5 GHz, también son adecuadas para WiFi. Cómo hacer una antena para un enrutador. Las bocinas pertenecen a la clase de dispositivos de microondas. La antena está fabricada en acero chapado en su interior. Esto mejora las condiciones de conductividad, permite que la onda se mueva libremente en el interior y confiere dureza a las paredes. En la práctica, para una logia acristalada, el cartón cubierto con papel de aluminio es adecuado. La lámina, como saben, está hecha de aluminio; el cobre tiene las mejores cualidades. Algunas personas ensamblan antenas de bocina a partir de PCB. Luego se pule la superficie, por ejemplo, con una goma de borrar y se barniza. Selle el portal de la antena de bocina con dieléctrico, plástico, espuma, etc.
¡Importante! Sin papel de aluminio, la bocina no funcionará por razones obvias. Un dieléctrico no puede reflejar la radiación electromagnética.
Las uniones, en el caso de PCB, se sueldan, el cartón se pega. Probablemente sea mejor utilizar madera contrachapada, porque la geometría correcta de la antena es importante. Y la chapa de madera mantiene mejor su forma. El interior debe pegarse en las costuras y el exterior debe cubrirse con una imprimación que evite que la humedad penetre en el interior. A continuación, se pinta y se cuelga en cualquier lugar. Si lo desea, es posible colocar un comedero para pájaros en la parte superior. Cubra el interior de la estructura con papel de aluminio, lo más uniformemente posible (la uniformidad del pegado no afectará el funcionamiento de la antena). Sugerimos hacer una bocina piramidal, que es más simple y proporcionará un patrón de radiación y elevación aceptables en caso de que extraños quieran ingresar a nuestra red.
El patrón de radiación de una antena de bocina para un enrutador no es original. Se trata de un pétalo, de 15 grados de ancho (según el diseño) en acimut y elevación. Esto determina la aplicación específica. Para cubrir la casa, la antena se coloca a una altura media de distancia. De modo que el pétalo principal cubra a todos los consumidores. Empecemos por las dimensiones de la guía de ondas de suministro, a las que se presta poca atención. Hay una calculadora en el sitio web http://users.skynet.be/chricat/horn/horn-javascript.html; úsela para calcular los parámetros sustituyendo la frecuencia. El valor predeterminado es el canal 6 (2437 MHz).
La parte inferior de la guía de ondas de suministro está perforada desde abajo por un pasador espaciado de la pared trasera por un cuarto de la longitud de onda, y la longitud de la sección es la mitad de la longitud de onda. Usando una fórmula de la física, encontramos la longitud de onda: 299792458 / 2430000000 = 123 mm. Esta es la longitud de onda en el espacio libre. Hay una onda crítica en la guía de ondas; no puede funcionar debajo de ella. El valor es igual al doble del lado largo de la guía de ondas. Sigamos los consejos de la calculadora y tomemos paredes de 90 x 60 mm. La longitud de onda crítica será de 180 mm. Dentro de la guía de ondas, la onda se mueve en ángulo. En consecuencia, la longitud de onda aumenta igual al cociente de la longitud de onda en el espacio libre dividido por el coseno del ángulo de movimiento en el interior.
La dificultad es encontrar el ángulo. Se han desarrollado fórmulas especiales para el cálculo; los lectores las encontrarán solos, pero nosotros usaremos los resultados. Inicialmente, la calculadora le pide que especifique las dimensiones de la bocina. Demos los valores correctos. Utilizando el método encontramos los lados de un paralelepípedo que incluye la abertura de la bocina (sin guía de ondas de alimentación). Resulta:
- Largo P – 60 cm.
- Ancho Alto – 25 cm.
- Altura E – 10 cm.
Se encuentran las dimensiones del portal externo y el interno es igual a la entrada a la guía de ondas. Esto determinará la geometría de las cuatro paredes. Haga clic en Calcular y obtendrá una plantilla lista para usar. Preste atención a la columna Calidad de apertura. Debe contener una cifra menor a 1/8 de onda (en este caso, 15 mm). Se publicó una cuarta parte con los datos originales del sitio, pero el autor no está seguro de su exactitud. No pegues el primer modelo con pegamento, pruébalo primero en el suelo. Tenga en cuenta que ya hemos calculado la longitud de onda en la guía de ondas, la cifra es 16,85 cm. Ahora entendemos qué hacer con la varilla:
- distanciado de la pared ciega trasera de la guía de ondas en 168,5 / 4 = 42,125 mm;
- la sección de guía de ondas tiene una longitud de 84 mm;
Estos son parámetros importantes y deben observarse estrictamente. Aquí la señal se elimina del pin. Cómo configurar un sitio. El pasador sobresale desde abajo hasta una cierta longitud, esto es un cuarto de onda en el espacio libre (31 mm). Debe tomar el medidor SWR y moverlo en diferentes direcciones hasta obtener un valor en el área de la unidad. Si no funciona durante mucho tiempo, incline la varilla ligeramente hacia la pared trasera.
Bueno, la antena externa del enrutador WiFi está lista. A continuación habrá una conversación sobre tecnologías de microondas.
El artículo para traducción fue propuesto por alessandro893. El material está extraído de un extenso sitio de referencia y describe, en particular, los principios de funcionamiento y diseño de los radares.
Una antena es un dispositivo eléctrico que convierte la electricidad en ondas de radio y viceversa. La antena se utiliza no sólo en radares, sino también en bloqueadores, sistemas de alerta de radiación y sistemas de comunicaciones. Durante la transmisión, la antena concentra la energía del transmisor del radar y forma un haz dirigido en la dirección deseada. Al recibir, la antena recoge la energía de retorno del radar contenida en las señales reflejadas y las transmite al receptor. Las antenas suelen variar en la forma del haz y la eficiencia.
A la izquierda hay una antena isotrópica, a la derecha hay una antena direccional.
Antena dipolo
Una antena dipolo, o dipolo, es la clase de antena más simple y popular. Consta de dos conductores, alambres o varillas idénticos, generalmente con simetría bilateral. Para los dispositivos de transmisión, se le suministra corriente y para los dispositivos de recepción, se recibe una señal entre las dos mitades de la antena. Ambos lados del alimentador en el transmisor o receptor están conectados a uno de los conductores. Los dipolos son antenas resonantes, es decir, sus elementos sirven como resonadores en los que pasan ondas estacionarias de un extremo al otro. Entonces, la longitud de los elementos dipolares está determinada por la longitud de la onda de radio.
Patrón direccional
Los dipolos son antenas omnidireccionales. Por este motivo, se utilizan a menudo en sistemas de comunicación.Antena en forma de vibrador asimétrico (monopolo)
Una antena asimétrica es la mitad de una antena dipolo y está montada perpendicular a la superficie conductora, un elemento reflectante horizontal. La directividad de una antena monopolo es el doble que la de una antena dipolo de doble longitud porque no hay radiación debajo del elemento reflectante horizontal. En este sentido, la eficiencia de dicha antena es el doble y es capaz de transmitir ondas utilizando la misma potencia de transmisión.
Patrón direccional
Antena de canal de ondas, antena Yagi-Uda, antena Yagi
Patrón direccional
Antena de esquina
Un tipo de antena que se utiliza a menudo en transmisores VHF y UHF. Consiste en un irradiador (que puede ser un dipolo o un conjunto Yagi) montado delante de dos pantallas reflectantes planas rectangulares conectadas en un ángulo, normalmente de 90°. Una lámina de metal o una rejilla (para radares de baja frecuencia) pueden actuar como reflector, reduciendo el peso y reduciendo la resistencia al viento. Las antenas de esquina tienen un amplio alcance y la ganancia es de unos 10 a 15 dB.
Patrón direccional
Antena de vibrador log-periódico (periódico logarítmico) o conjunto log-periódico de vibradores simétricos
Una antena logarítmica periódica (LPA) consta de varios emisores dipolo de media onda de longitud que aumenta gradualmente. Cada uno consta de un par de varillas de metal. Los dipolos están unidos uno detrás del otro y conectados al alimentador en paralelo, con fases opuestas. Esta antena es similar a la antena Yagi, pero funciona de manera diferente. Agregar elementos a una antena Yagi aumenta su directividad (ganancia) y agregar elementos a una LPA aumenta su ancho de banda. Su principal ventaja sobre otras antenas es su amplísima gama de frecuencias de funcionamiento. Las longitudes de los elementos de antena se relacionan entre sí según una ley logarítmica. La longitud del elemento más largo es la mitad de la longitud de onda de la frecuencia más baja y el más corto es la mitad de la longitud de onda de la frecuencia más alta.
Patrón direccional
antena helicoidal
Una antena helicoidal consta de un conductor enrollado en espiral. Suelen montarse encima de un elemento reflectante horizontal. El alimentador está conectado a la parte inferior de la espiral y al plano horizontal. Pueden funcionar en dos modos: normal y axial.
Modo normal (transversal): las dimensiones de la hélice (diámetro e inclinación) son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la frecuencia transmitida. La antena funciona de la misma manera que un dipolo o monopolo en cortocircuito, con el mismo patrón de radiación. La radiación está polarizada linealmente paralela al eje de la espiral. Este modo se utiliza en antenas compactas para radios portátiles y móviles.
Modo axial: las dimensiones de la espiral son comparables a la longitud de onda. La antena funciona como direccional, transmitiendo el haz desde el final de la espiral a lo largo de su eje. Emite ondas de radio de polarización circular. A menudo se utiliza para comunicaciones por satélite.
Patrón direccional
antena rómbica
Una antena de diamante es una antena direccional de banda ancha que consta de uno a tres cables paralelos fijados sobre el suelo en forma de diamante, sostenidos en cada vértice por torres o postes a los que se unen los cables mediante aisladores. Los cuatro lados de la antena tienen la misma longitud, normalmente al menos la misma longitud de onda, o más. A menudo se utiliza para comunicaciones y operaciones en el rango de ondas decámétricas.
Patrón direccional
Conjunto de antenas bidimensionales
Conjunto de dipolos multielemento utilizado en las bandas de HF (1,6 - 30 MHz), que consta de filas y columnas de dipolos. El número de filas puede ser 1, 2, 3, 4 o 6. El número de columnas puede ser 2 o 4. Los dipolos están polarizados horizontalmente y se coloca una pantalla reflectante detrás del conjunto de dipolos para proporcionar un haz amplificado. El número de columnas dipolares determina el ancho del haz azimutal. Para 2 columnas, la anchura del patrón de radiación es de aproximadamente 50°, para 4 columnas es de 30°. El haz principal se puede inclinar 15° o 30° para una cobertura máxima de 90°.
El número de filas y la altura del elemento más bajo sobre el suelo determina el ángulo de elevación y el tamaño del área atendida. Un conjunto de dos filas tiene un ángulo de 20° y un conjunto de cuatro tiene un ángulo de 10°. La radiación de una matriz bidimensional suele acercarse a la ionosfera con un ligero ángulo y, debido a su baja frecuencia, a menudo se refleja de vuelta a la superficie terrestre. Dado que la radiación puede reflejarse muchas veces entre la ionosfera y el suelo, la acción de la antena no se limita al horizonte. Como resultado, una antena de este tipo se utiliza a menudo para comunicaciones de larga distancia.
Patrón direccional
Antena de bocina
Una antena de bocina consiste en una guía de ondas de metal en forma de bocina que se expande y recoge ondas de radio en un haz. Las antenas de bocina tienen una gama muy amplia de frecuencias de funcionamiento; pueden funcionar con una brecha de 20 veces en sus límites, por ejemplo, de 1 a 20 GHz. La ganancia varía de 10 a 25 dB y, a menudo, se utilizan como alimentadores para antenas más grandes.
Patrón direccional
antena parabólica
Una de las antenas de radar más populares es el reflector parabólico. La alimentación se encuentra en el foco de la parábola y la energía del radar se dirige a la superficie del reflector. La mayoría de las veces, se utiliza una antena de bocina como alimentación, pero se pueden utilizar tanto una antena dipolo como una antena helicoidal.
Dado que la fuente puntual de energía está en el foco, se convierte en un frente de onda de fase constante, lo que hace que la parábola sea muy adecuada para su uso en radar. Cambiando el tamaño y la forma de la superficie reflectante, se pueden crear haces y patrones de radiación de diversas formas. La directividad de las antenas parabólicas es mucho mejor que la de una Yagi o dipolo; la ganancia puede alcanzar los 30-35 dB. Su principal inconveniente es su incapacidad para manejar bajas frecuencias debido a su tamaño. Otra cosa es que el irradiador puede bloquear parte de la señal.
Patrón direccional
antena cassegrain
Una antena Cassegrain es muy similar a una antena parabólica convencional, pero utiliza un sistema de dos reflectores para crear y enfocar el haz del radar. El reflector principal es parabólico y el reflector auxiliar es hiperbólico. El irradiador está situado en uno de los dos focos de la hipérbola. La energía del radar del transmisor se refleja desde el reflector auxiliar hacia el principal y se enfoca. La energía que regresa del objetivo es recogida por el reflector principal y reflejada en forma de un haz que converge en un punto hacia el auxiliar. Luego es reflejado por un reflector auxiliar y recogido en el punto donde se encuentra el irradiador. Cuanto mayor sea el reflector auxiliar, más cerca podrá estar del principal. Este diseño reduce las dimensiones axiales del radar, pero aumenta el sombreado de la apertura. Un pequeño reflector auxiliar, por el contrario, reduce la sombra de la abertura, pero debe ubicarse alejado del principal. Ventajas respecto a una antena parabólica: compacidad (a pesar de la presencia de un segundo reflector, la distancia total entre los dos reflectores es menor que la distancia desde la alimentación al reflector de una antena parabólica), pérdidas reducidas (el receptor se puede colocar cerca al emisor de la bocina), reducción de la interferencia del lóbulo lateral para los radares terrestres. Principales desventajas: el haz se bloquea con más fuerza (el tamaño del reflector auxiliar y la alimentación es mayor que el tamaño de la alimentación de una antena parabólica convencional), no funciona bien con una amplia gama de ondas.
Patrón direccional
Antena Gregorio
A la izquierda está la antena Gregory, a la derecha está la antena Cassegrain.
La antena parabólica Gregory tiene una estructura muy similar a la antena Cassegrain. La diferencia es que el reflector auxiliar está curvado en dirección opuesta. El diseño de Gregory puede utilizar un reflector secundario más pequeño en comparación con una antena Cassegrain, lo que resulta en que se bloquee menos haz.
Antena desplazada (asimétrica)
Como sugiere el nombre, el emisor y el reflector auxiliar (si es una antena Gregory) de una antena desplazada están desplazados del centro del reflector principal para no bloquear el haz. Este diseño se utiliza a menudo en antenas parabólicas y Gregory para aumentar la eficiencia.
Antena Cassegrain con placa de fase plana
Otro diseño diseñado para combatir el bloqueo del haz mediante un reflector auxiliar es la antena Cassegrain de placa plana. Funciona teniendo en cuenta la polarización de las ondas. Una onda electromagnética tiene 2 componentes, magnética y eléctrica, que siempre son perpendiculares entre sí y a la dirección del movimiento. La polarización de la onda está determinada por la orientación del campo eléctrico, puede ser lineal (vertical/horizontal) o circular (circular o elíptica, torcida en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj). Lo interesante de la polarización es el polarizador, o el proceso de filtrar las ondas, dejando solo ondas polarizadas en una dirección o plano. Normalmente, el polarizador está hecho de un material con una disposición paralela de átomos, o puede ser una red de cables paralelos, cuya distancia es menor que la longitud de onda. A menudo se supone que la distancia debe ser aproximadamente la mitad de la longitud de onda.
Un error común es creer que la onda electromagnética y el polarizador funcionan de manera similar a un cable oscilante y una valla de tablones; es decir, por ejemplo, una onda polarizada horizontalmente debe bloquearse mediante una pantalla con ranuras verticales.
De hecho, las ondas electromagnéticas se comportan de manera diferente a las ondas mecánicas. Una red de cables horizontales paralelos bloquea y refleja completamente una onda de radio polarizada horizontalmente y transmite una polarizada verticalmente, y viceversa. La razón es esta: cuando un campo eléctrico, u onda, es paralelo a un alambre, excita electrones a lo largo de la longitud del alambre, y dado que la longitud del alambre es muchas veces mayor que su espesor, los electrones pueden moverse fácilmente y absorber la mayor parte de la energía de la onda. El movimiento de los electrones dará lugar a la aparición de una corriente, y la corriente creará sus propias ondas. Estas ondas anularán las ondas de transmisión y se comportarán como ondas reflejadas. Por otro lado, cuando el campo eléctrico de la onda es perpendicular a los cables, excitará electrones a lo ancho del cable. Como los electrones no podrán moverse activamente de esta manera, se reflejará muy poca energía.
Es importante señalar que aunque en la mayoría de las ilustraciones las ondas de radio tienen sólo 1 campo magnético y 1 campo eléctrico, esto no significa que oscilen estrictamente en el mismo plano. De hecho, se puede imaginar que los campos eléctricos y magnéticos constan de varios subcampos que se suman vectorialmente. Por ejemplo, para una onda polarizada verticalmente de dos subcampos, el resultado de sumar sus vectores es vertical. Cuando dos subcampos están en fase, el campo eléctrico resultante siempre será estacionario en el mismo plano. Pero si uno de los subcampos es más lento que el otro, entonces el campo resultante comenzará a girar en la dirección en la que se mueve la onda (esto a menudo se denomina polarización elíptica). Si un subcampo es más lento que los demás exactamente un cuarto de longitud de onda (la diferencia de fase es de 90 grados), entonces obtenemos polarización circular:
Para convertir la polarización lineal de una onda en polarización circular y viceversa, es necesario ralentizar uno de los subcampos en relación con los demás exactamente un cuarto de la longitud de onda. Para hacer esto, se usa con mayor frecuencia una rejilla (placa de fase de cuarto de onda) de cables paralelos con una distancia entre ellos de 1/4 de longitud de onda, ubicada en un ángulo de 45 grados con respecto a la horizontal.
Para una onda que pasa a través del dispositivo, la polarización lineal se convierte en circular y la circular en lineal.
Una antena Cassegrain con una placa de fase plana que funciona según este principio consta de dos reflectores del mismo tamaño. El auxiliar refleja sólo ondas polarizadas horizontalmente y transmite ondas polarizadas verticalmente. El principal refleja todas las ondas. La placa reflectora auxiliar se sitúa delante de la principal. Consta de dos partes: una placa con ranuras que forman un ángulo de 45° y una placa con ranuras horizontales de menos de 1/4 de longitud de onda de ancho.
Digamos que la alimentación transmite una onda con polarización circular en sentido antihorario. La onda pasa a través de la placa de un cuarto de onda y se convierte en una onda polarizada horizontalmente. Se refleja en los cables horizontales. Pasa de nuevo a través de la placa de cuarto de onda, por el otro lado, y para ello los alambres de la placa ya están orientados en forma especular, es decir, como si estuvieran girados 90°. El cambio anterior de polarización se invierte, de modo que la onda vuelve a polarizarse circularmente en el sentido contrario a las agujas del reloj y viaja de regreso al reflector principal. El reflector cambia la polarización de sentido antihorario a sentido horario. Pasa sin resistencia por las rendijas horizontales del reflector auxiliar y sale en dirección a los objetivos, polarizado verticalmente. En modo recepción ocurre lo contrario.
Antena de ranura
Aunque las antenas descritas tienen una ganancia bastante alta en relación con el tamaño de apertura, todas tienen desventajas comunes: alta susceptibilidad de los lóbulos laterales (susceptibilidad a reflexiones molestas de la superficie terrestre y sensibilidad a objetivos con un área de dispersión efectiva baja), eficiencia reducida debido a bloqueo del haz (los radares pequeños, que se pueden usar en aviones, tienen problemas de bloqueo; los radares grandes, donde el problema de bloqueo es menor, no se pueden usar en el aire). Como resultado, se inventó un nuevo diseño de antena: una antena de ranura. Tiene la forma de una superficie metálica, generalmente plana, en la que se cortan agujeros o ranuras. Cuando se irradia a la frecuencia deseada, se emiten ondas electromagnéticas desde cada ranura, es decir, las ranuras actúan como antenas individuales y forman una matriz. Dado que el haz que sale de cada ranura es débil, sus lóbulos laterales también son muy pequeños. Las antenas de ranura se caracterizan por una alta ganancia, lóbulos laterales pequeños y un peso reducido. Es posible que no tengan partes sobresalientes, lo que en algunos casos constituye una ventaja importante (por ejemplo, cuando se instalan en aviones).
Patrón direccional
Antena de matriz en fase pasiva (PFAR)
Radar con MIG-31
Desde los primeros días del desarrollo del radar, los desarrolladores han estado plagados de un problema: el equilibrio entre precisión, alcance y tiempo de escaneo del radar. Surge porque los radares con un ancho de haz más estrecho aumentan la precisión (mayor resolución) y el alcance a la misma potencia (concentración de potencia). Pero cuanto menor es el ancho del haz, más tiempo recorre el radar todo el campo de visión. Además, un radar de alta ganancia requerirá antenas más grandes, lo que resulta inconveniente para un escaneo rápido. Para lograr una precisión práctica en bajas frecuencias, el radar requeriría antenas tan grandes que sería mecánicamente difícil girarlas. Para resolver este problema, se creó una antena pasiva en fase. No se basa en la mecánica, sino en la interferencia de ondas para controlar el haz. Si dos o más ondas del mismo tipo oscilan y se encuentran en un punto del espacio, la amplitud total de las ondas se suma de forma muy parecida a como se suman las ondas en el agua. Dependiendo de las fases de estas ondas, las interferencias pueden fortalecerlas o debilitarlas.
El haz puede moldearse y controlarse electrónicamente controlando la diferencia de fase de un grupo de elementos transmisores, controlando así dónde se produce la interferencia de amplificación o atenuación. De esto se deduce que el radar de un avión debe tener al menos dos elementos transmisores para controlar el haz de lado a lado.
Normalmente, un radar PFAR consta de 1 alimentador, un LNA (amplificador de bajo ruido), un distribuidor de potencia, 1000-2000 elementos transmisores y un número igual de desfasadores.
Los elementos transmisores pueden ser antenas isotrópicas o direccionales. Algunos tipos típicos de elementos de transmisión:
En las primeras generaciones de aviones de combate, las antenas de parche (antenas de cinta) se utilizaban con mayor frecuencia porque eran las más fáciles de desarrollar.
Los conjuntos de fase activa modernos utilizan emisores de ranura debido a sus capacidades de banda ancha y ganancia mejorada:
Independientemente del tipo de antena utilizada, aumentar el número de elementos radiantes mejora las características de directividad del radar.
Como sabemos, para la misma frecuencia de radar, aumentar la apertura conduce a una disminución del ancho del haz, lo que aumenta el alcance y la precisión. Pero para los sistemas en fase, no vale la pena aumentar la distancia entre los elementos emisores en un intento de aumentar la apertura y reducir el costo del radar. Porque si la distancia entre los elementos es mayor que la frecuencia de funcionamiento, pueden aparecer lóbulos laterales, degradando significativamente el rendimiento del radar.
La parte más importante y cara del PFAR son los desfasadores. Sin ellos, es imposible controlar la fase de la señal y la dirección del haz.
Los hay de diferentes tipos, pero generalmente se pueden dividir en cuatro tipos.
Desfasadores con retardo de tiempo
El tipo más simple de desfasadores. Una señal tarda tiempo en viajar a través de una línea de transmisión. Este retraso, igual al cambio de fase de la señal, depende de la longitud de la línea de transmisión, la frecuencia de la señal y la velocidad de fase de la señal en el material transmisor. Al cambiar una señal entre dos o más líneas de transmisión de una longitud determinada, se puede controlar el cambio de fase. Los elementos de conmutación son relés mecánicos, diodos pin, transistores de efecto de campo o sistemas microelectromecánicos. Los diodos pin se utilizan a menudo debido a su alta velocidad, baja pérdida y circuitos de polarización simples que proporcionan cambios de resistencia de 10 kΩ a 1 Ω.
Retardo, seg = cambio de fase ° / (360 * frecuencia, Hz)
Su desventaja es que el error de fase aumenta al aumentar la frecuencia y aumenta de tamaño al disminuir la frecuencia. Además, el cambio de fase varía con la frecuencia, por lo que no son aplicables para frecuencias muy bajas y altas.
Desplazador de fase reflectante/en cuadratura
Normalmente, se trata de un dispositivo de acoplamiento en cuadratura que divide la señal de entrada en dos señales desfasadas 90°, que luego se reflejan. Luego se combinan en fase en la salida. Este circuito funciona porque los reflejos de la señal de las líneas conductoras pueden estar desfasados con respecto a la señal incidente. El cambio de fase varía de 0° (circuito abierto, capacitancia de varactor cero) a -180° (circuito en cortocircuito, capacitancia de varactor infinita). Estos desfasadores tienen un amplio rango de funcionamiento. Sin embargo, las limitaciones físicas de los varactores significan que en la práctica el cambio de fase sólo puede alcanzar 160°. Pero para un cambio mayor es posible combinar varias de estas cadenas.
Modulador de coeficiente intelectual vectorial
Al igual que un desfasador reflectante, aquí la señal se divide en dos salidas con un desfase de 90 grados. La fase de entrada imparcial se llama canal I y la cuadratura con un desplazamiento de 90 grados se llama canal Q. Luego, cada señal pasa a través de un modulador bifásico capaz de cambiar la fase de la señal. Cada señal tiene un desplazamiento de fase de 0° o 180°, lo que permite seleccionar cualquier par de vectores en cuadratura. Luego se recombinan las dos señales. Dado que se puede controlar la atenuación de ambas señales, no sólo se controla la fase sino también la amplitud de la señal de salida.
Desfasador en filtros de paso alto/bajo
Fue fabricado para resolver el problema de que los desfasadores con retardo de tiempo no pudieran funcionar en un amplio rango de frecuencia. Funciona cambiando la ruta de la señal entre filtros de paso alto y paso bajo. Similar a un desfasador de retardo de tiempo, pero utiliza filtros en lugar de líneas de transmisión. El filtro de paso alto consta de una serie de inductores y condensadores que proporcionan avance de fase. Un desfasador de este tipo proporciona un desfase constante en el rango de frecuencia de funcionamiento. También es mucho más pequeño que los desfasadores enumerados anteriormente, razón por la cual se usa con mayor frecuencia en aplicaciones de radar.
En resumen, en comparación con una antena reflectante convencional, las principales ventajas de PFAR serán: alta velocidad de escaneo (aumentando el número de objetivos rastreados, reduciendo la probabilidad de que la estación detecte una advertencia de radiación), optimización del tiempo dedicado al objetivo, alta ganancia y lóbulos laterales pequeños (difíciles de bloquear y detectar), secuencia de escaneo aleatoria (más difícil de bloquear), capacidad de utilizar técnicas especiales de modulación y detección para extraer señales del ruido. Las principales desventajas son el alto costo y la imposibilidad de escanear más de 60 grados de ancho (el campo de visión de una matriz de fase estacionaria es de 120 grados, un radar mecánico puede expandirlo a 360).
Antena de matriz en fase activa
Por fuera, AFAR (AESA) y PFAR (PESA) son difíciles de distinguir, pero por dentro son radicalmente diferentes. PFAR utiliza uno o dos amplificadores de alta potencia para transmitir una única señal, que luego se divide en miles de caminos para miles de desfasadores y elementos. Un radar AFAR consta de miles de módulos de recepción/transmisión. Dado que los transmisores se encuentran directamente en los propios elementos, no dispone de receptor y transmisor separados. Las diferencias en la arquitectura se muestran en la imagen.
En AFAR, la mayoría de los componentes, como un amplificador de señal débil, un amplificador de alta potencia, un duplexor y un desfasador, se reducen de tamaño y se ensamblan en una carcasa llamada módulo de transmisión/recepción. Cada uno de los módulos es un pequeño radar. Su arquitectura es la siguiente:
Aunque AESA y PESA utilizan interferencias de ondas para dar forma y desviar el haz, el diseño único de AESA ofrece muchas ventajas sobre PFAR. Por ejemplo, un pequeño amplificador de señal se ubica cerca del receptor, antes de los componentes donde se pierde parte de la señal, por lo que tiene una mejor relación señal-ruido que un PFAR.
Además, con capacidades de detección iguales, AFAR tiene un ciclo de trabajo y una potencia máxima más bajos. Además, dado que los módulos APAA individuales no dependen de un solo amplificador, pueden transmitir señales en diferentes frecuencias simultáneamente. Como resultado, AFAR puede crear varios haces separados, dividiendo el conjunto en subconjuntos. La capacidad de operar en múltiples frecuencias brinda multitarea y la capacidad de implementar sistemas de interferencia electrónica en cualquier lugar en relación con el radar. Pero formar demasiados haces simultáneos reduce el alcance del radar.
Las dos principales desventajas de AFAR son el alto costo y el campo de visión limitado a 60 grados.
Antenas híbridas electrónica-mecánicas en fase.
La muy alta velocidad de escaneo del Phased Array se combina con un campo de visión limitado. Para resolver este problema, los radares modernos colocan conjuntos en fase en un disco móvil, lo que aumenta el campo de visión. No confunda el campo de visión con el ancho del haz. El ancho del haz se refiere al haz del radar y el campo de visión se refiere al tamaño total del espacio que se escanea. A menudo se necesitan haces estrechos para mejorar la precisión y el alcance, pero normalmente no es necesario un campo de visión estrecho.
Aplicación de antenas de bocina.
Una antena de bocina independiente se utiliza principalmente en los casos en que no se requiere un patrón de radiación nítido y cuando la antena debe tener un alcance suficiente. En la práctica, utilizando una antena de bocina se puede cubrir aproximadamente el doble del rango de longitud de onda. Estrictamente hablando, el alcance de una antena de bocina electromagnética no está limitado por la bocina, sino por la guía de ondas que la alimenta.
La amplia gama de antenas de bocina y la simplicidad de diseño son ventajas importantes de este tipo de antenas de microondas, gracias a las cuales se utilizan ampliamente en mediciones de antenas y mediciones de características de campos electromagnéticos.
Las bocinas también se utilizan ampliamente como alimentadores para antenas de lentes y espejos, así como elementos de conjuntos de antenas.
La antena se opera de acuerdo con la documentación reglamentaria, que estipula los términos del mantenimiento de rutina. El trabajo de rutina es una lista de acciones necesarias para verificar la precisión de la antena y sus parámetros, así como las propiedades mecánicas y eléctricas.
Se debe realizar una inspección externa constantemente para detectar daños mecánicos y eléctricos. Limpie periódicamente la antena de suciedad y polvo y compruebe el recorrido del alimentador.
Conclusión
Durante el trabajo del curso, se calcularon las dimensiones principales de la antena y los parámetros de la línea de alimentación. A partir de los cálculos realizados se construyó un diagrama de radiación y se realizó un boceto de la antena.
Según la forma de los diagramas de radiación y el valor de eficiencia calculado, podemos concluir que los principales parámetros de la antena corresponden a los valores especificados.
Eficiencia de la antena: 0,84
Los requisitos de las especificaciones técnicas para la antena de bocina se cumplen con cierta reserva de marcha.
directividad del alimentador de antena de bocina
Literatura y fuentes de información.
1. Sazonov D. M. Antenas y dispositivos de microondas. - M.: Escuela Superior, 1988. - 432 p.
2. Nechaev E. E. Instrucciones metodológicas para completar los trabajos de curso en la disciplina “Antenas y RVR”. Moscú: MGTUGA, 1996. -106 p.
3. Kocherzhevsky G.N., Erokhin G.A., Dispositivos alimentadores de antena. M.: Radio y comunicación, 1989. - 352 p.
4. A.Z. Fradín. Dispositivos alimentadores de antena. Tutorial. Moscú: Sviaz, 1997.
Cálculo de la antena directora………………………………………………3
Cálculo de una antena de bocina………………………………………………………………10
Cálculo de una antena parabólica de un solo espejo…………………………17
Conclusiones sobre el trabajo de cálculo…………………………………………..24
Lista de referencias…………………………………………………….25
Las antenas vibratorias se utilizan en rangos de longitud de onda de milímetros, centímetros, decímetros, metros y más largos y son conductores rectos excitados en ciertos puntos. Las antenas vibratorias, según su diseño, tienen un factor de directividad de varias unidades a decenas de miles y se utilizan en sistemas de radiocomunicación, radionavegación, televisión, telemetría y otras áreas de la ingeniería de radio.
Para aumentar la directividad se utiliza un vibrador con reflector y uno o más directores. Esta antena se denomina antena directora y se utiliza ampliamente en diversos campos de las comunicaciones por radio en el rango VHF. Cuantos más directores, mayor es el KND y ya es el pétalo principal del DN. Normalmente, la eficiencia de las antenas directoras es 10...30, pero se conocen diseños de antenas directoras con eficiencia = 80...100.
Dibujo 1.1 - Vista general de la antena directora.
La figura muestra un vibrador activo con una longitud de , un reflector con una longitud de , un director con una longitud de , una pluma, un mástil y una caja de montaje de antena, así como las distancias del vibrador al reflector, desde el vibrador al director, y la longitud de la propia antena.
Cálculo teórico de parámetros de antena.
En una antena directora, la longitud del vibrador activo se iguala a la longitud resonante:
Con tal longitud, la resistencia de entrada tiene una parte reactiva cercana a cero. La longitud del reflector debe ser mayor que la longitud resonante:
La duración de los directores se hace menor que la duración resonante:
Además, la duración de los directores disminuye del primero al último.
Para un sistema vibrador-reflector, la distancia óptima, desde el punto de vista de la máxima eficiencia, se selecciona dentro de los límites:
Para el sistema, el vibrador es el primer director:
La distancia entre directores vecinos se toma dentro de los límites:
La longitud de onda se determina mediante la fórmula:
¿Dónde está la velocidad de la luz y es la frecuencia del canal? Porque Si tenemos entre 5 y 6 canales de televisión, luego tomamos la frecuencia promedio de las bandas de frecuencia ocupadas por estos dos canales: , entonces la longitud de onda de la fórmula (1.7) será igual a:
Calculemos las longitudes de los vibradores de antena y la distancia entre ellos usando las fórmulas (1.1 – 1.6):
Tomaremos la longitud total de la antena y su imagen en la Figura 1.2 del programa VIBRAT.
Dibujo 1.2 - Vista general de la antena directora calculada.
Para encontrar el patrón direccional de la antena directora en el plano utilizamos la fórmula (1.8):
Donde es el número de vibradores, k es el número de onda y es la distancia promedio entre los vibradores.
Sustituyendo (1.9) y (1.10) en (1.8) y valores numéricos, obtenemos una expresión para encontrar el patrón de una antena directora determinada:
Construiremos un patrón de radiación normalizado utilizando el paquete Mathcad. Porque es simétrico con respecto a cero, entonces lo construiremos para:
Dibujo 1.3 - DN en avión
A partir del gráfico se puede determinar el ancho del lóbulo principal y el nivel máximo de los lóbulos laterales: .
El factor de directividad y el ancho del lóbulo principal están determinados por las fórmulas (1.10-1.11):
Coeficientes y se determinan a partir del gráfico de la Figura 1.4:
Dibujo 1.4 - Tabla de probabilidades
Determinemos la longitud de onda de la antena:
Conociendo la longitud de onda de la antena y usando la Figura 1.4, determinamos que. Entonces:
Comparemos los resultados del cálculo obtenidos con los resultados de la antena directora calculada modelada en el programa. Los resultados tienen una ligera discrepancia debido a que las fórmulas utilizadas son aproximadas y no tienen en cuenta una serie de factores.
Dibujo 1.5 - Antena directora calculada en VIBRAT
Conclusión: calculamos el factor de directividad, los parámetros DP y DP de la antena directora en un rango de frecuencia determinado. Utilizando el programa VIBRAT simulamos esta antena y verificamos que los parámetros obtenidos eran correctos.
Arroz. Tipos de antenas de bocina: a) mi-sectorial, b) norte-sectorial, c) piramidal, d) cónica.
Propiedades:
Las antenas de bocina son de banda muy ancha y se adaptan muy bien a la línea de alimentación; de hecho, el ancho de banda de la antena está determinado por las propiedades de la guía de ondas excitante. Estas antenas se caracterizan por un bajo nivel de los lóbulos posteriores del patrón de radiación (hasta -40 dB) debido al hecho de que hay poco flujo de corrientes de RF hacia el lado oscuro de la bocina. Las antenas de bocina con baja ganancia tienen un diseño simple, pero lograr una ganancia alta (>25 dB) requiere el uso de dispositivos de alineación de fase de onda (lentes o espejos) en la apertura de la bocina. Sin tales dispositivos, la antena debe hacerse excesivamente larga.
Solicitud:
Las antenas de bocina se utilizan tanto de forma independiente como como alimentadores para antenas de espejo y otras antenas. Una antena de bocina, combinada estructuralmente con un reflector parabólico, a menudo se denomina antena parabólica de bocina. Las antenas de bocina con baja ganancia se utilizan a menudo como antenas de medición debido a su favorable conjunto de propiedades y buena repetibilidad.
En el radiotelescopio Holmdale, un radiómetro Dicke basado en una antena parabólica de bocina, Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson descubrieron en 1965 la radiación cósmica de fondo de microondas.
Características y fórmulas:
La ganancia de una antena de bocina está determinada por su área de apertura y se puede calcular mediante la fórmula:
donde: - zona de apertura de la bocina.
λ es la longitud de onda de la radiación principal.
- 0,4....0,8 instrumentación(factor de utilización de la superficie de la bocina), igual a 0,6 para el caso en que la diferencia de trayectoria entre los haces central y periférico es menor, pero cercana a Pi/2, y 0,8 cuando se utilizan dispositivos de nivelación de fase de onda.
Ancho del lóbulo principal ADN h:
Ancho del lóbulo principal ADN por radiación cero en el plano mi:
ya que con igualdad LE Y LH ADN en el avión norte resulta 1,5 veces más ancho; a menudo, para obtener el mismo ancho de pétalos en ambos planos, elija:
Para mantener las distorsiones de fase en la apertura de la bocina dentro de límites aceptables (no más de Pi/2), es necesario que se cumpla la siguiente condición (para una bocina piramidal):
donde y son las alturas de las caras de la pirámide que forman el cuerno.
De otra fuente:
Dónde LH- ancho de apertura en el plano norte,
LE- ancho de apertura en el plano mi,
RE Y RH- longitud del cuerno.
Para tal antena KND de forma simplificada se calcula mediante la fórmula:
D RUR = 4piνS/λ2
Dónde: S = L H * L E- zona de apertura de la bocina;
λ
- longitud de onda de la radiación principal;
ν
= 0,4....0,8 - coeficiente de utilización de la superficie ( instrumentación);
Dependiendo del tipo de bocina, las antenas de bocina se dividen en norte- Y mi- sectorial, piramidal y cónica. Cuernos cuyas dimensiones corresponden al valor máximo. KND se llaman óptimos. Para una óptima norte-antenas de bocina sectoriales longitud de bocina RH = L H 2 /3λ, para una óptima mi-antenas de bocina sectoriales R mi =L mi 2 /2λ. instrumentaciónóptimo norte- Y mi-Cuernos piramidales sectoriales es 0,64. Si aumentamos condicionalmente la longitud del cuerno hasta el infinito, entonces instrumentación La antena aumentará a 0,81.
En un cuerno cónico, longitud óptima R opt. estafa. Depende del diámetro de su abertura.
d:
R opt. estafa. = d2/2,4λ + 0,15λ
instrumentación cuerno cónico óptimo v=0,5.
Mesa 1.2. Ancho del patrón de radiación de la bocina con longitud óptima.
Tipo de bocina |
Ancho del patrón de radiación en el plano H |
Ancho de viga en el plano E |
E-sectorial |
2Θ 0,7 =68λ/L·H |
2Θ 0,7 =53λ/LE |
H-sectorial |
2Θ 0,7 =80λ/L·H |
2Θ 0,7 =51λ/LE |
Piramidal |
2Θ 0,7 =80λ/L·H |
2Θ 0,7 =53λ/LE |
Cónico |
2Θ 0,7 =60λ/d |
2Θ 0,7 =70λ/d |
Si tomamos una bocina elíptica con una relación axial de elipse de 1,25, entonces podemos obtener aproximadamente el mismo ancho del patrón de radiación en todas las secciones que pasan por el eje de la bocina.
La ventaja de una antena de bocina es su eficiencia de banda ancha, determinada por la banda ancha de la guía de ondas de alimentación. La antena de bocina es igual a la unidad.
La desventaja de las antenas de bocina es que la longitud de la bocina debe ser demasiado larga para obtener una radiación altamente direccional. La longitud óptima de la bocina es proporcional al cuadrado de las dimensiones de la apertura. LH o LE, y el ancho del patrón de radiación es inversamente proporcional LH o LE en primer grado. Por lo tanto, para reducir el patrón de radiación de una antena de bocina en norte veces, el ancho de la abertura debe aumentarse en norte veces, y la longitud del cuerno está en N2 una vez. Esta circunstancia impone restricciones en el ancho del patrón de radiación de las antenas de bocina.