Qué es la antena de trompeta : Funcionamiento y sus aplicaciones

La primera antena de bocina fue diseñada con experimentos pioneros a través de microondas por un investigador de la radio, Jagadish Chandra Bose, en 1897. La actual antena de bocina fue inventada por separado en 1938 por G. C. Southworth y Wilmer Barrow. A partir de entonces se realizaron frecuentes investigaciones para explicar el diseño de la antena de bocina, descubrir el patrón de radiación y sus aplicaciones en diversos campos. Estas antenas son muy famosas en los ámbitos de la transmisión por guía de ondas y las microondas. Por ello, estas antenas se denominan frecuentemente antenas de microondas. En este artículo se habla de la antena de trompeta, su funcionamiento y sus aplicaciones.

¿Qué es la antena de trompeta?

Una antena de bocina es un tipo de antena de apertura especialmente diseñada para las frecuencias de microondas. El extremo de la antena se ensancha o tiene forma de cuerno. Gracias a esta estructura, la directividad es mayor, por lo que la señal emitida puede transmitirse fácilmente a largas distancias. Las antenas de cuerno funcionan en la frecuencia de microondas, por lo que el rango de frecuencia de estas antenas es superalto o ultraalto, que va de 300 MHz a 30 GHz.

Estas antenas se utilizan como bocinas de alimentación para grandes antenas como las parabólicas, las directivas, etc. Las ventajas de utilizar estas antenas son un diseño y ajuste sencillos, una baja ROE (relación de onda estacionaria), una directividad moderada y un amplio ancho de banda.

Diseño y funcionamiento de las antenas de bocina

El diseño de la antena de bocina puede realizarse con una guía de ondas acampanada que se forma como una bocina. Se utilizan para transmitir y recibir señales de microondas de RF. Normalmente se utilizan en combinación con guías de onda y dirigen las ondas de radio dentro de un haz estrecho. Aquí, la parte abocinada puede tener cualquier forma, como cuadrada, cónica o rectangular. Para que funcione correctamente, esta antena debe tener un tamaño mínimo. Si la longitud de onda es muy grande o el tamaño de la bocina es muy pequeño, la antena no funcionará correctamente.

En esta antena, la fracción de la energía incidente puede irradiarse desde la entrada de la guía de ondas y el resto de la energía se reflejará desde la misma entrada, ya que, debido a la entrada abierta, existirá una mala adaptación de la impedancia entre el espacio y la guía de ondas. Además, en los bordes de la guía de ondas, la difracción afecta a la escasa capacidad de radiación de la guía de ondas.

Por ello, para superar los inconvenientes de la guía de ondas, su extremo se abre en forma de cuerno electromagnético. De este modo, se puede permitir una transición suave entre el espacio y la guía de ondas, ofreciendo así una mejor directividad hacia la onda de radio.

Al cambiar la guía de ondas como una estructura de bocina, se elimina la discontinuidad existente entre el espacio y la guía de ondas, de 377 ohmios de impedancia. Así se consigue que la energía incidente se emita en la dirección de transmisión al disminuir la difracción en los bordes. Por lo tanto, la directividad de la antena transmisora puede mejorarse con una ganancia superior.

El funcionamiento de la antena de bocina es el siguiente: una vez que se excita un extremo de la guía de ondas, se puede generar el campo. En general, los campos dentro de la guía de ondas y el espacio libre se transmitirán de forma similar. Pero, en el caso de la propagación con la guía de ondas, el campo pnm,ropagante puede controlarse a través de las paredes de la guía de ondas, por lo que el campo no pasará esféricamente, como no ocurre en la propagación en el espacio libre.

Una vez que el campo transversal llega al extremo de la guía de ondas, se transmite de la misma manera que en el espacio libre. Por tanto, en el extremo de la guía de ondas se pueden obtener frentes de onda esféricos.

Tipos de antenas de trompeta

Las antenas de bocina se clasifican en diferentes tipos: piramidal, cónica y exponencial.

Antena de trompeta piramidal

Como su nombre indica, esta antena tiene forma de pirámide a través de una sección transversal rectangular. Esta antena puede formarse abocinando las dos paredes de la guía de ondas. En esta antena se utiliza una guía de ondas rectangular y el abocinamiento puede realizarse en la dirección de los vectores de campo magnético y eléctrico. Estas antenas se utilizan simplemente para radiar ondas de radio de polarización lineal y se emplean con guías de ondas rectangulares.

Antena de trompeta sectorial

Es un tipo de antena en la que sólo un par de caras están abocinadas, mientras que el otro par está en paralelo. Genera un haz fino en forma de abanico en el plano de la cara abocinada, pero amplio en el plano de la cara estrecha. Este tipo de antenas se utiliza con frecuencia como bocinas de alimentación, especialmente para las antenas de radar de búsqueda amplia.

En esta antena, el ensanchamiento puede realizarse simplemente a través de una de las paredes de la guía de ondas. Además, se clasifican en dos tipos Plano E y Plano H.

Plano E

Una vez que una de las paredes de la guía de ondas de una antena está acampanada con la dirección del vector del campo eléctrico, se denomina antena de plano E.

Plano H

Cuando las paredes de la guía de ondas de una antena se ensanchan con la dirección del vector del campo magnético, se denomina antena de plano H.

Antena de trompeta cónica

Cuando una bocina de antena tiene forma de cono con una sección transversal circular se conoce como antena de bocina cónica. Estas antenas se utilizan simplemente a través de guías de ondas cilíndricas. La formación de una antena cónica es un efecto del ensanchamiento de una guía de ondas circular. Una antena de trompeta circular puede ser bicónica o cónica por naturaleza.

Antena de trompeta exponencial

Estas antenas se denominan a veces antenas de bocina escalar. En comparación con otra antena de bocina, esta antena es una alternativa que tiene una cara cónica exponencial que forma un plano curvo desde la abertura de la antena hasta la terminación de la guía de ondas.

Esta antena se conoce como antena de bocina exponencial porque el espacio de separación entre los lados aumenta exponencialmente como una función de la longitud. Este tipo de antenas proporciona una impedancia constante a una frecuencia enorme, por lo que hay menos posibilidad de reflexiones internas. Este tipo de diseño reducirá el número de reflexiones internas, permitirá una impedancia constante y un rendimiento eléctrico en un ancho de banda extremadamente amplio.

Antena de bocina ondulada

Este tipo de antena incluye ranuras o hendiduras paralelas a lo largo de t y es transversal hacia el eje de la antena. En comparación con la longitud de onda de funcionamiento, las características de estos diseños son pequeñas, lo que permite obtener lóbulos laterales extremadamente bajos y niveles de polarización cruzada por encima del ancho de banda.

Estas antenas tienen muchas ventajas, como lóbulos laterales pequeños y un mayor ancho de banda. La bocina corrugada ofrece un diseño casi simétrico, con anchos de haz en los planos E y H casi idénticos. Por ello, estas antenas se utilizan como bocinas de alimentación en radiotelescopios y antenas parabólicas.

Ganancia de la antena de trompeta

La ganancia de la antena de trompeta se puede calcular muy fácilmente mediante parámetros de diseño de la antena de bocina como la longitud axial, la diferencia de trayecto, el ángulo de ensanchamiento y la dimensión de la apertura. En general, Las bocinas piramidales se diseñan para ofrecer una ganancia óptima. Así que la ganancia de esta antena sobre una fuente isotrópica que emite por igual en todas las direcciones puede derivarse simplemente de la siguiente fórmula:

Ganancia = 4πAeA/λ^2

La fórmula de la ganancia de una antena de trompeta cónica puede expresarse como

Ganancia = (π dλ^)2 eA

Donde

'A' es la región física de la abertura

d" es el diámetro de la abertura de la antena

λ" es la longitud de onda

eA" es la eficacia de la apertura

El funcionamiento de esta antena es muy eficiente. Por lo tanto, el ensanchamiento de esta antena proporciona una coincidencia plana entre el espacio libre y la guía de ondas. Su ángulo afectará a muchas propiedades como la ganancia y la directividad.

Patrón de radiación de la antena de trompeta

El diagrama de radiación de la antena de bocina es un frente de onda esférico que se muestra en la siguiente figura. En esta antena, las ondas se mueven como frentes de onda esféricos hacia abajo de una bocina a través de su fuente en la parte superior de la bocina conocida como centro de fase.

El patrón de los campos eléctrico y magnético en el plano de apertura a la entrada de la bocina determinará el patrón de radiación. Como los frentes de onda son esféricos, la fase aumentará suavemente desde los bordes del plano de apertura hasta el centro, debido a la diferencia entre la longitud del punto central y los puntos de los bordes del punto del vértice, lo que se conoce como error de fase.

Este error se incrementa con el ángulo de ensanchamiento, por lo que aumenta el ancho del haz y disminuye la ganancia al proporcionar bocinas de mayor ancho de haz que las parabólicas. Una vez que se aumenta el tamaño de la bocina, el error de fase se incrementará y proporcionará un patrón de radiación más amplio a la bocina.

Mantener el ancho del haz estrecho requiere una bocina más larga para mantener estable el error de fase. El aumento del error de fase restringe el tamaño de la abertura de las bocinas prácticas a 15 longitudes de onda, porque las aberturas mayores necesitan bocinas largas de forma poco práctica. Así que esto restringe la ganancia de las bocinas prácticas a 30 dBi y la anchura del haz más pequeña equivalente a 5 o 10°.

Ventajas

El ventajas de una antena de bocina son las siguientes

• Estas antenas pueden funcionar en un amplio ancho de banda, en una amplia gama de frecuencias, ya que no tienen elementos resonantes.
• El ancho de haz de la antena de bocina es de 10:1 (1 GHz - 10 GHz), lo cual es habitual, y es posible que sea de 20:1.
• El diseño es sencillo.
• También son sencillas de conectar a la guía de ondas y a un alimentador coaxial.
• Estas antenas tienen una ROE (relación de ondas estacionarias) baja, lo que significa que reducen las ondas estacionarias.
• Buena adaptación de la impedancia.
• Su rendimiento es estable en toda la gama de frecuencias.
• Se pueden formar pequeños lóbulos menores.
• Estas antenas se utilizan como bocinas de alimentación para grandes antenas parabólicas.
• Mejor directividad.
• Evita las ondas estacionarias.
• La inexistencia de un elemento de resonancia en la construcción le permite trabajar en un amplio ancho de banda.
• Es extremadamente direccional por naturaleza, por lo que proporciona una mayor directividad.
• Proporciona menos reflexiones.

Desventajas

El desventajas de las antenas de bocina incluyen las siguientes.

• Estas antenas irradian energía en forma de frente de onda esférico, por lo que esta antena no proporciona un haz directivo o nítido.
• Tienen una ganancia limitada, como 20 dB, por lo que para mejorar la ganancia de la antena, la abertura de la bocina debe hacerse más grande para que la longitud de la bocina sea excesiva.
• El diseño del ángulo de antorcha decidirá la directividad.
• La longitud de la antorcha y el ángulo de antorcha no deben ser extremadamente pequeños.
• La directividad de la antena depende del ángulo de antorcha.
• Las dimensiones de la antorcha deben ser suficientemente grandes, de lo contrario, la antena será a veces voluminosa.

Aplicaciones

El aplicaciones de las antenas de bocina incluyen las siguientes.

• Se utilizan principalmente para estudios astronómicos.
• Se utilizan en aplicaciones basadas en microondas.
• Pueden utilizarse como elementos de alimentación.
• Se utilizan en los laboratorios para medir diferentes parámetros de la antena.
• En las frecuencias de microondas, se utilizan cuando las ganancias moderadas son adecuadas.
• Las dimensiones de la bocina deben ser altas para poder utilizarla en operaciones de ganancia moderada.
• Este tipo de antenas son aplicables en las cámaras de control de velocidad para evitar las reflexiones que interrumpen la respuesta deseada.
• Los reflectores parabólicos pueden ser excitados por elementos de alimentación como las antenas de bocina. Así, la mayor directividad que proporciona esta antena le permite iluminar el reflector.

Por tanto, se trata de una visión general de la antena de bocina, los tipos y sus aplicaciones. Estas antenas son muy populares en la región de las microondas, ya que proporcionan una menor VSWR, una alta ganancia, un ancho de banda bastante amplio, etc. Aquí tienes una pregunta, ¿qué es una antena de apertura?