หลัก

เสาอากาศแบบฮอร์น: หลักการทำงาน ประเภท คุณลักษณะการแผ่รังสี และการใช้งาน

เสาอากาศแบบฮอร์นเป็นเสาอากาศทิศทางชนิดหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในงานวิศวกรรมไมโครเวฟและมิลลิเมตรเวฟ โครงสร้างเชิงกลที่เรียบง่าย คุณลักษณะการแผ่รังสีที่คาดการณ์ได้ การสะท้อนที่ค่อนข้างต่ำ และความสามารถในการให้กำลังขยายปานกลางถึงสูง ทำให้เสาอากาศชนิดนี้มีคุณค่าในการวัดเสาอากาศ การทดสอบ EMC เรดาร์ ระบบสื่อสาร ระบบป้อนสัญญาณ และห้องปฏิบัติการ RF

เสาอากาศแบบฮอร์นโดยพื้นฐานแล้วสามารถมองได้ว่าเป็น...ท่อนำคลื่นที่มีช่องเปิดค่อยๆ ขยายออกแทนที่จะปล่อยให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันจากท่อนำคลื่นไปสู่พื้นที่ว่าง ส่วนที่บานออกจะช่วยให้การเปลี่ยนแปลงเป็นไปอย่างค่อยเป็นค่อยไปมากขึ้น ซึ่งช่วยปรับปรุงการจับคู่ความต้านทานและนำพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนใหญ่ไปสู่ลำแสงรังสีที่ควบคุมได้

ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของท่อนำคลื่นและทิศทางการขยายของช่องเปิด เสาอากาศแบบฮอร์นสามารถออกแบบได้หลายรูปแบบ รวมถึงเขาสัตว์รูปภาคส่วน เขาสัตว์รูปพีระมิด และเขาสัตว์รูปกรวยบทความอ้างอิงต้นฉบับใช้โครงสร้างทั้งสามแบบนี้เป็นหลักในการแนะนำโครงสร้างเสาอากาศแบบฮอร์น

1. เสาอากาศแบบฮอร์นทำงานอย่างไร?

ท่อนำคลื่นกักเก็บพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าไว้ภายในโครงสร้างตัวนำ เมื่อคลื่นนำทางไปถึงปลายเปิด ส่วนหนึ่งของพลังงานจะแผ่กระจายออกไปสู่พื้นที่ว่าง ในขณะที่อีกส่วนหนึ่งอาจสะท้อนกลับเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์ระหว่างท่อนำคลื่นและพื้นที่ว่าง

เสาอากาศแบบฮอร์นช่วยลดความกระทันหันของการเปลี่ยนแปลงนี้โดยการค่อยๆ เพิ่มพื้นที่หน้าตัดของท่อนำคลื่นไปทางช่องเปิด

เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายผ่านส่วนที่ขยายออก สนามจะขยายตัวไปยังช่องเปิดที่ใหญ่ขึ้น จากนั้นช่องเปิดจะแผ่รังสีออกไปสู่พื้นที่ว่างและสร้างลำแสงที่มีทิศทาง

ดังนั้น พลุไฟจึงมีจุดประสงค์สำคัญสองประการ:

  • ช่วยให้การเปลี่ยนผ่านระหว่างท่อนำคลื่นและพื้นที่ว่างเป็นไปอย่างราบรื่นยิ่งขึ้น
  • มันช่วยเพิ่มขนาดของช่องรับสัญญาณให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้สามารถกำหนดทิศทางและเพิ่มกำลังส่งได้ดียิ่งขึ้น

สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ เขา (หรือเขาสัตว์) นั้นไม่สามารถกำจัดแสงสะท้อนหรือคลื่นนิ่งได้อย่างสมบูรณ์ในทางกลับกัน ฮอร์นที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมสามารถลดการสะท้อนและให้การจับคู่ความต้านทานที่ดี ซึ่งโดยทั่วไปจะสะท้อนออกมาในค่า VSWR ที่ค่อนข้างต่ำ

เสาอากาศฮอร์น

รูปที่ 1. เสาอากาศแบบฮอร์นทั่วไปที่มีช่องเปิดท่อนำคลื่นที่ค่อยๆ ขยายออก

 

2. ความถี่ในการทำงานของเสาอากาศแบบฮอร์น

เสาอากาศแบบฮอร์นไม่ได้มีช่วงความถี่เดียวที่ใช้ได้กับทุกสถานการณ์

ความถี่ในการทำงานของพวกมันส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยขนาดของท่อคลื่นนำแสง โหมดของท่อคลื่นนำแสง รูปทรงของช่องเปิด โครงสร้างการป้อนสัญญาณ และแบนด์วิดท์ที่ต้องการ.

เสาอากาศแบบฮอร์นแบบดั้งเดิมนั้นพบได้ทั่วไปโดยเฉพาะในย่านความถี่ไมโครเวฟและมิลลิเมตรเวฟ เนื่องจากขนาดของท่อนำคลื่นจะเหมาะสมเมื่อความยาวคลื่นลดลง อย่างไรก็ตาม โครงสร้างฮอร์นแบบบรอดแบนด์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษก็สามารถทำงานได้ที่ความถี่ต่ำกว่า ในขณะที่ฮอร์นแบบท่อนำคลื่นที่มีความแม่นยำสูงสามารถใช้งานได้ในย่านความถี่มิลลิเมตรและซับเทราเฮิรตซ์ได้ดี

ตัวอย่างเช่น เสาอากาศแบบฮอร์นสามารถพบได้ในช่วงความถี่หลายร้อยเมกะเฮิร์ตซ์ไปจนถึงสูงกว่า 100 GHz ปัจจุบัน RF MISO นำเสนอเสาอากาศแบบฮอร์นแบบบรอดแบนด์ที่ทำงานในช่วงความถี่ดังกล่าว300–750 เมกะเฮิร์ตซ์รวมถึงเสาอากาศแบบฮอร์นทรงกรวยที่ครอบคลุม220–325 GHzซึ่งแสดงให้เห็นว่าช่วงความถี่ใช้งานจริงของเสาอากาศตระกูลนี้กว้างเพียงใด

3. ประเภทหลักของเสาอากาศแบบฮอร์น

3.1 เสาอากาศฮอร์นแบบแบ่งส่วน

ฮอร์นแบบภาคส่วนเกิดจากการขยายท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าในระนาบเดียวเท่านั้น

หากท่อนำคลื่นถูกขยายออกในเครื่องบินอีโครงสร้างดังกล่าวเรียกว่าฮอร์นภาคส่วนระนาบ Eหากการขยายตัวเกิดขึ้นในระนาบ Hเรียกว่าฮอร์นภาคส่วนระนาบ H.

เนื่องจากขนาดของช่องรับแสงเพิ่มขึ้นในระนาบเดียวเท่านั้น การปรับรูปร่างลำแสงจึงเด่นชัดมากขึ้นในระนาบนั้นๆ

3.2 เสาอากาศแบบฮอร์นทรงพีระมิด

รูปทรงแตรปิรามิดเกิดขึ้นเมื่อท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าถูกขยายออกทั้งในทิศทางระนาบ E และระนาบ H

โครงสร้างที่ได้มีลักษณะคล้ายพีระมิดตัดยอด และช่วยขยายช่องเปิดในทั้งสองมิติ

เขาทรงพีระมิดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายฮอร์นขยายสัญญาณมาตรฐานและเสาอากาศอ้างอิงเนื่องจากสามารถระบุลักษณะเฉพาะของรูปแบบการรับสัญญาณและการแผ่รังสีได้อย่างแม่นยำ

ตัวอย่างเช่น RF MISO นำเสนอเสาอากาศแบบฮอร์นมาตรฐานในย่านความถี่ไมโครเวฟและมิลลิเมตรเวฟหลายย่าน ตระกูลเสาอากาศแบบฮอร์นมาตรฐาน WR10 ของบริษัทประกอบด้วยรุ่นต่างๆ ที่ทำงานได้ตั้งแต่75 ถึง 110 GHzโดยระบุค่าอัตราขยาย ค่า VSWR ค่าโพลาไรเซชัน และค่าความกว้างของลำแสงไว้ด้วย

3.3 เสาอากาศแบบฮอร์นทรงกรวย

โดยทั่วไปแล้ว ฮอร์นทรงกรวยจะถูกสร้างขึ้นโดยการค่อยๆ ขยายท่อนำคลื่นทรงกลมไปสู่ช่องเปิดทรงกลม

แตกต่างจากฮอร์นทรงพีระมิดซึ่งมีต้นกำเนิดจากท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ฮอร์นทรงกรวยมีรูปทรงเรขาคณิตที่สมมาตรแบบหมุนได้

เสาอากาศแบบฮอร์นทรงกรวยนิยมใช้ในงานไมโครเวฟ งานคลื่นมิลลิเมตร งานป้อนสัญญาณ และงานวัดค่าต่างๆ นอกจากนี้ ยังสามารถรองรับการกำหนดค่าโพลาไรเซชันที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นได้ ขึ้นอยู่กับโครงสร้างการป้อนสัญญาณและเครือข่ายโพลาไรเซชัน

ประเภทของเสาอากาศแบบฮอร์น

รูปที่ 2. รูปแบบเสาอากาศแบบฮอร์นทั่วไป: ฮอร์นแบบภาคส่วนระนาบ E, ฮอร์นแบบภาคส่วนระนาบ H, ฮอร์นแบบพีระมิด และฮอร์นแบบกรวย

4. มุมกระจายแสง ขนาดรูรับแสง และความยาวของฮอร์น

รูปทรงเรขาคณิตของลำโพงมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพทางแม่เหล็กไฟฟ้าของมัน

พารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญสามประการ ได้แก่:

มุมกระจายแสง ขนาดรูรับแสง และความยาวของฮอร์น

โดยทั่วไปแล้ว รูรับแสงที่ใหญ่ขึ้นจะให้ทิศทางที่แม่นยำกว่าและลำแสงที่แคบกว่า แต่การเพิ่มมุมกระจายแสงเพียงอย่างเดียวไม่ได้หมายความว่าจะทำให้ประสิทธิภาพดีขึ้นเสมอไป

หากฮอร์นสั้นเกินไปสำหรับขนาดรูรับแสงที่กำหนด อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสมากเกินไปทั่วทั้งรูรับแสง ซึ่งจะลดประสิทธิภาพของรูรับแสงและอาจทำให้รูปแบบการแผ่รังสีแย่ลง

ในทางกลับกัน การทำให้แตรยาวเกินไปจะเพิ่มขนาดและน้ำหนักทางกลโดยไม่จำเป็นต้องให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในสัดส่วนที่เท่ากัน

ดังนั้น การออกแบบแตรจึงเกี่ยวข้องกับการสร้างสมดุล:

  • ขนาดรูรับแสง
  • มุมแฟลร์
  • ความยาว
  • ข้อผิดพลาดเฟส
  • ได้รับ
  • ความกว้างของลำแสง
  • มิติเชิงกล

5. รูปแบบการแผ่รังสีและลักษณะลำแสง

เสาอากาศแบบฮอร์นโดยทั่วไปเป็นตัวส่งสัญญาณแบบกำหนดทิศทาง

พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนใหญ่จะถูกส่งไปในทิศทางด้านหน้าผ่านช่องเปิด ทำให้เกิดลำแสงหลักที่ชัดเจนพร้อมกับลำแสงข้างเคียง

การตัดรูปแบบการแผ่รังสีสองแบบนั้นมีความสำคัญเป็นพิเศษ:

  • รูปแบบการแผ่รังสีระนาบอี
  • รูปแบบการแผ่รังสีระนาบ H

เดอะความกว้างของลำแสง 3 dBโดยทั่วไปใช้เพื่ออธิบายความกว้างเชิงมุมของลำแสงหลักระหว่างสองจุดที่กำลังส่งลดลง 3 เดซิเบลต่ำกว่าค่าสูงสุด

โดยทั่วไป การเพิ่มขนาดรูรับแสงที่มีประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น จะเพิ่มทิศทางของลำแสงและมีแนวโน้มที่จะทำให้ลำแสงแคบลง

ความสัมพันธ์นี้สามารถสังเกตได้ในเสาอากาศฮอร์นคลื่นมิลลิเมตรในทางปฏิบัติเช่นกัน ตัวอย่างเช่น เสาอากาศฮอร์นมาตรฐาน 75–110 GHz ของ RF MISO ระบุลักษณะความกว้างของลำแสงในระนาบ E และระนาบ H พร้อมกับข้อมูลอัตราขยายและ VSWR

รูรับแสงรูปแบบการแผ่รังสี

รูปที่ 3 ภาพประกอบแสดงการขยายตัวและการแผ่รังสีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านช่องเปิดของฮอร์น

6. ข้อดีของเสาอากาศแบบฮอร์น

เสาอากาศแบบฮอร์นมีข้อดีหลายประการสำหรับระบบ RF และไมโครเวฟ:

ทิศทางที่ดี
ช่องรับแสงที่ขยายใหญ่ขึ้นจะรวมรังสีไปในทิศทางด้านหน้า

ลักษณะการแผ่รังสีที่คาดการณ์ได้
เสาอากาศแบบฮอร์นที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถให้รูปแบบการรับสัญญาณในระนาบ E และระนาบ H ที่เสถียรและชัดเจน

การจับคู่ความต้านทานที่ดี
การเปลี่ยนผ่านอย่างค่อยเป็นค่อยไปจากท่อนำคลื่นไปสู่พื้นที่ว่างสามารถลดการสะท้อนและช่วยให้ค่า VSWR ต่ำลงได้

อัตราขยายปานกลางถึงสูง
สามารถออกแบบขนาดช่องเปิดและความยาวของฮอร์นที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ระดับการขยายเสียงที่แตกต่างกันได้

โครงสร้างค่อนข้างเรียบง่าย
เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างเสาอากาศกำลังขยายสูงที่ซับซ้อนหลายแบบ เสาอากาศแบบฮอร์นทั่วไปนั้นมีโครงสร้างทางกลที่เรียบง่ายและแข็งแรงทนทาน

เหมาะสำหรับการวัดความถี่สูง
โครงสร้างแบบใช้ตัวนำคลื่นทำให้เสาอากาศแบบฮอร์นมีคุณค่าอย่างยิ่งในระบบวัดคลื่นไมโครเวฟและคลื่นมิลลิเมตร

7. ข้อควรพิจารณาและข้อจำกัดในการออกแบบ

เสาอากาศแบบฮอร์นยังเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนทางวิศวกรรมหลายประการอีกด้วย

โดยทั่วไปแล้ว อัตราขยายที่สูงขึ้นมักต้องการช่องรับสัญญาณไฟฟ้าที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งอาจทำให้ขนาดทางกายภาพของเสาอากาศเพิ่มขึ้นได้

ความสัมพันธ์ระหว่างขนาดรูรับแสง ความยาวของฮอร์น และมุมแฟลร์ ต้องได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเช่นกัน เพื่อรักษาระดับการกระจายเฟสที่ยอมรับได้ทั่วทั้งรูรับแสง

ที่ความถี่สูงมาก ความแม่นยำในการกลึง คุณภาพพื้นผิว ขนาดของท่อนำคลื่น และการจัดแนวหน้าแปลนจะมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ เพราะแม้แต่ข้อผิดพลาดทางกลเพียงเล็กน้อยก็อาจส่งผลต่อความยาวคลื่นได้มากทีเดียว

ดังนั้น วิศวกรจึงจำเป็นต้องประเมินไม่เพียงแค่ค่าการขยายสัญญาณและช่วงความถี่เท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาถึงสิ่งต่อไปนี้ด้วย:

ค่า VSWR, การโพลาไรซ์, ประสิทธิภาพการโพลาไรซ์แบบไขว้, ความกว้างของลำแสง, ระดับไซด์โลบ, อินเทอร์เฟซ RF, การจัดการพลังงาน และความคลาดเคลื่อนทางกล

8. การประยุกต์ใช้งานเสาอากาศแบบฮอร์น

เนื่องจากคุณสมบัติการแผ่รังสีแบบกำหนดทิศทาง คุณลักษณะที่เสถียร และความเข้ากันได้กับระบบท่อนำคลื่น เสาอากาศแบบฮอร์นจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน:

  • การวัดอัตราขยายของเสาอากาศ
  • การวัดรูปแบบการแผ่รังสี
  • การทดสอบ EMC และ EMI
  • ระบบเรดาร์
  • การสื่อสารด้วยคลื่นไมโครเวฟและคลื่นมิลลิเมตร
  • การทดสอบเสาอากาศดาวเทียม
  • การค้นหาทิศทางและการเฝ้าระวัง
  • การวัดในห้องไร้เสียงสะท้อน
  • ตัวป้อนสัญญาณเสาอากาศสะท้อนแสง
  • ระบบวิจัยและห้องปฏิบัติการ RF
  • การใช้งานเสาอากาศสอบเทียบและอ้างอิง

การออกแบบเสาอากาศแบบฮอร์นบรอดแบนด์ยังช่วยให้มีแบนด์วิดธ์การทำงานที่กว้างสำหรับระบบการวัดและการตรวจสอบ ตัวอย่างเช่น เสาอากาศแบบฮอร์นบรอดแบนด์ 18–40 GHz ของ RF MISO ได้รับการกำหนดให้ใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การทดสอบไมโครเวฟ การวัดเสาอากาศ การทดสอบเสาอากาศดาวเทียม การหาทิศทาง การเฝ้าระวัง และการวัดที่เกี่ยวข้องกับ EMC

บทสรุป

เสาอากาศแบบฮอร์นจะแปลงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบนำทางให้กลายเป็นคลื่นแผ่รังสีแบบมีทิศทางในพื้นที่ว่าง ผ่านช่องเปิดของท่อนำคลื่นที่ค่อยๆ ขยายออก

การผสมผสานของการจับคู่ความต้านทานที่ดี การแผ่รังสีแบบมีทิศทาง ลักษณะลำแสงที่คาดการณ์ได้ อัตราขยายที่มีประโยชน์ และโครงสร้างที่ค่อนข้างเรียบง่ายทำให้เสาอากาศแบบฮอร์นกลายเป็นหนึ่งในโครงสร้างเสาอากาศที่สำคัญที่สุดในด้านวิศวกรรมไมโครเวฟและมิลลิเมตรเวฟ

ตั้งแต่ฮอร์นแบบภาคส่วนและแบบพีระมิด ไปจนถึงแบบทรงกรวยและแบบบรอดแบนด์ โครงสร้างที่แตกต่างกันสามารถปรับให้เหมาะสมกับช่วงความถี่เฉพาะ ข้อกำหนดด้านโพลาไรเซชัน ระดับการขยาย และสภาพแวดล้อมการวัดได้

สำหรับวิศวกรที่เลือกใช้เสาอากาศแบบฮอร์น ช่วงความถี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น อัตราขยาย ค่า VSWR ความกว้างของลำแสง โพลาไรเซชัน อินเทอร์เฟซแบบท่อนำคลื่นหรือแบบโคแอกเซียล กำลังรับส่ง และขนาดทางกล ควรได้รับการประเมินตามความต้องการของระบบ RF โดยรวมทั้งหมด


วันที่โพสต์: 21 สิงหาคม 2569

ดาวน์โหลดเอกสารข้อมูลผลิตภัณฑ์