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
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
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
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

