آنتن‌های بوقی از جمله پرکاربردترین آنتن‌های جهت‌دار در مهندسی مایکروویو و موج میلی‌متری هستند. ساختار مکانیکی ساده، ویژگی‌های تابشی قابل پیش‌بینی، بازتاب نسبتاً کم و توانایی دستیابی به بهره متوسط تا زیاد، آنها را در اندازه‌گیری آنتن، آزمایش EMC، رادار، سیستم‌های ارتباطی، سیستم‌های تغذیه و آزمایشگاه‌های RF ارزشمند می‌کند.
یک آنتن شیپوری اساساً می‌تواند به عنوان یکموجبر با دیافراگمی که به تدریج گشاد می‌شودبه جای اینکه به امواج الکترومغناطیسی اجازه داده شود تا با یک گذار ناگهانی از موجبر به فضای آزاد مواجه شوند، بخش شعله‌ور، تبدیل تدریجی‌تری را فراهم می‌کند. این امر به بهبود تطبیق امپدانس کمک می‌کند و انرژی الکترومغناطیسی بیشتری را به یک پرتو تابشی کنترل‌شده هدایت می‌کند.
بسته به هندسه موجبر و جهتی که روزنه در آن گسترش می‌یابد، آنتن‌های شیپوری را می‌توان به چندین شکل طراحی کرد، از جمله:هورن‌های قطاعی، هورن‌های هرمی و هورن‌های مخروطیمقاله مرجع اصلی از این سه پیکربندی به عنوان مقدمه اصلی ساختارهای آنتن شیپوری استفاده می‌کند.
۱. آنتن شیپوری چگونه کار می‌کند؟
یک موجبر، انرژی الکترومغناطیسی را در یک ساختار رسانا محدود می‌کند. هنگامی که موج هدایت‌شده به یک انتهای باز می‌رسد، بخشی از انرژی به فضای آزاد تابش می‌کند، در حالی که بخشی ممکن است به دلیل گذار بین امپدانس‌های موجبر و فضای آزاد منعکس شود.
یک آنتن شیپوری با افزایش تدریجی سطح مقطع موجبر به سمت روزنه، ناگهانی بودن این گذار را کاهش می‌دهد.
همزمان با انتشار موج الکترومغناطیسی از طریق بخش شعله‌ور، میدان در یک روزنه بزرگتر گسترش می‌یابد. سپس روزنه به فضای آزاد تابیده و یک پرتو جهت‌دار تولید می‌کند.
بنابراین، این شعله دو هدف مهم را دنبال می‌کند:
- این یک انتقال نرم‌تر بین موجبر و فضای آزاد را فراهم می‌کند.
- این دیافراگم تابشی مؤثر را افزایش می‌دهد و امکان جهت‌گیری و بهره بیشتر را فراهم می‌کند.
لازم به ذکر است که بوقبازتاب‌ها یا امواج ایستاده را به طور کامل حذف نمی‌کنددر عوض، یک هورن با طراحی مناسب می‌تواند انعکاس را کاهش داده و تطبیق امپدانس خوبی را فراهم کند، که معمولاً در VSWR نسبتاً کم منعکس می‌شود.
شکل ۱. آنتن شیپوری معمولی با روزنه موجبر که به تدریج گشاد می‌شود.
۲. فرکانس کاری آنتن‌های شیپوری
آنتن‌های شیپوری یک محدوده فرکانسی جهانی ندارند.
فرکانس کاری آنها تا حد زیادی توسط ... تعیین می‌شود.ابعاد موجبر، حالت موجبر، هندسه روزنه، ساختار تغذیه و پهنای باند مورد نظر.
آنتن‌های شیپوری سنتی به ویژه در فرکانس‌های مایکروویو و موج میلی‌متری رایج هستند زیرا ابعاد موجبر با کاهش طول موج، کاربردی می‌شوند. با این حال، ساختارهای شیپوری با پهنای باند بالا که به طور خاص طراحی شده‌اند، می‌توانند در فرکانس‌های پایین‌تر نیز کار کنند، در حالی که شیپورهای موجبر دقیق می‌توانند به خوبی در باندهای موج میلی‌متری و زیر تراهرتز گسترش یابند.
برای مثال، طرح‌های آنتن شیپوری را می‌توان از محدوده صدها مگاهرتز تا بسیار بالاتر از ۱۰۰ گیگاهرتز یافت. RF MISO در حال حاضر پیکربندی‌های شیپوری پهن‌باند را ارائه می‌دهد که از۳۰۰–۷۵۰ مگاهرتزو همچنین آنتن‌های شیپوری مخروطی که پوشش می‌دهند۲۲۰–۳۲۵ گیگاهرتزکه نشان می‌دهد دامنه فرکانس عملی این خانواده آنتن چقدر می‌تواند گسترده باشد.
۳. انواع اصلی آنتن‌های شیپوری
۳.۱ آنتن شیپوری قطاعی
یک بوق قطاعی زمانی تولید می‌شود که یک موجبر مستطیلی تنها در یک صفحه تابانده شود.
اگر موجبر در ... گسترش یابدهواپیمای الکترونیکی، این ساختار نامیده می‌شودبوق سکتوری E-planeاگر انبساط در ... رخ دهدصفحه H، به آن گفته می‌شودبوق قطاعی صفحه H.
از آنجا که ابعاد روزنه تنها در یک صفحه افزایش می‌یابد، شکل‌دهی پرتو در آن صفحه مربوطه بارزتر است.
۳.۲ آنتن شیپوری هرمی
یک شیپور هرمی زمانی تشکیل می‌شود که یک موجبر مستطیلی در هر دو جهت صفحه E و صفحه H شعله‌ور شود.
ساختار حاصل شبیه یک هرم ناقص است و انبساط دیافراگم را در هر دو بعد فراهم می‌کند.
شاخ‌های هرمی به طور گسترده به عنوانآنتن‌های مرجع و بوق‌های بهره استانداردزیرا می‌توان الگوهای بهره و تابش آنها را به طور دقیق مشخص کرد.
برای مثال، RF MISO آنتن‌های بوقی با بهره استاندارد را در باندهای مایکروویو و موج میلی‌متری متعدد ارائه می‌دهد. خانواده بوقی با بهره استاندارد WR10 آن شامل مدل‌هایی است که از ... کار می‌کنند.۷۵ تا ۱۱۰ گیگاهرتزبا بهره مشخص، VSWR، قطبش و ویژگی‌های پهنای پرتو.
۳.۳ آنتن شیپوری مخروطی
یک بوق مخروطی معمولاً با انبساط تدریجی یک موجبر دایره‌ای به سمت یک روزنه دایره‌ای شکل تشکیل می‌شود.
برخلاف یک بوق هرمی که از یک موجبر مستطیلی سرچشمه می‌گیرد، یک بوق مخروطی هندسه متقارن چرخشی دارد.
آنتن‌های بوقی مخروطی معمولاً در کاربردهای مایکروویو، موج میلی‌متری، تغذیه و اندازه‌گیری استفاده می‌شوند. بسته به ساختار تغذیه و شبکه قطبش، آنها می‌توانند از پیکربندی‌های قطبش تخصصی‌تری نیز پشتیبانی کنند.
شکل ۲. پیکربندی‌های معمول آنتن‌های شیپوری: آنتن‌های شیپوری قطاعی صفحه E، آنتن‌های شیپوری صفحه H، آنتن‌های هرمی و آنتن‌های مخروطی.
۴. زاویه شعله، اندازه دیافراگم و طول شاخک
هندسه یک هورن تأثیر مستقیمی بر عملکرد الکترومغناطیسی آن دارد.
سه پارامتر مهم طراحی عبارتند از:
زاویه شعله، اندازه دهانه و طول شاخک.
یک دیافراگم بزرگتر عموماً می‌تواند جهت‌گیری بالاتر و پرتو باریک‌تری را فراهم کند، اما صرفاً افزایش زاویه شعله به طور خودکار عملکرد بهتری ایجاد نمی‌کند.
اگر شاخک برای اندازه دیافراگم مشخص خیلی کوتاه باشد، ممکن است تغییر فاز بیش از حد در سراسر دیافراگم ظاهر شود. این امر باعث کاهش راندمان دیافراگم و تخریب الگوی تابش می‌شود.
برعکس، بلند کردن بیش از حد هورن، اندازه و وزن مکانیکی را افزایش می‌دهد، بدون اینکه لزوماً بهبود متناسبی در عملکرد ایجاد کند.
بنابراین، طراحی بوق شامل متعادل‌سازی موارد زیر است:
- اندازه دیافراگم
- زاویه شعله ور
- طول
- خطای فاز
- سود
- پهنای پرتو
- ابعاد مکانیکی
۵. الگوی تابش و ویژگی‌های پرتو
آنتن‌های شیپوری عموماً از نوع تشعشع‌کننده‌های جهت‌دار هستند.
انرژی الکترومغناطیسی عمدتاً در جهت رو به جلو از طریق روزنه متمرکز می‌شود و یک پرتو اصلی کاملاً مشخص به همراه لوب‌های جانبی تولید می‌کند.
دو برش الگوی تابشی به ویژه مهم هستند:
- الگوی تابش صفحه E
- الگوی تابش صفحه H
پهنای پرتو ۳ دسی‌بلمعمولاً برای توصیف پهنای زاویه‌ای پرتو اصلی بین دو نقطه‌ای که توان تابشی ۳ دسی‌بل کمتر از حداکثر مقدار خود می‌شود، استفاده می‌شود.
به طور کلی، افزایش روزنه مؤثر نسبت به طول موج، جهت‌گیری را افزایش می‌دهد و تمایل به باریک کردن پرتو دارد.
این رابطه را می‌توان در آنتن‌های بوقی موج میلی‌متری کاربردی نیز مشاهده کرد. به عنوان مثال، بوق‌های بهره استاندارد ۷۵ تا ۱۱۰ گیگاهرتز RF MISO ویژگی‌های پهنای پرتو صفحه E و صفحه H را به همراه داده‌های بهره و VSWR مشخص می‌کنند.
شکل ۳. تصویرسازی از انبساط موج الکترومغناطیسی و تابش از طریق یک دیافراگم شیپوری.
۶. مزایای آنتن‌های شیپوری
آنتن‌های شیپوری مزایای متعددی برای سیستم‌های RF و مایکروویو ارائه می‌دهند:
جهت‌گیری خوب
روزنه‌ی بزرگ‌شده، تابش را به سمت جلو متمرکز می‌کند.
ویژگی‌های تابش قابل پیش‌بینی
آنتن‌های شیپوری با طراحی خوب می‌توانند الگوهای پایدار و مشخصی در صفحه E و صفحه H ارائه دهند.
تطبیق امپدانس خوب
انتقال تدریجی از موجبر به فضای آزاد می‌تواند انعکاس را کاهش داده و از VSWR کم پشتیبانی کند.
برد متوسط تا زیاد
اندازه‌های مختلف دیافراگم و طول شاخک می‌توانند برای ارائه سطوح بهره مختلف طراحی شوند.
ساختار نسبتاً ساده
در مقایسه با بسیاری از معماری‌های پیچیده آنتن‌های با بهره بالا، آنتن‌های شیپوری معمولی از نظر مکانیکی ساده و مقاوم هستند.
مناسب برای اندازه‌گیری فرکانس بالا
معماری مبتنی بر موجبر آنها، آنتن‌های شیپوری را به ویژه در سیستم‌های اندازه‌گیری مایکروویو و موج میلی‌متری ارزشمند می‌کند.
۷. ملاحظات و محدودیت‌های طراحی
آنتن‌های شیپوری همچنین شامل چندین بده‌بستان مهندسی هستند.
بهره بالاتر معمولاً به دیافراگم الکتریکی بزرگتری نیاز دارد که ممکن است ابعاد فیزیکی آنتن را افزایش دهد.
رابطه بین اندازه دیافراگم، طول شیپور و زاویه فلر نیز باید به دقت کنترل شود تا توزیع فاز قابل قبولی در سراسر دیافراگم حفظ شود.
در فرکانس‌های بسیار بالا، دقت ماشینکاری، کیفیت سطح، ابعاد موجبر و تراز فلنج به طور فزاینده‌ای اهمیت پیدا می‌کنند زیرا حتی خطاهای مکانیکی نسبتاً کوچک می‌توانند بخش قابل توجهی از طول موج را نشان دهند.
بنابراین مهندسان نه تنها باید بهره و محدوده فرکانس را ارزیابی کنند، بلکه موارد زیر را نیز باید در نظر بگیرند:
VSWR، قطبش، عملکرد قطبش متقاطع، پهنای پرتو، سطح لوب جانبی، رابط RF، مدیریت توان و تحمل مکانیکی.
۸. کاربردهای آنتن‌های شیپوری
به دلیل تابش جهت‌دار، ویژگی‌های پایدار و سازگاری با سیستم‌های موجبر، آنتن‌های بوقی به طور گسترده در موارد زیر استفاده می‌شوند:
- اندازه‌گیری بهره آنتن
- اندازه‌گیری الگوی تابش
- تست EMC و EMI
- سیستم‌های راداری
- ارتباطات مایکروویو و موج میلی‌متری
- تست آنتن ماهواره
- جهت‌یابی و نظارت
- اندازه‌گیری محفظه بدون پژواک
- تغذیه آنتن بازتابنده
- سیستم‌های تحقیقاتی و آزمایشگاهی RF
- کاربردهای کالیبراسیون و مرجع آنتن
طرح‌های بوقی پهن‌باند همچنین می‌توانند پهنای باند عملیاتی وسیعی را برای سیستم‌های اندازه‌گیری و نظارت فراهم کنند. به عنوان مثال، آنتن‌های بوقی پهن‌باند ۱۸ تا ۴۰ گیگاهرتز RF MISO برای کاربردهایی از جمله آزمایش مایکروویو، اندازه‌گیری آنتن، آزمایش آنتن ماهواره، یافتن جهت، نظارت و اندازه‌گیری‌های مرتبط با EMC مشخص شده‌اند.
نتیجه‌گیری
یک آنتن بوقی، موج الکترومغناطیسی هدایت‌شده را از طریق یک روزنه موجبر که به تدریج منبسط می‌شود، به تابش جهت‌دار در فضای آزاد تبدیل می‌کند.
ترکیب آن ازتطبیق امپدانس خوب، تابش جهت‌دار، ویژگی‌های پرتو قابل پیش‌بینی، بهره مفید و ساختار نسبتاً سادهاین امر، آنتن‌های بوقی را به یکی از مهم‌ترین ساختارهای آنتن در مهندسی مایکروویو و موج میلی‌متری تبدیل کرده است.
از بوق‌های قطاعی و هرمی گرفته تا طرح‌های مخروطی و پهن‌باند، ساختارهای مختلف را می‌توان برای محدوده‌های فرکانسی خاص، الزامات قطبش، سطوح بهره و محیط‌های اندازه‌گیری بهینه کرد.
برای مهندسانی که آنتن بوقی را انتخاب می‌کنند، محدوده فرکانسی تنها نقطه شروع است. بهره، VSWR، پهنای پرتو، قطبش، موجبر یا رابط کواکسیال، توان مصرفی و ابعاد مکانیکی همگی باید مطابق با الزامات کل سیستم RF ارزیابی شوند.
زمان ارسال: ۲۱ آگوست ۲۰۲۶
