هوائي بوق
هوائي البوق 'أو' 'مايكروفون البوق' هو أنتينا هوائي] يتكون من معدن متوهج والدليل الموجي على شكل مثل قرن صوتي | البوق]] لتوجيه موجات الراديوفي حزمة . تُستخدم الأبواق على نطاق واسع كهوائيات بترددات UHF و[[الأمواج الميكروية] ، فوق 300 ميجا هرتز.يتم استخدامها كـ هوائيات التغذية (تسمى أبواق التغذية) لهياكل هوائية أكبر مثل الهوائي بشكل البتر المكافئ ، وكهوائيات معايرة قياسية لقياس الكسب أوالربح للهوائيات الأخرى ، وكهوائيات توجيهية لأجهزة مثل مؤشر الرادار ، فتحات الأبواب الأوتوماتيكية ، ومقاييس إشعاع الميكروويف. مزاياها أنها معتدلة الاتجاه ، نسبة الموجة الدائمة (SWR) منخفضة ، عرض النطاق الترددي واسع ، والبناء والتعديل البسيط.
تم إنشاء واحدة من أوائل هوائيات البوق في عام 1897 من قبل باحث إذاعة البنغالية الهندية جاغاديش تشاندرا بوس في تجاربه الرائدة مع الأمواج الميكروية. تم اختراع هوائي البوق الحديث بشكل مستقل في عام 1938 من قبل ويلمر بارووجي سي ساوثوورث حفز تطوير الرادار في الحرب العالمية 2 أبحاث البوق لتصميم أبواق تغذية لهوائيات الرادار. أصبح البوق المموج الذي اخترعه كاي في عام 1962 على نطاق واسع كبوق تغذية لهوائيات الأمواج الميكروية مثل طبق الأقمار الصناعية والتلسكوب اللاسلكي.
من مميزات هوائيات البوق أنه نظرًا لعدم وجود عناصر رنانة لها ، فإنها يمكن حتى تعمل على نطاق واسع من الترددات ، وعلى نطاق واسع من عرض النطاق الترددي. فعرض النطاق الترددي القابل للاستعمال من هوائيات البوق هوعادة من 10: 1 ، ويمكن حتى يصل إلى 20: 1 (على سبيل المثال السماح لها بالعمل من 1 غيغاهرتز إلى 20 غيغاهرتز). تختلف ممانعةالدخل ببطء خلال مدى التردد الواسع هذا ، مما يتيح انخفاض نسبة الموجة الدائمة للجهد (VSWR) على عرض النطاق الترددي. يتراوح كسب هوائيات البوق إلى 25 ديسيبل ، مع 10-20 ديسيبل نموذجي.
الوصف
يتم استخدام هوائي البوق لنقل موجات الراديومن الدليل الموجي (أنبوب معدني يستخدم لنقل الموجات اللاسلكية) إلى الفضاء ، أولجمع موجات الراديوفي الدليل الموجي للاستقبال. يتكون عادةً من الأنبوب المعدني المستطيل أوالأسطواني (الدليل الموجي) ذوطول قصير ، مغلق في أحد الطرفين ، ويتوسع في بوق مفتوح مخروطي أوهرمي الشكل على الطرف الآخر. عادةً ما يتم إدخال الموجات الراديوية في الدليل الموجي بواسطة كبل متحد المحور موصول إلى الجانب ، مع تقدير الموصل المركزي في الدليل الموجي لتكوين هوائي ربع موجة أحادي القطب. ثم يتم بث الأمواج نهاية البوق في شعاع ضيق . في بعض المعدات ، يتم وصل الأمواج الراديوية بين المرسل أو المتلقي والهوائي بواسطة مرشد الموجة ؛ في هذه الحالة يتم إرفاق البوق بنهاية الدليل الموجي. في الأبواق الخارجية ، مثل أبواق التغذية من أطباق الأقمار الصناعية ، غالبًا ما تكون فوهة البوق المفتوحة مغطاة بطبقة بلاستيكية شفافة تسمح لأمواج الراديوبالمرور ، لاستبعاد الرطوبة.
كيفية العمل
يخدّم هوائي بوق بنفس الوظيفة لـ الموجة الكهرومغناطيسية التي يقوم بها | البوق الصوتي) لـ موجة صوتية في آلة موسيقية مثل بوق. حيث توفر بنية انتنطق تدريجي لتتوافق مع ممانعة للأنبوب مع مقاومة المساحة الحرة ، مما يتيح للأمواج من الأنبوب حتى تنتشر بكفاءة في الفضاء.
إذا تم استخدام مرشد موجي سهل مفتوح النهاية كهوائي ، بدون البوق ، فإن النهاية المفاجئة للجدران الموصلة تسبب تغييراً مفاجئًا في الممانعة في الفتحة ، من مقاومة الموجة في مرشد الموجة إلى مقاومة الموجة مساحة حرة ، (حوالي 377 أوم ). عندما تضرب موجات الراديوالتي تمر عبر الدليل الموجي الفتحة ، تعكس خطوة الممانعة هذه جزءًا كبيرًا من طاقة الأمواج وتتراجع إلى أسفل الدليل نحوالمصدر ، بحيث لا تبث القدرة بالكامل. يشبه هذا الانعكاس في خط نقل مفتوح الطرف أوحد بين الوسائط الضوئية ذات مؤشر الانكسار المنخفض ، كما هوالحال على سطح زجاجي. تسبب الموجات المنعكسة موجة دائمة في مرشد الموجة ، مما يزيد من SWR ، مما يؤدي إلى هدر الطاقة وربما زيادة درجة حرارة جهاز الإرسال. بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي الفتحة الصغيرة لدليل الموجة (أقل من طول موجة واحدة) إلى حدوث انحياز diffraction كبير للأمواج الصادرة منه ، مما ينتج عنه نمط إشعاع واسع دون توجيهاً كبيراً. لتحسين هذه الخصائص الضعيفة ، يتم توسيع نهايات أطراف الدليل الموجي لتشكيل بوق . يغير تدريج البوق الممانعة تدريجياً على طول البوق . هذا ما يشبه محول مطابقة الممانعة ، مما يسمح لمعظم طاقة الأمواج بالإنتشار في نهاية البوق في الفضاء ، مع الحد الأدنى من الانعكاس . تشابه وظائف التشقيق خط نقل مدرج ، أووسيط بصري مع مؤشرات الانكسار المتفاوتة على نحوسلس. بالإضافة إلى ذلك ، فإن فتحة البوق العريضة تظهر أوتنشر الأمواج في شعاع ضيق. شكل البوق الذي يعطي الحد الأدنى من القوة المنعكسة تعبير عن تدرج | أسي. تُستخدم أبواق الأسية في التطبيقات الخاصة التي تتطلب الحد الأدنى من فقدان الإشارة ، مثل هوائيات الأقمار الصناعية والتلسكوب الراديوي. ومع ذلك ، تستخدم الأبواق المخروطية والهرمية على نطاق واسع ، لأن لها جوانب مستقيمة وأسهل في التصميم والتصنيع.
نمط الإشعاع
تنتقل الأمواج عبر البوق كقابلات موجية كروية ، مع أصلها في قمة من البوق ، وهي نقطة تسمى مركز الطور. والنمط الكهربائي والمجال المغنطيسي في مستوى الفتحة عند فوهة القرن ، والذي يحدد نمط الإشعاع ، هونقل مطوّل للحقول في الدليل الموجي . نظرًا لأن قابلات الموجة كروية ، فإن | الطور) يزيد بسلاسة من حواف مستوي الفتحة إلى الوسط ، بسبب الاختلاف في طول النقطة المركزية ونقاط الحافة من نقطة القمة . يسمى الفرق في الطور بين النقطة المركزية والحواف "خطأ الطور" ، الذي يزداد بزاوية التوهج أوالتوسع، ويقلل من الكسب ويزيد أيضاً من عرض الحزمة ، مما يوفر للأابواق عروض حزمة أوسع من الهوائيات ذات الموجة المتشابهة الحجم مثل الأطباق ذات شكل البتر المكافئ. عند زاوية التوسع ، انخفض إشعاع البتر الشعاعي بمقدار 20 ديسيبل تقريبًا عن أقصى قيمة له.
مع زيادة حجم البوق (معبراً عنه بأطوال موجية) ، يزداد خطأ الطور ، مما يعطي للبوق نمط إشعاع أوسع . يحتاج الحفاظ على عرض الحزمة الضيق بوقاً أطول (زاوية إضاءة أصغر) للحفاظ على خطأ الطور ثابتًا. يحد خطأ الطور المتزايد من حجم فتحة الأبواق العملية إلى حوالي 15 طول موجة ؛ فتحات أكبر تتطلب أبواق طويلة لكن غير عملية. هذا ما يحد من كسب الأبواق العملية إلى حوالي 1000 (30 ديسيبل) والحد الأدنى اللقاء عرض الحزمة إلى حواليخمسة -عشرة °.
أنواعه
فيما يلي الأنواع الرئيسية من هوائيات البوق . يمكن حتىقد يكون للأبواق زوايا توسع مختلفة وكذلك منحنيات تمدد مختلفة (إهليلجية ، زائدية ، وما إلى ذلك) في اتجاهات المجال E والمجال H- ، مما يتيح مجموعة واسعة من التشكيلات الجانبية المتنوعة.
- "بوق هرمي" (أ ، يمين) - هوائي البوق بشكل هرم من أربعة جوانب ، مع مبتر عرضي بشكل مستطيل . إنها نوع رائج يستخدم مع مرشد الموجة المستطيلة ، ويصدر أمواج الراديوالمستقطبة خطيًا.
-
بوق قطاعي '- بوق هرمي به زوج متوسع في واحد من الجانبين والآخر موازٍ . وتنتج شعاعًا على شكل مروحة ، وهوضيق في مستوى الجوانب المتوسعة ، ولكنه واسع في مستوى الجوانب الضيقة . غالبًا ما تستخدم هذه الأنواع في أبواق التغذية لهوائيات البحث الرادارية.
- 'E- بوق السطح المستوي' '(ب) - بوق قطاعي توسع في الاتجاه الكهربائي أو E- المجال في الدليل الموجي.
- 'H-بوق السطح المستوي' '(c) - بوق قطاعي توسع في الاتجاه المغناطيسي أو H- المجال في الدليل الموجي.
- "بوق مخروطي" (د) - بوق على شكل مخروط ، مع مبتر عرضي دائري. يتم استخدامها مع الدليل الموجي الأسطواني.
- "بوق الأسي" (هـ) - بوق ذوجوانب منحنية ، يزداد فيه فصل الجانبين كدالة أسية للطول. يُطلق عليها أيضًا "بوق عددي" "" "" ، ويمكن حتىقد يكون لها مقاطع عرضية هرمية أومخروطية. للأبواق الأسية حد أدنى من الانعكاسات الداخلية ، وممانعة ثابتة تقريبًا وخصائص أخرى على مدى تردد واسع. يتم استخدامها في التطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا ، مثل أبواق التغذية لهوائيات الأقمار الصناعية للاتصالات والتلسكوبات الراديوية.
- البوق المموج '- بوق به فتحات أوأخاديد متوازية ، صغيرة مقارنة بطول الموجة ، وتغطي السطح الداخلي للبوق ، وعرضًا للمحور. للأبواق المموجة عرض نطاق ترددي عريض وأقل جانبياً واستقطاب متقاطع ، وتستخدم على نطاق واسع كأبواق تغذية لـ أطباق الأقمار الصناعية وتلسكوب لاسلكي.
- 'بوق مخروطي ثنائي الوضع' - (بوق بوتر) ) يمكن استعمال هذا البوق لاستبدال البوق المموج لاستخدامه في الأطوال الموجية الفرعية مم حيثقد يكون القرن المموج كثير الضياعات ويصعب تصنيعه.
- "بوق قطري" - يظهر هذا البوق البسيط ذوالوضع المزدوج وكأنه بوق هرمي به فتحة إخراج مربعة . عند الفحص الدقيق ، يُرى حتى فتحة الخرج المربعة تدور 45 درجة بالنسبة إلى الدليل الموجي. عادة ما يتم تشكيل هذه الأبواق إلى كتل مقسمة وتستخدم في أطوال موجية دون الميليمتر.
- "البوق ذوالقمة" - بوق هرمي ذوتلال أوزعانف متصلة بداخل القرن ، ويمتد إلى أسفل وسط الجانبين. تقلل الزعانف من تردد البتر ، مما يزيد من عرض نطاق الهوائي.
- "بوق الحاجز" - بوق مقسم إلى عدة قرون بواسطة أقسام معدنية (الحاجز) بداخله ، متصلة بجدران متقابلة.
- "بوق محدود الفتحة" - "قرن ضيق طويل ، طويل بما فيه الكفاية بحيثقد يكون خطأ الطور جزءًا ضئيلًا من الطول الموجي, لذلك فهويشع على شكل سطح مستوي . لها كفاءة في الفتحة تبلغ 1.0 ، وبالتالي فهي تعطي أقصى قدر من الربح والحد الأدنى لعرض الحزمة لحجم فتحة معينة. لا يتأثر الربح بالطول ولكن يقتصر فقط على الانحياز عند الفتحة. يستخدم كأبواق التغذية في التلسكوبات الراديوية وغيرها من الهوائيات عالية الدقة.
البوق الأمثلي
لتردد وطول بوق معينين ، هناك بعض من زاوية التوسع التي تعطي الحد الأدنى من الانعكاس والحد الأقصى للربح . وتأتي الانعكاسات الداخلية في الأبواق ذات الجوانب المستقيمة من مسقطين على طول مسار الموجة حيث تتغير الممانعة فجأة ؛ الفوهة أوفتحة البوق ، وعنقه حيث تبدأ الجوانب في التوسع. يختلف مقدار الانعكاس في هذين المسقطين مع "زاوية التوسع" للبوق (الزاوية التي تصنعها الجوانب مع المحور). في الأبواق الضيقة مع زوايا توسع صغيرة يحدث معظم الانعكاس عند فوهة البوق .قد يكون كسب الهوائي منخفضًا لأن الفوهة الصغيرة تقترب من مرشد موجه مفتوح. مع زيادة الزاوية ، يحدث الانعكاس عند الفوهة بسرعة ويزيد كسب الهوائي. على النقيض من ذلك ، في أبواق واسعة مع زوايا توسع تقترب من 90 درجة معظم الانعكاس في عنق البوق. كسب البوق منخفض مرة أخرى لأن العنق يقترب من الدليل الموجي المفتوح. مع انخفاض الزاوية ، تنخفض كمية الانعكاس في هذا المسقط ، ويزداد كسب البوق مرة أخرى. توضح هذه المناقشة حتى هناك بعض زاوية التوهج بين 0 ° و90 ° مما يعطي أقصى كسب وأقل انعكاس. هذا ما يسمى بالبوق الأمثلي حيث تم تصميم هوائيات البوق الأكثر عملية كأبواق مثالية في البوق الهرمي ، والأبعاد التي تعطي البوق الأمثل هي :
بالنسبة للبوق المخروطي ، فإن الأبعاد التي تعطي البوق الأمثل هي:
حيث
- aE هوعرض الفتحة في اتجاه المجال E
- aHهوعرض الفتحة في اتجاه المجال H
- LEهوالطول المائل للجانب في اتجاه المجال E
- LH هوالطول المائل للجانب في اتجاه المجال H.
- d هوقطر الفتحة بوق أسطواني
- L هوالطول المائل للمخروط من القمة.
- λ هوطول الموجة
لا يؤدي البوق الأمثل إلى تحقيق أقصى كسب لـ "حجم فتحة" معين. ويتحقق ذلك مع وجود بوق طويل جدًا (وهو"فتحة محدودة"). يعطي البوق الأمثل أقصى كسب للبوق المحدد "الطول" . وترد الجداول التي تبين أبعاد الأبواق الأمثلية لمختلف الترددات في كتيبات الأمواج الميكروية .
الربح
يكون للأبواق خسارة قليلة جدًا ، وبالتالي فإن اتجاهية البوق تساوي تقريبًا الربح. الربح G لهوائي بوقي هرمي (نسبة كثافة الطاقة المشعة على طول محور الشعاع إلى شدة هوائي متباين الخواص] بنفس قدرة الدخل ) هي:
بالنسبة للأبواق المخروطية ، فإن الربح هو:
حيث
- A هي مساحة الفتحة,
- d هوقطر فتحة بوق مخروطي
- λ هوطول الموجة,
- eA هوبارامتر غير محدد بين 0 و1 تسمى "كفاءة الفتحة,
تتراوح كفاءة الفتحة من 0.4 إلى 0.8 في هوائيات البوق العملية. لأبواق هرمية أمثلية , eA = 0.511., بينما للأبواق المخروطية الأمثلية eA = 0.522. لذلك غالبا ما يستخدم الرقم التقريبي 0.5. تزداد كفاءة فتحة العدسة مع طول البوق ، وبالنسبة للأبواق محدودة الفتحة فهي موحدة تقريبًا.
هوائي البوق العاكس
يُعهد نوع الهوائي الذي يجمع بين البوق مع عاكس على شكل بتر مكافئ باسم هوائي البوق ، أوهوائي عاكس البوق ، الذي اخترعه ألفريد سي بيك وهارالد تي. فريس في عام 1941 وقام بتطويره ديفيد سي. هوغ في مختبرات بيل في عام 1961. ويشار إليها أيضًا باسم "مغرفة السكر" نظرًا لشكلها المميز. وهويتألف من هوائي البوق مع عاكس مثبت في فوهة البوق بزاوية 45 درجة بحيث تكون الحزمة المشعة في زوايا قائمة على محور البوق. العاكس هوجزء من العاكس على شكل بتر المكافئ ، ويكون محور العاكس في قمة البوق ، وبالتالي فإن الجهاز يعادل هوائي مكافئ خارج المحور. تتمثل ميزة هذا التصميم زيادة على الهوائي المكافئ القياسي في حتى البوق يحمي الهوائي من الإشعاع الصادر من زوايا خارج محور الشعاع الرئيسي ، وبالتالي فإن نمط الإشعاع الخاص به صغير جدًا القسم الجانبي. أيضًا ، لا يتم سد الفوهة جزئيًا عن طريق التغذية ونادىئمها ، كما هوالحال مع صحون التغذية الأمامية الاعتيادية ذات البتر المكافئ ، مما يسمح لها بتحقيق كفاءة الفتحة بنسبة 70٪ لقاء 55-60٪ للصحون ذات التغذية الأمامية. السيئة هنا هي أنه أكبر بكثير وأثقل بالنسبة لمنطقة فتحة معطاة من صحن البتر مكافئ ، ويجب حتى يتم تثبيته على القرص الدوار الثقيل والبطيئ ليكون قابل للتوجيه بالكامل. تم استخدام هذا التصميم لعدد قليل من هوائيات التلسكوب الراديوي وفضائي الاتصالات الأرضي خلال الستينيات. ومع ذلك ، كان أكبر استخدام لهوائيات ثابتة لوصلات أبدال الأمواج الميكروية في شبكة الميكروويف AT&T Long Lines.. منذ سبعينيات القرن الماضي ، تم استبدال هذا التصميم بتغطية هوائيات الصحن المكافئ ، والتي يمكنها تحقيق أداء جانبي جيد على قدم المساواة مع بنية مدمجة أكثر إحكاما. من المحتمل حتىقد يكون المثال الأكثر شهرة هوطول 15 مترًا ([Holmdel Horn Antenna]) في Bell Labs في Holmdel ، نيوجيرسي ، حيث اكتشف Arno Penzias و Robert Wilson إشعاع الأمواج الميكروية الخلفية في عام 1965 ، وفازوا عام 1978 بجائزة نوبل في الفيزياء. هناك تصميم آخر أكثر عاكسية للبوق وهوcass بوق ، وهوتعبير عن مزيج مع هوائي مكافئ كاسيسيجرين باستخدام عاكسين.
للاستزادة
- Holmdel Horn Antenna
- Microwave Radiometer (Juno) (يستخدم هوائي بوق واحد لرصد كوكب المشتري)
روابط خارجية
- Horn Antennas Antenna-Theory.com
- "KS-15676 Horn-Reflector Antenna Description" (PDF). Bell System Practices, Issue 3, Section 402-421-100. AT&T Co. September 1975. on Albert LaFrance [long-lines.net] website
- , filed November 26, 1941, Alfred C. Beck, Harold T. Friis on Google Patents
- Horn Antenna Calculator: Free online software tool to compute the radiation pattern of a variety of horn antennas.
المراجع
- ^ Bevilaqua, Peter (2009). "Horn antenna - Intro". Antenna-theory.com website. Retrieved 2010-11-11.
- ^ Poole, Ian. "Horn antenna". Radio-Electronics.com website. Adrio Communications Ltd. Retrieved 2010-11-11.
- ^ Narayan, C.P. (2007). . Technical Publications. p. 159. ISBN .
- ^ Rodriguez, Vincente (2010). "A brief history of horns". In Compliance Magazine. Same Page Publishing. Retrieved 2010-11-12.
- ^ Emerson, D. T. (December 1997). . IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 45. pp. 2267–2273. Bibcode:1997imsd.conf..553E. CiteSeerX 10.1.1.39.8748. doi:10.1109/MWSYM.1997.602853. ISBN . Retrieved March 15, 2012. reprinted in Igor Grigorov, Ed., Antentop, Vol.2, No.3, p.87-96, Belgorod, Russia
- ^ Southworth, G. C.; King, A. P. (March 1939). "Metal Horns as Directive Receivers of Ultra-Short Waves". Proceedings of the IRE. 27 (2): 95–102. doi:10.1109/JRPROC.1939.229011.
- ^ Barrow, W. L.; Chu, L. J. (February 1939). "Theory of the Electromagnetic Horn". Proceedings of the IRE. 27 (1): 51–64. doi:10.1109/JRPROC.1939.228693. Retrieved October 28, 2015.
- ^ , filed: December 10, 1946, granted: April 19, 1949
- ^ Olver, A. David (1994). . USA: IET. pp. 2–4. ISBN .
- ^ Graf, Rudolf F. (1999). . USA: Newnes. p. 352. ISBN .
- ^ Stutzman, Warren L.; Gary A. Thiele (1998). . USA: J. Wiley. p. 299. ISBN .
- ^ Bakshi, K.A.; A.V. Bakshi, U.A. Bakshi (2009). . Technical Publications. pp. 6.1–6.3. ISBN .
- ^ Goldsmith, Paul F. (1998). . USA: IEEE Press. pp. 173–174. ISBN .
- ^ Meeks, Marion Littleton (1976). . USA: Academic Press. p. 11. ISBN .
- ^ Potter, P.D. (1963). "A new horn antenna with suppressed sidelobes and equal beamwidths". Microwave J. 6: 71–78.
- ^ Johansson, Joakim F.; Whyborn, Nicholas D. (May 1992). "The Diagonal Horn as a Sub-Millimeter Wave Antenna". IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 40 (5): 795–800. Bibcode:1992ITMTT..40..795J. doi:10.1109/22.137380.
- ^ Tasuku, Teshirogi; Tsukasa Yoneyama (2001). . USA: IOS Press. pp. 87–89. ISBN .
- ^ Narayan 2007, p. 168
- ^ , filed November 26, 1941, Alfred C. Beck, Harold T. Friis on Google Patents
- ^ Crawford, A.B.; D. C. Hogg; L. E. Hunt (July 1961). "Project Echo: A Horn-Reflector Antenna for Space Communication" (PDF). Bell System Technical Journal. 40 (4): 1095–1099. doi:10.1002/j.1538-7305.1961.tb01639.x. on Alcatel-Lucent website
- ^ Meeks, 1976, p.13
- ^ Pattan, Bruno (1993). . USA: Springer. p. 275. ISBN .
- ^ "KS-15676 Horn-Reflector Antenna Description" (PDF). Bell System Practices, Issue 3, Section 402-421-100. AT&T Co. September 1975. Retrieved 2011-12-20. على مسقط Albert LaFrance [long-lines.net]
- ^ Downs, J. W. (1993). . Courier. pp. 49–50. ISBN .