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Página 1 VII Curso Superior de Telecomunicación Militar Antenas de Apertura. ANT -5- 1 Bocinas Bocinas Rectangulares Lisas Corrugadas Bocinas Cónicas Lisas Corrugadas Bocinas Multimodo Análisis Modal Centro de Fase ANT -5- 2 Bocinas Rectangulares Las antenas de bocina son muy utilizadas en las bandas de frecuencia de microondas porque proporcionan alta ganancia, baja onda estacionaria, ancho de banda relativamente grande y son relativamente fáciles de construir. Además los cálculos teóricos concuerdan muy exactamente con las medidas de sus parámetros eléctricos. Las bocinas rectangulares se alimentan con una guía rectangular que se orienta normalmente para su análisis con la cara ancha horizontal. El modo dominante en la guía (TE 10 ) tiene entonces el campo eléctrico vertical (plano E) y el campo magnético horizontal (plano H). Si la bocina ensancha la cara ancha de la guía sin cambiar las dimensiones de la cara estrecha se le llama Bocina Sectorial Plano H. Si la bocina sirve para ensanchar las dimensiones del plano E se llama Bocina Sectorial Plano E. Cuando se ensanchan ambas dimensiones se habla de una Bocina Piramidal.

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Página 1VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 1

Bocinas

• Bocinas Rectangulares

– Lisas

– Corrugadas

• Bocinas Cónicas

– Lisas

– Corrugadas

• Bocinas Multimodo

• Análisis Modal

• Centro de Fase

ANT -5- 2

Bocinas Rectangulares

Las antenas de bocina son muy utilizadas en las bandas de frecuencia de microondas porque proporcionan alta ganancia, baja onda estacionaria, ancho de banda relativamente grande y son relativamente fáciles de construir. Además los cálculos teóricos concuerdan muy exactamente con las medidas de sus parámetros eléctricos.

Las bocinas rectangulares se alimentan con una guía rectangular que se orienta normalmente para su análisis con la cara ancha horizontal.

El modo dominante en la guía (TE10) tiene entonces el campo eléctrico vertical (plano E) y el campo magnético horizontal (plano H).

Si la bocina ensancha la cara ancha de la guía sin cambiar las dimensiones de la cara estrecha se le llama Bocina Sectorial Plano H.

Si la bocina sirve para ensanchar las dimensiones del plano E se llama Bocina Sectorial Plano E.

Cuando se ensanchan ambas dimensiones se habla de una Bocina Piramidal.

Página 2VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 3

Bocinas Rectangulares

E

E

E

Plano H

Plano E

Piramidal

ANT -5- 4

Bocina Sectorial Plano H

y o-j z

E = Ex

ae gcos

π βx

y

g

H = -E

Zdonde

g2

Z = 1- (2a

)ηλ

son la cte de fase y la impedancia característica de la guía.

a

b

bA

xy

z

Los campos transversales en la guía correspondientes al modo TE10 valen:

La bocina sectorial de la figura se alimenta desde una guía rectangular de dimensiones a y b siendo a la dimensión de la cara ancha. La apertura tiene un ancho A en el plano H y una altura b en el plano E.

ααααΗΗΗΗ R1111

R x

RH

a

lHTE10

g o= 1-

2aβ β

λ

2

Página 3VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 5

Bocina Sectorial Plano HLos campos que llegan a la apertura son fundamentalmente una versión expandida de los campos en la guía. De hecho la zona abocinada se comporta como una guía sectorial que soporta una onda cilíndrica en la que el campo eléctrico tangencial sobre las paredes laterales se anula.

Esto hace que los campos que llegan a los distintos puntos de la apertura plana no estén en fase debido a la curvatura del frente de fase cilíndrico.

La constante de fase cambia desde el valor en la guía hasta el valor en espacio libre conforme la onda progresa a lo largo de la bocina sobre todo si la boca es eléctricamente grande

g o o= 1-

2Aβ β

λβ

2

La variación de fase en la apertura es uniforme en la dirección y.

La variación de fase en la apertura en la dirección x es:( )

ej R R− −β0 1

ANT -5- 6

Bocina Sectorial Plano H

R puede aproximarse mediante:

R = R + x = R 1+x

RR 1+

1

2

x

R

2

12

1

1/22

1

1

2

1

si x << R1 es decir si A/2 << R1.

Entonces será: R Rx

R− ≈1

2

1

1

2

Suponiendo que la distribución de amplitud tiene la misma forma que la de la guía tendremos que el campo eléctrico en la apertura será:

ay-j( / R )x

E = Ex

Ae0

20 12

cosπ β

y cero en el resto del plano de apertura.

ααααΗΗΗΗ R1111

R x

RH

a

lH

Página 4VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 7

Bocina Sectorial Plano H

La integral de radiación, de tipo separable, vale:

y o

-A /2

A /2

-j( / 2R )x j ux

-b /2

b/2

j vyP = E

x

Ae e dx e dy1

2

∫ ∫′

′ ′′ ′ ′cos

π β β β

donde u =

v =

sin cos

sin sin

θ φ

θ φ

La integral de radiación anterior puede reducirse a la expresión:

y o1

P = E1

2

RI( , ) b

[( b / 2) ]

( b / 2)

π

βθ φ

β θ φ

β θ φ

sin sin sin

sin sin

donde los factores entre corchetes corresponden a cada una de las integrales.

ANT -5- 8

Bocina Sectorial Plano H

El primer factor implica la función:

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]

I e C s jS s C s jS s

e C t jS t C t jS t

j R A

j R A

θ φβ β θ φ π

β β θ φ π

,sen cos

sen cos

= ′ − ′ − ′ + ′

+ ′ − ′ − ′ + ′

+

12

12

2

2 2 1 1

2

2 2 1 1

siendo:

1

1

11

s =1

R-

A

2- R u -

R

A′

πβ

ββ

π2

1

11

s =1

R

A

2- R u -

R

A′

πβ

ββ

π

1

1

11

t =1

R-

A

2- R u +

R

A′

πβ

ββ

π2

1

11

t =1

R

A

2- R u +

R

A′

πβ

ββ

π

Las funciones C(x) y S(x) son las integrales de Fresnel definidas como:

C(x) =2

d S(x) =2

d0

x

2

0

x

2∫ ∫

cos , sin

πτ τ

πτ τ

Página 5VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 9

Bocina Sectorial Plano H

El campo eléctrico de radiación total vale entonces:

rE = j E b

R e

4 r

1+

2( e + )

e [( b / 2) e e ]

( b / 2) e eI( , )

o1

-j r

βπ

β π

θθ φ φ φ

β θ φ

β θ φθ φ

β cos $ s n $ cos

s n s n s n

s n s n

×

Veamos los diagramas en los planos principales. En el plano E, (φ φ φ φ = 90 ), la forma normalizada de la expresión anterior es:

EF ( )1+

2

e [( b / 2) e ]

( b / 2) eθ

θ β θ

β θ=

cos s n s n

s n

que se corresponde con el diagrama de una fuente lineal uniforme (función sinc) como era de esperar dada la distribución tipo pulso según y. En el plano H, (φφφφ=0), el diagrama normalizado es:

HF ( ) =1+

2

I( , = 0)

I( = 0, = 0)θ

θ θ φ

θ φ

cos

ANT -5- 10

Bocina Sectorial Plano H

Los diagramas de radiación normalizados en el plano H se suele expresar en forma de diagramas de radiación universales en función del máximo error de fase en la apertura, cuyo valor se da para x=A/2.

δβ

=2R

x2

1

maxδβ

πλ

π=2R

A

2= 2

A

8 R2 t

2 2

1 1

=

donde t es el error de fase expresado en vueltas (múltiplo 2ππππ radianes):

tA

8 R

2

=λ 1

Los diagramas normalizados se dibujan para diversos valores de t sin incluir el factor (1+cos(θθθθ))/2 para que los diagramas tengan caracter universal (sean válidos para cualquier A).

Página 6VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 11

Bocina Sectorial Plano H

Los diagramas universales plano H se representan en función de (A/λλλλ)sen θθθθ, con el error de fase como parámetro, mientras que la sinc del plano E está trazada en en función de (b/λλλλ)sen θθθθ.

Si el error de fase es despre-ciable (t ≈≈≈≈ 0) el diagrama plano H corresponde a la boca de una guía abierta con iluminación tipo coseno.

Errores de fase cuadrático pequeños elevan el nivel del lóbulo adyacente rellenando el nulo entre éste y el principal.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

40

35

30

25

20

15

10

5

0

1/2

1/4

1/8

1/64

(A/λλλλ)sen θ θ θ θ (Plano H)

(b/λ)λ)λ)λ)sen θ θ θ θ (Plano E)

dB

Plano E 3/8

t=3/4

ANT -5- 12

Bocina Sectorial Plano H

La directividad DH se obtiene integrando la potencia en la apertura. En la figura se han trazado valores de λλλλ DH/b en función de A/λλλλ para diversos valores de R1/λλλλ

Para cada valor de R1 hay un valor óptimo de ancho de apertura A que se corresponde con el máximo de la curva correspondiente.

Para una longitud axial dada al incrementar el ancho de la boca la directividad aumenta al incrementarse el área de apertura. Sin embargo se incrementa también el error de fase en la apertura que, más allá de un valor óptimo, cancela el incremento de directividad producido por el incremento de apertura.0 5 10 15 20 25

20

40

60

80

100

120

140

λλ λλD

H/b

A/λλλλ

R1/λλλλ=100

50

20

10

30

75

Página 7VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 13

Bocina Sectorial Plano H

Las anchuras óptimas satisfacen la ecuación: A = 3 R1λ

Estas bocinas óptimas tiene un error de fase de: opt

2

1

t =A

8 R=

3

y una anchura de haz a -3 dB de (para A >> λλλλ):

HHPBW 1.36A

(rad) = 78A

(grados)≈λ λ

Las bocinas que cumplen esta condición reciben el nombre de “bocinas óptimas” porque cumplen la condición de ser las más cortas que alcanzan una ganancia dada

ANT -5- 14

Bocina Sectorial Plano E

Se forma ensanchando la guía en el plano E como indica la figura.

TE10b

a

B

a

y

x

z

a

b

B

ααααΕΕΕΕ R2222

R y

RE

b

lE

B

El modo cilíndrico excitado dentro de la zona abocinada posee frentes de fase R2=cte, siguiendo las lineas de campo en este caso la misma curvatura ya que el campo es normal a las superficies abocinadas. Si ααααE es pequeño ααααE ≈ ≈ ≈ ≈ y, y ^ ^

ααααΕΕΕΕ^

Página 8VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 15

Bocina Sectorial Plano E

razonando como para la bocina plano H, el campo en la apertura puede aproximarse como:

ay o-j( / 2R )y

E = Ex

ae 2

2

cosπ β

El campo de radiación producido es:

E = j E4a R e

4 r

1+

2( + )

[( a / 2)u]

1- [( a / )u][C(r ) - jS(r ) - C(r ) + jS(r )]

o2

-j r

2 2 2 1 1

βπ

π

β π

θθ φ φ φ

β

β π

β cos $ sin $ cos

cos

×

donde:

1

2

2 2

2

2r =R

-B

2- R v , r =

R

B

2- R v

β

π

β

π

ANT -5- 16

Bocina Sectorial Plano E

El diagrama de radiación normalizado en el plano H ,(φφφφ= 0), que corresponde una distribución de tipo coseno sin error de fase, vale:

H 2F ( ) =1+

2

[( a / 2) ]

1- [( a / ) ]θ

θ β θ

β π θ

cos cos sin

sin

δβ

= (2R

) y2

2maxδ π

λπ= 2 (

B

8 R) = 2 s

2

2

lo que permite definir el parámetro s de error de fase (expresado en vueltas) como:

s =B

8 R

2

Para el Plano E, el error máximo de fase se produce en y = ± B/2 y vale:

Página 9VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 17

Bocina Sectorial Plano E

El diagrama normalizado del plano E (plano φφφφ=90) vale finalmente :

|F ( )|=1+

2

[C(r ) - C(r ) ] + [S(r ) - S(r ) ]

4[C (2 s) + S (2 s)]E

1/2

4 32

4 32

2 2θ

θcos

donde:

3r = 2 s -1-1

4s

B

λθsin

4r = 2 s 1-

1

4s

B

λθsin

Los diagramas de radiación universales para el plano E para diversos valores de s se dibujan en la figura adjunta.

El diagrama plano H se representa en función de a/λλλλ sen θθθθ .

Estos diagramas universales no incluyen el “factor de oblicuidad” (1+cos(θθθθ))/2 que aparece en las expresiones de los campos radiados.

ANT -5- 18

Bocina Sectorial Plano E

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

40

35

30

25

20

15

10

5

0

B/λλλλ sen θ θ θ θ (Plano E)

1/64

1/8

1/4 s=1/2

3/8

a/λλλλ sen θ θ θ θ (Plano H)

dB

Plano H

En el Plano E cuando el error de fase es despreciable el lóbulo secundario lateral se situa a -13.5 dB (iluminación tipo pulso).

Conforme crece el error de fase el nivel de este lóbulo aumenta, rellenándose simultáneamente los nulos.

Página 10VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 19

Bocina Sectorial Plano E

La directividad DE se obtiene integrando la potencia en la apertura. En la figura se han trazado valores de λλλλ DE/a en función de B/λλλλ para diversos valores de R2/λλλλ

De nuevo aquí, para cada valor de R2 hay un valor óptimo de altura B que hace la ganancia máxima.

B = 2 R2λ

al que corresponde un error de fase s:

op

2

2

s =B

8 R=

1

y una anchura de haz a -3dB de:

EHPBW 54B

(grados)≈λ

0 5 10 15 20 25

20

40

60

80

100

120

140

λλ λλD

E/a

R2/λλλλ=100

50

20

10

B/λλλλ

75

30

ANT -5- 20

Bocina Piramidal

Es la forma más común de bocina rectangular. Como muestra la figura se ensancha tanto en el plano E como en el H, lo que permite radiar haces estrechos en ambos planos.

Página 11VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 21

Bocina Piramidal

El campo eléctrico en la apertura se obtiene como combinación de los resultados para las sectoriales plano E y H:

a o

-j( /2)(x /R +y /R )E = y E

x

Ae

21

22

r$ cos

π β

La distribución de campo en la apertura es de tipo separable y coincide para cada plano principal con las propias de las bocinas sectoriales plano E y plano H.

De esto modo el diagrama plano E de la bocina piramidal puede obtenerse de los diagramas universales de las bocinas sectoriales plano E y el diagrama plano H de los diagramas universales de las sectoriales plano H.

ANT -5- 22

Bocina Piramidal

La directividad de la bocina piramidal se puede demostrar que vale:

p E HD =32 A

DB

Dπ λ λ

donde los términos entre paréntesis se obtienen de las curvas de directividad de las bocinas sectoriales sustituyendo a por A y b por B.

Los valores de ganancia obtenidos con la expresión anterior coinciden relativamente bien con las medidas. Incluyen los campos de óptica geométrica y los difractados en los bordes de las bocinas. La inclusión de términos de difracción múltiple y de reflexiones del interior de la bocina producen pequeñas oscilaciones de la ganancia en función de la frecuencia, entorno a los valores predichos por la expresión anterior.

Esto se puede detectar a través de medidas que ponen de manifiesto errores respecto a la fórmula presentada que no suelen superar los 0,3 dB.

Página 12VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 23

Bocina Piramidal

El diseño de una bocina piramidal requiere que su garganta coincida con la guía rectangular de alimentación para lo que se requiere que:

E H PR = R R=

Las bocinas piramidales se suelen utilizar como patrones de comparación en las medidas de ganancia. En este caso suelen construirse bajo la condición de que sean óptimas (mínimas dimensiones para máxima ganancia), esto es:

A = 3 R1λ B = 2 R2λ

La apertura efectiva de estas bocinas piramidales óptimas vale aproximada-mente el 50 % de su apertura física, de modo que:

G =4

A =1

2

4(AB)ap 2 p 2ε

π

λ

π

λ

“Condición de Realizabilidad”

ANT -5- 24

Bocinas Piramidales Corrugadas

Las corrugaciones se diseñan de modo que se cumpla que:� t << w� (t+w) ≤≤≤≤ λλλλ0/4� λλλλ0000/4 < d < 0,375λλλλ0 0 0 0 ((((Reactancia fuertemente capacitiva en el plano interno de la bocina)

El uso de corrugaciones en las paredes perpendiculares al campo E en una bocina piramidal, tales como las de la figura, reduce las corrientes longitudinales sobre dichas paredes, forzando un campo en la apertura que sigue una ley de amplitud tipo coseno en ambos planos.

Página 13VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 25

BPC:Campo en la Apertura

( )( )[ ]rE y

ax

bx e

j kx R R y

=

− +$ cos cos

π π

1 1

221 2

2

b1

a1

y

x

ANT -5- 26

BPC:Diagrama de Radiación

Para obtener los diagramas de radiación plano E y plano H deben utilizarse así los diagramas universales normalizados de las bocinas sectoriales plano H, utilizando como variables A y t los siguientes valores:– Para el Plano E: b1 y t2=b1

2/8λλλλR2

– Para el Plano H: a1 y t1=a12/8λλλλR1

Se logrará el diseño de una antena “óptima” (máxima ganancia para mínimas dimensiones) aplicando a ambas dimensiones de la apertura las condiciones derivadas para la bocina sectorial plano H

b = 3 R1 2λ

11

2

opt

1

t =a

8 R=

3

8λa = 3 R11 λ

21

2

2

optt =b

8 R=

3

Página 14VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 27

BPC:Diagrama de Radiación

t=0.65

t=1.2

El diagrama en el plano E posee lóbulos de menor nivel que la bocina de pared lisa equivalente (“Control Horn” en la figura).

Funcionan además relativamente bien con grandes errores de fase tal como puede verse en las figuras.

ANT -5- 28

Bocinas Cónicas

x

y

z

θθθθ

φφφφ

r

φφφφ´

a

( ) ( )ap apx apyE = xE r y E r r ar

$ , $ ,′ ′ + ′ ′ ′ ≤φ φ

Por tanto:

( )r r r

P = E r e dSap

j r r

Sa

′ ′ ′⋅ ′

∫∫ ,$

φ β

donde:

( ) ( )$ sen cos cos sen sen sen cosr r r r⋅ ′ = ′ ′ + ′ = ′ − ′r

θ φ φ φ φ θ φ φ

( ) ( )( ) ( )rP = xE r y E r e d r drapx apy

ja

$ , $ ,sen cos

′ ′ + ′ ′ ′

′ ′− ′

∫∫ φ φ φβ θ φ φπ

0

2

0

En este caso la apertura radiante es circular. En la figura se muestran los parámetros geométricos necesarios para su estudio.

El campo en la apertura expresado en función de r’ y φφφφ’ valdrá en general:

y en consecuencia:

Página 15VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 29

Bocinas Cónicas de Pared Lisa

x

y

z

a

r´φφφφ´

Son la prolongación natural de una guía circular.El campo en la apertura se aproxima por la distribución de amplitud del modo fundamental (TE11) de la guía expandido sobre el radio de la apertura, y una distribución esférica de fase, como si el campo emanase del vértice del cono.

ap apx apyE = E x E yr

$ $+

( ) ( )( )( )

( ) ( ) ( )[ ] ( )( )

apx

j r L

apy

j r L

E E J K r e

E E J K r J K r e

= ′ ′

= ′ − ′ ′

− ′

− ′

0 2 11

0 0 11 2 11

2

2

2

2

sen

cos

φ

φ

π λ

π λ

L

donde E0 es una constante, L es la altura del cono, J0

y J2 son las funciones de Bessel y K11=1.8412/a.

Las integrales del campo de radiación solo pueden expresarse analíticamente si no hay “error de fase” en la apertura ( L=infinito o αααα=0).

αααα

ANT -5- 30

Diagramas Universales

Definiendo el error de fase máximo como los diagramas de radiación universales plano E y H, sin incluir el factor de oblicuidad, son:

s a L= 2 2λ

( )2π λ θa sen ( )2π λ θa sen

Inte

nsid

ad

de C

am

po

Rela

tiva

Inte

nsid

ad

de C

am

po

Rela

tivas

a

L=

2

2λs

a

L=

2

Plano E Plano H

Página 16VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 31

Anchos de Haz, Eficiencia y XP

εεεεA (dB)

Ancho de Haz = 2θθθθAncho de Haz = 2θθθθ

( )2π λ θa sen ( )2π λ θa sen

Nivel del Máximo Contrapolar en el Plano φφφφ=45 para bocinas de bajo error de fase (S<0,1)A- Modelo de Chu (1er P.E.)B- M. Campo Eléctrico(2º P.E.) con medidas superpuestas.

dB

ANT -5- 32

Bocinas Cónicas Corrugadas

Para uniformizar el campo en la apertura, sobre todo en cuanto a pureza de polarización, se corrugan las paredes de la misma. El campo en la apertura que se consigue es un modo híbrido equilibrado HE11 que posee las siguientes propiedades:– Lineas de Campo rectas y paralelas (como las de la figura)– Variación de amplitud rotacionalmente simétrica, decreciente del centro hacia el borde, que se anula sobre éste.– Variación de fase propia del frente esférico con centro en el vértice del cono.

x

y

z

a

L

θθθθ0000 r´φφφφ´

ap

j r LE = y J

r

ae

r$

.0

2 405 2′

− ′π λ

d = λ 4

d

Página 17VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 33

Diagramas Universales

( )2π λ θa sen

sa

L=

2

Los diagramas de radiación son en este caso rotacionalmente simétricos, independientes del plano φφφφconsiderado.

Estas bocinas son ampliamente utilizadas como alimentadores en satélites y estaciones terrenas porque proporcionan una alta eficiencia global y poseen baja radiación contrapolar (máximo<-35dB), en una banda de frecuencias del orden de 1/2 octava.

λ λ4 3 8≤ ≤d

ANT -5- 34

Anchos de Haz y Eficiencia

εεεεA (dB)εεεεA (dB)

Ancho de Haz = 2θθθθ Ancho de Haz = 2θθθθ

( )2π λ θa sen ( )2π λ θa sen

Página 18VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 35

Bocinas Escalares

Se designan con este nombre las bocinas cónicas corrugadas de alto ángulo de abocinamiento y gran error de fase (S>1). Cuando esto ocurre el diagrama es prácticamente invariable con la frecuencia, obteniéndose las siguientes anchuras de haz:El centro de fase, centrado en este caso en el vértice del cono, es muy estable.Las corrugaciones se diseñan con d=λλλλ/4 a la frecuencia inferior y d1=λλλλ/2 a la frecuencia superior. Con corrugaciones de profundidad λλλλ/2 en la garganta se consigue una mejora adaptación de impedancias.Existe para cada ángulo de abocinamiento un diámetro óptimo (vease tabla adjunta) que consigue la mejor estabilidad del diagrama.

BW BW BWdB dB dB− − −= = =3 0 10 0 15 00 74 1 5 2, ,θ θ θ

Diámetro óptimo vs θ0

ANT -5- 36

Bocinas Multimodo

Se puede conseguir una distribución de campo de apertura similar a la de las bocinas cónicas corrugadas con bocinas de pared lisa como las de las figuras. Los quiebros en el perfil interior generan una cantidad de modo TM11 que sumada sobre la apertura con la del TE11 rectifica la curvatura de las líneas de campo dando una distribución similar a la del modo HE11 de las corrugadas.

Potter Turrin

TE11 TM11 HE11≈≈≈≈

Página 19VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 37

Bocinas Multimodo

Para prediseñar estas bocinas (diámetro de apertura y longitud del cono) se pueden utilizar las gráficas universales de las bocinas corrugadas.

La condición de fase de los modos en la apertura sólo se mantiene en una banda que no supera el 8%, a causa de la característica dispersiva de la constante de propagación de ambos modos.

El diseño completo del perfil interno se realiza normalmente con programas de Análisis Modal.

Ejemplo: Bocina Turrin del Haz Global del satélite Hispasat analizada con PAMBCM

ANT -5- 38

Análisis Modal de Bocinas

2A

1A

SS

SS=

2B

1B

2221

1211

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ANT -5- 39

Centro de Fase de Bocinas

Cuando se calcula el diagrama de fase (variación relativa de la fase del campo radiado sobre la esfera de radio R=cte) de una bocina de error de fase nulo (guía abierta) se obtiene un valor constante (=0) dentro de todo el márgen angular de todo el lóbulo principal, lo que indica que su centro de fase coincide en este caso con el centro de su apertura (lugar donde se situa el centro del sistema de referencia del cálculo).

Cuando la bocina posee error de fase la fase obtenida para cada ángulo θθθθvale en general:

( ) ( )Ψ ∆ψO OkR Cθ θ= − − −

Lph OO’

RR1

Esfera R=cte

Frente de Fase

θrepresentando ∆ψ∆ψ∆ψ∆ψ0(θθθθ) el diagrama de fase referido a θθθθ=0 (∆ψ∆ψ∆ψ∆ψ0(0000)=0).El frente de fase obtenido (o medido para R=cte) se asemeja, salvo variaciones menores, a una nueva esfera cuyo centro (O’) se identifica con el centro de fase de la bocina.

ANT -5- 40

Centro de Fase de Bocinas

( )( )

LphO=

λ θ

π θ

∆ψ

2 1 cos

El centro de fase de la bocina se puede interpretar como el origen de su radiación recordando que la densidad de potencia se propaga según rayos ortogonales a las superficies equifásicas. Su conocimiento es importante cuando se utilizan las bocinas como alimentadores de reflectores ya que se debe situar coincidente con el foco de estos.

La distancia Lph a la que está el centro de fase respecto de la boca de la bocina cumple simultáneamente:

( )( ) ( )

− = − − −

− = − − − −

= − −kR kR C kL

kR kR C kLkL

ph

O phph O

1

1

0 1∆ψ

∆ψθ θ

θ θcos

cos

Los valores de Lph que se recogen en las siguientes tablas se han obtenido minimizando el error cuadrático medio de la fase residual (que es función de θθθθ) entre la esfera de centro O’ y el frente real de fase.

Las bocinas que poseen diagramas distintos en los planos E y H tienen centros de fase ligéramente distintos en cada uno de los planos. Cuando se utilizan como alimentadores debe situarse el foco en el punto medio entre ambos centros.

Página 21VII Curso Superior de Telecomunicación MilitarAntenas de Apertura.

ANT -5- 41

Centro de Fase de Bocinas

Bocinas cónicas corrugadas *

Bocinas cónicas lisas (TE11) *

Bocinas piramidales (TE10) *

* Las Rh,Re y R de las tablas son la longitud

desde el vértice hasta la boca de la bocina

medida según la generatriz

ANT -5- 42

Centro de Fase de Bocinas

Diagrama de radiación medido de una bocina piramidal de banda C de error de fase t=0,12 y s=0,19

Plano H

Plano E

a

Diagramas de fase: a) Medida rotando sobre el centro de la boca, b) Medida rotando sobre el centro de fase

b

Notese como la fase referida al centro de fase permanece prácticamente constante hasta unos 25º, esto es, hasta que el nivel del lóbulo está por debajo de -10 dB.

10º

-10º