Antena de bocina

Una antena de bocina o bocina de microondas es una antena que consiste en una guía de onda metálica acampanada con forma de bocina para dirigir las ondas de radio en un haz. Las bocinas se utilizan ampliamente como antenas en frecuencias UHF y de microondas  , por encima de 300 MHz. ^{[ 1 ]} Se utilizan como antenas de alimentación (llamadas bocinas de alimentación ) para estructuras de antena más grandes, como antenas parabólicas , como antenas de calibración estándar para medir la ganancia de otras antenas y como antenas directivas para dispositivos como radares , abridores automáticos de puertas y radiómetros de microondas . ^{[ 2 ]} Sus ventajas son directividad moderada , ancho de banda amplio , bajas pérdidas y construcción y ajuste sencillos. ^{[ 3 ]}

Una de las primeras antenas de bocina fue construida en 1897 por el investigador de radio bengalí-indio Jagadish Chandra Bose en sus experimentos pioneros con microondas. ^{[ 4 ] [ 5 ]} La antena de bocina moderna fue inventada independientemente en 1938 por Wilmer Barrow y GC Southworth. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} El desarrollo del radar en la Segunda Guerra Mundial estimuló la investigación de bocinas para diseñar bocinas de alimentación para antenas de radar. La bocina corrugada inventada por Kay en 1962 se ha convertido en un uso generalizado como bocina de alimentación para antenas de microondas como antenas parabólicas y radiotelescopios . ^{[ 9 ]}

Una ventaja de las antenas de bocina es que, al no tener elementos resonantes , pueden operar en un amplio rango de frecuencias , un ancho de banda amplio . El ancho de banda útil de las antenas de bocina suele ser del orden de 10:1, y puede llegar hasta 20:1 (por ejemplo, permitiendo su operación de 1  GHz a 20  GHz). ^{[ 1 ]} La impedancia de entrada varía lentamente en este amplio rango de frecuencias, lo que permite una baja relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) en todo el ancho de banda. ^{[ 1 ]} La ganancia de las antenas de bocina alcanza hasta 25 dBi , siendo típicos los valores de 10 a 20 dBi. ^{[ 1 ]}

Una antena de bocina se utiliza para transmitir ondas de radio desde una guía de ondas (un tubo metálico que transporta ondas de radio) al espacio, o para captar ondas de radio en una guía de ondas para su recepción. Generalmente consiste en un tramo corto de tubo metálico rectangular o cilíndrico (la guía de ondas), cerrado en un extremo y ensanchado en una bocina cónica o piramidal abierta en el otro. ^{[ 10 ]} Las ondas de radio se introducen normalmente en la guía de ondas mediante un cable coaxial conectado a un lateral, con el conductor central proyectándose dentro de la guía de ondas para formar una antena monopolo de un cuarto de onda . Las ondas se irradian entonces por el extremo de la bocina en un haz estrecho. En algunos equipos, las ondas de radio se conducen entre el transmisor o receptor y la antena mediante una guía de ondas; en este caso, la bocina se conecta al extremo de la guía de ondas. En las bocinas para exteriores, como las bocinas de alimentación de las antenas parabólicas, la abertura de la bocina suele estar cubierta por una lámina de plástico transparente a las ondas de radio para evitar la humedad.

Una antena de bocina cumple la misma función para las ondas electromagnéticas que una bocina acústica para las ondas sonoras en un instrumento musical como una trompeta . Proporciona una estructura de transición gradual para adaptar la impedancia de un tubo a la impedancia del espacio libre, lo que permite que las ondas del tubo se irradien eficientemente al espacio. ^{[ 11 ]}

Si se utiliza una guía de ondas simple de extremo abierto como antena, sin la bocina, el final repentino de las paredes conductoras provoca un cambio abrupto de impedancia en la apertura, desde la impedancia de onda en la guía de ondas hasta la impedancia del espacio libre (aproximadamente 377 Ω ). ^{[ 2 ] [ 12 ]} Cuando las ondas de radio que viajan a través de la guía de ondas chocan con la abertura, este escalón de impedancia refleja una fracción significativa de la energía de la onda de vuelta a lo largo de la guía hacia la fuente, de modo que no toda la potencia se irradia. Esto es similar a la reflexión en una línea de transmisión de extremo abierto o en un límite entre medios ópticos con un índice de refracción bajo y alto , como en una superficie de vidrio. Las ondas reflejadas causan ondas estacionarias en la guía de ondas, aumentando la ROE , desperdiciando energía y posiblemente sobrecalentando el transmisor. Además, la pequeña apertura de la guía de ondas (menos de una longitud de onda) causa una difracción significativa de las ondas que salen de ella, lo que resulta en un patrón de radiación amplio con poca directividad.

Para mejorar estas características deficientes, los extremos de la guía de ondas se ensanchan para formar una bocina. El estrechamiento de la bocina modifica gradualmente la impedancia a lo largo de su longitud. ^{[ 12 ]} Esto actúa como un transformador de adaptación de impedancia , permitiendo que la mayor parte de la energía de la onda se irradie hacia el espacio a través del extremo de la bocina, con una reflexión mínima. El estrechamiento funciona de manera similar a una línea de transmisión cónica o a un medio óptico con un índice de refracción que varía suavemente. Además, la amplia apertura de la bocina proyecta las ondas en un haz estrecho.

La forma de bocina que proporciona la mínima potencia reflejada es una conicidad exponencial . ^{[ 12 ]} Las bocinas exponenciales se utilizan en aplicaciones especiales que requieren una mínima pérdida de señal, como antenas satelitales y radiotelescopios . Sin embargo, las bocinas cónicas y piramidales son las más utilizadas, ya que tienen lados rectos y son más fáciles de diseñar y fabricar.

Las ondas viajan a lo largo de una bocina como frentes de onda esféricos, con su origen en el vértice de la misma, un punto llamado centro de fase . El patrón de campos eléctricos y magnéticos en el plano de apertura en la boca de la bocina, que determina el patrón de radiación , es una reproducción a escala de los campos en la guía de ondas. Debido a que los frentes de onda son esféricos, la fase aumenta suavemente desde los bordes del plano de apertura hacia el centro, debido a la diferencia de longitud entre el punto central y los puntos de los bordes con respecto al vértice. La diferencia de fase entre el punto central y los bordes se denomina error de fase . Este error de fase, que aumenta con el ángulo de apertura, reduce la ganancia y aumenta el ancho del haz, lo que da a las bocinas anchos de haz más amplios que las antenas de onda plana de tamaño similar, como las antenas parabólicas.

En el ángulo de destello, la radiación del lóbulo del haz se reduce aproximadamente 20  dB con respecto a su valor máximo. ^{[ 13 ]}

A medida que aumenta el tamaño de una bocina (expresado en longitudes de onda), el error de fase también aumenta, lo que resulta en un patrón de radiación más amplio. Para mantener el ancho del haz estrecho, se requiere una bocina más larga (ángulo de apertura menor) para mantener constante el error de fase. El aumento del error de fase limita el tamaño de apertura de las bocinas prácticas a aproximadamente 15 longitudes de onda; aperturas mayores requerirían bocinas excesivamente largas. ^{[ 14 ]} Esto limita la ganancia de las bocinas prácticas a aproximadamente 1000 (30 dBi) y el ancho mínimo del haz correspondiente a aproximadamente 5–10°. ^{[ 14 ]}

A continuación se describen los principales tipos de antenas de bocina. Las bocinas pueden tener diferentes ángulos de apertura, así como diferentes curvas de expansión (elípticas, hiperbólicas, etc.) en las direcciones del campo eléctrico y del campo magnético, lo que permite una amplia variedad de perfiles de haz diferentes.

Antena de bocina piramidal (fig. a): una antena de bocina con la bocina en forma de pirámide de cuatro caras y sección transversal rectangular. Son un tipo común, se utilizan con guías de onda rectangulares y emiten ondas de radio polarizadas linealmente. ^{[ 12 ]}

Bocina sectorial : Una bocina piramidal con solo un par de lados ensanchados y el otro par paralelo. Produce un haz en forma de abanico, estrecho en el plano de los lados ensanchados, pero ancho en el plano de los lados estrechos. Este tipo se utiliza a menudo como bocina de alimentación para antenas de radar de búsqueda amplia.

Bocina en el plano E (fig. b) – Una bocina sectorial ensanchada en la dirección del campo eléctrico o E en la guía de ondas.

Bocina en el plano H (fig. c) – Una bocina sectorial ensanchada en la dirección del campo magnético o campo H en la guía de ondas.

Bocina cónica (fig. d) – Una bocina con forma de cono y sección transversal circular. Se utilizan con guías de onda cilíndricas.

Bocina exponencial (fig. e): Una bocina con lados curvos, en la que la separación entre ellos aumenta exponencialmente con la longitud. También llamadas bocinas escalares , pueden tener secciones transversales piramidales o cónicas. Las bocinas exponenciales presentan mínimas reflexiones internas y una impedancia y otras características prácticamente constantes en un amplio rango de frecuencias. Se utilizan en aplicaciones que requieren alto rendimiento, como bocinas de alimentación para antenas de satélites de comunicación y radiotelescopios.

Bocina corrugada : Una bocina con ranuras o surcos paralelos, pequeños en comparación con la longitud de onda, que cubren la superficie interior de la bocina, transversalmente al eje. Las bocinas corrugadas tienen un ancho de banda más amplio y lóbulos laterales y polarización cruzada más pequeños, y se utilizan ampliamente como bocinas de alimentación para antenas parabólicas y radiotelescopios .

Bocina cónica de modo dual – (La bocina Potter ^{[ 15 ]} ) Esta bocina se puede utilizar para reemplazar la bocina corrugada para su uso en longitudes de onda submilimétricas donde la bocina corrugada tiene pérdidas y es difícil de fabricar.

Bocina diagonal : Esta sencilla bocina de modo dual se asemeja superficialmente a una bocina piramidal con una abertura de salida cuadrada. Sin embargo, al examinarla con más detalle, se observa que la abertura de salida cuadrada está girada 45° con respecto a la guía de ondas. Estas bocinas suelen fabricarse en bloques divididos y se utilizan en longitudes de onda submilimétricas. ^{[ 16 ]}

Antena de bocina acanalada : una bocina piramidal con aletas o crestas adheridas a su interior, que se extienden por el centro de los lados. Las aletas reducen la frecuencia de corte, aumentando así el ancho de banda de la antena.

Cuerno septal : Un cuerno que está dividido en varios subocuernos por tabiques metálicos (tabiques) en su interior, unidos a paredes opuestas.

Bocina de apertura limitada : una bocina larga y estrecha, lo suficientemente larga como para que el error de fase sea una fracción despreciable de una longitud de onda, ^{[ 13 ]} por lo que esencialmente irradia una onda plana. Tiene una eficiencia de apertura de 1,0, por lo que proporciona la ganancia máxima y el ancho de haz mínimo para un tamaño de apertura dado. La ganancia no se ve afectada por la longitud, sino que solo está limitada por la difracción en la apertura. ^{[ 13 ]} Se utiliza como bocina de alimentación en radiotelescopios y otras antenas de alta resolución.

Antena de bocina de cuatro crestas con límites abiertos : un tipo especial de antena de bocina diseñada como una estructura de cuatro puntas con límites abiertos. Cubre un amplio rango de frecuencias y su polarización es lineal dual. ^{[ 17 ]}

Bocina de doble cresta de borde abierto : similar a la bocina de cuatro crestas de borde abierto descrita anteriormente. Fue diseñada para operar en un amplio rango de frecuencias, con baja ROE y alta ganancia. ^{[ 10 ]}

Para una frecuencia y longitud de bocina dadas, existe un ángulo de apertura que proporciona una reflexión mínima y una ganancia máxima. Las reflexiones internas en bocinas de lados rectos provienen de dos puntos a lo largo de la trayectoria de la onda donde la impedancia cambia bruscamente: la boca o abertura de la bocina y la garganta, donde los lados comienzan a ensancharse. La cantidad de reflexión en estos dos puntos varía con el ángulo de apertura de la bocina (el ángulo que forman los lados con el eje). En bocinas estrechas con ángulos de apertura pequeños, la mayor parte de la reflexión ocurre en la boca de la bocina. La ganancia de la antena es baja porque la boca pequeña se asemeja a una guía de onda abierta, con un gran escalón de impedancia. A medida que aumenta el ángulo, la reflexión en la boca disminuye rápidamente y la ganancia de la antena aumenta. Por el contrario, en bocinas anchas con ángulos de apertura cercanos a 90°, la mayor parte de la reflexión se produce en la garganta. La ganancia de la bocina es nuevamente baja porque la garganta se asemeja a una guía de onda abierta. A medida que disminuye el ángulo, la cantidad de reflexión en este punto disminuye y la ganancia de la bocina vuelve a aumentar.

Esta discusión muestra que existe un ángulo de apertura entre 0° y 90° que proporciona la máxima ganancia y la mínima reflexión. ^{[ 18 ]} Esto se denomina bocina óptima . La mayoría de las antenas de bocina prácticas se diseñan como bocinas óptimas. En una bocina piramidal, las dimensiones que dan una bocina óptima son: ^{[ 18 ] [ 19 ]}

${\displaystyle a_{E}={\sqrt {2\lambda L_{E}}}\qquad a_{H}={\sqrt {3\lambda L_{H}}}}$

Para una bocina cónica, las dimensiones que dan una bocina óptima son: ^{[ 18 ]}

${\displaystyle d={\sqrt {3\lambda L}}}$

dónde

a _E es el ancho de la apertura en la dirección del campo E.

a _H ​​es el ancho de la apertura en la dirección del campo H.

L _E es la altura inclinada del lado en la dirección del campo E.

L _H es la altura inclinada del lado en la dirección del campo H.

d es el diámetro de la abertura de la bocina cilíndrica

L es la altura inclinada del cono desde el vértice.

λ es la longitud de onda

Una bocina óptima no proporciona la máxima ganancia para un tamaño de apertura determinado . Esto se logra con una bocina muy larga (una bocina de apertura limitada ). La bocina óptima proporciona la máxima ganancia para una longitud de bocina determinada . En los manuales de microondas se incluyen tablas con las dimensiones de las bocinas óptimas para diversas frecuencias.

Las bocinas tienen muy poca pérdida, por lo que la directividad de una bocina es aproximadamente igual a su ganancia . ^{[ 1 ]} La ganancia G de una antena de bocina piramidal (la relación entre la intensidad de potencia radiada a lo largo de su eje de haz y la intensidad de una antena isotrópica con la misma potencia de entrada) es: ^{[ 19 ]}

${\displaystyle G={\frac {4\pi A}{\lambda ^{2}}}e_{A}}$

Para bocinas cónicas, la ganancia es: ^{[ 18 ]}

${\displaystyle G=\left({\frac {\pi d}{\lambda }}\right)^{2}e_{A}}$

dónde

A es el área de la abertura,

d es el diámetro de la abertura de una bocina cónica

λ es la longitud de onda ,

e _A es un parámetro adimensional entre 0 y 1 llamado eficiencia de apertura ,

La eficiencia de apertura varía de 0,4 a 0,8 en antenas de bocina prácticas. Para bocinas piramidales óptimas, e _A = 0,511 ^{[ 18 ]} , mientras que para bocinas cónicas óptimas , e _A = 0,522 ^{[ 18 ]} . Por lo tanto, se suele utilizar una cifra aproximada de 0,5. La eficiencia de apertura aumenta con la longitud de la bocina y, para bocinas con apertura limitada, es aproximadamente unitaria.

Un tipo de antena que combina una bocina con un reflector parabólico se conoce como bocina de Hogg o antena de bocina-reflector, inventada por Alfred C. Beck y Harald T. Friis en 1941 ^{[ 20 ]} y desarrollada posteriormente por David C. Hogg en Bell Labs en 1961. ^{[ 21 ]} También se la conoce como "cuchara de azúcar" debido a su forma característica. Consiste en una antena de bocina con un reflector montado en la boca de la bocina en un ángulo de 45 grados, de modo que el haz radiado es perpendicular al eje de la bocina. El reflector es un segmento de un reflector parabólico, y el foco del reflector está en el vértice de la bocina, por lo que el dispositivo es equivalente a una antena parabólica alimentada fuera del eje. ^{[ 22 ]} La ventaja de este diseño sobre una antena parabólica estándar es que la bocina protege la antena de la radiación proveniente de ángulos fuera del eje del haz principal, por lo que su patrón de radiación tiene lóbulos laterales muy pequeños . ^{[ 23 ]} Además, la apertura no está parcialmente obstruida por la alimentación y sus soportes, como con los platos parabólicos alimentados frontalmente comunes, lo que le permite lograr eficiencias de apertura del 70% en comparación con el 55-60% para los platos alimentados frontalmente. ^{[ 22 ]} La desventaja es que es mucho más grande y pesado para un área de apertura dada que un plato parabólico, y debe montarse en una plataforma giratoria engorrosa para ser totalmente orientable. Este diseño se utilizó para algunos radiotelescopios y antenas terrestres de satélites de comunicaciones durante la década de 1960. Sin embargo, su uso más importante fue como antenas fijas para enlaces de retransmisión de microondas en la red de microondas AT&T Long Lines . ^{[ 21 ] [ 23 ] [ 24 ]} Uno de los ejemplos más conocidos fue la familia de bocinas KS-15676, diseñada como antenas de banda ancha y comercializada por Western Electric. Desde la década de 1970, este diseño ha sido reemplazado por antenas parabólicas con cubierta , que pueden lograr un rendimiento de lóbulos laterales igualmente bueno con una construcción más ligera y compacta. Probablemente el ejemplo más fotografiado y conocido sea la antena de bocina de Holmdel de 15 metros de largo (50 pies) ^{[ 21 ]} en los Laboratorios Bell en Holmdel, Nueva Jersey, con la que Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron la radiación cósmica de fondo de microondas en 1965, por lo que ganaron el Premio Nobel de Física de 1978.Otro diseño más reciente de bocina-reflector es la bocina cass, que es una combinación de una bocina con una antena parabólica cassegrain que utiliza dos reflectores. ^{[ 25 ]}

Antena de bocina Holmdel de 15 metros (50  pies) en los Laboratorios Bell en Holmdel, Nueva Jersey, EE. UU., con la que Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron la radiación cósmica de fondo de microondas en 1964.

 Antena reflectora de bocina de gran tamaño, de 54 metros (177 pies), ubicada en las instalaciones de comunicaciones por satélite de AT&T en Andover, Maine, EE. UU., utilizada en la década de 1960 para comunicarse con el primer satélite de comunicaciones de retransmisión directa , Telstar .

Antenas de bocina reflectoras de microondas de banda C (4–6 GHz) AT&T Long-Lines KS-15676 ^{[ 24 ]} en el techo del centro de conmutación telefónica de AT&T, Seattle, Washington, EE. UU.

Antenas de bocina-reflector

• Radiómetro de microondas (Juno) (utiliza 1 antena de bocina para las observaciones de Júpiter)

• Antenas de bocina Antenna-Theory.com
• "Descripción de la antena de bocina-reflector KS-15676" (PDF) . Prácticas del sistema Bell, número 3, sección 402-421-100 . AT&T Co., septiembre de 1975.en el sitio web de Albert LaFrance [long-lines.net]
• Patente estadounidense n.º 2416675, Sistema de antena de bocina , presentada el 26 de noviembre de 1941, Alfred C. Beck, Harold T. Friis en Google Patents.