Die Aufweitung einer Hornantenne bildet die strahlende Apertur und deren Feldverteilung. Sie hilft, Reflexion und Richtwirkung zu gestalten, legt aber keinen gemeinsamen Winkel, VSWR oder Wirkungsgrad für alle Hörner fest. Strahlende Öffnung und Anschlussflansch sind verschiedene Bauteilbereiche.
Offener Hohlleiter und Horn
Auch ein offenes Hohlleiterende kann strahlen. Das Horn erweitert die Wände, vergrößert die Apertur und verändert Amplitude und Phase über der Öffnung. Ein Pyramidenhorn erweitert sich in zwei Hauptebenen, ein Sektorhorn vorwiegend in einer und ein konisches Horn aus einem runden Querschnitt.
Ein einzelner Kegelwinkel beschreibt nicht beide Winkel eines Pyramidenhorns. Unterscheiden Sie in Zeichnungen außerdem vollen Öffnungswinkel und Halbwinkel.
1. Übergang und Reflexion
Geänderte Randbedingungen am offenen Ende können Reflexion verursachen. Eine geeignete Aufweitung mit passender Anregung kann diese im gewünschten Band reduzieren.
Nicht jeder offene Hohlleiter reflektiert 15% der Leistung. Ein Winkel von 10–15° garantiert bei beliebiger Frequenz kein VSWR unter 1,2. Eingangsmodus und Abmessungen müssen dazu passen.
Der Betrag des Reflexionskoeffizienten unterscheidet sich vom reflektierten Leistungsanteil. Bei |Γ| = 0,15 beträgt dieser 2,25%, nicht 15%. Kleine Reflexion beweist für sich allein keinen hohen Gesamtwirkungsgrad.
2. Apertur und Richtwirkung
In einem geeigneten Aperturmodell gilt G ≈ ηap4πA/λ². A ist die Fläche, ηap die Apertureffizienz und G der lineare Gewinn. Das Horn verteilt Strahlung räumlich; es erzeugt keine zusätzliche Leistung.
Bei angenommenen 10 GHz, A = 0,01 m² und ηap = 0,60 ergeben sich etwa 19,2 dBi. Andere Anregung oder Phase können bei gleichen Außenmaßen ein anderes Ergebnis erzeugen.
Eine elektrisch größere Apertur ermöglicht häufig einen schmaleren Strahl. Die Breiten in E- und H-Ebene können jedoch unterschiedlich sein. 20° ist kein gemeinsamer Wert für jedes Horn bei 10 GHz.
3. Länge und Phasenfehler
Eine schnelle Aufweitung auf kurzer Strecke spart Länge, kann aber den Wegunterschied zwischen Mitte und Rand vergrößern. Der Phasenfehler beeinflusst Gewinn und Nebenkeulen.
In einem einfachen Geometriemodell mit axialem Abstand R von einer gedachten Phasenquelle zur Apertur und seitlichem Abstand x ist Δℓ = √(R²+x²)−R. Für x ≪ R gilt näherungsweise Δℓ ≈ x²/(2R).
Die zugehörige Phasendifferenz ist 2πΔℓ/λ. Reale Phasenquelle und Feld hängen von Profil und Moden ab. Die Näherung bestimmt deshalb nicht allein die optimale Länge jedes Horns.
4. Band und Polarisation
Eingang und Speisung begrenzen das Band. WR-42 wird üblicherweise bei 18–26,5 GHz eingesetzt; Diagramm und Gewinn eines Horns mit diesem Eingang müssen dennoch produktspezifisch geprüft werden.
Eine runde Apertur erzeugt nicht automatisch zirkulare Polarisation. Dafür braucht es orthogonale Komponenten mit passenden Amplituden und Phasen. Stege und Rillen beeinflussen Moden und Band und sind nicht dasselbe wie eine einfache Wandaufweitung.
Horn als Reflektorspeisung
Stimmen Sie Randbeleuchtung, Spillover, Phasenzentrum und Polarisation auf den Reflektor ab. Maximaler Einzelhorngewinn erhöht nicht zwingend die Effizienz der gesamten Antenne.
Aperturebene und Phasenzentrum müssen nicht zusammenfallen. Prüfen Sie bei Bedarf Frequenzabhängigkeit und Einbauposition.
Prüfung des gefertigten Bauteils
Messen Sie Reflexion an definierten Ebenen sowie Gewinn, Diagramm und Polarisation in Strahlungsmessungen. Oberflächen-, Verbindungs- und Ausrichtungstoleranzen folgen der Empfindlichkeit des Entwurfs.
Ein gutes VNA-S11 bestätigt weder sämtliche Nebenkeulen noch Hochleistungsbetrieb. Mittlere und Spitzenleistung sowie thermische Bedingungen werden separat festgelegt.
Die Horntheorie und die Hohlleitertabelle helfen, Apertur, Länge und Anregung gemeinsam zu betrachten.
