Der Entwurf einer Hohlleiterantenne verbindet Band und Mode, strahlende Apertur, Speisung und praktische Verifikation. Ein geschlossener Übertragungshohlleiter und eine Antenne haben unterschiedliche Aufgaben. Eine Breite von pauschal 0,7λ oder die Materialwahl Kupfer erledigen den Entwurf nicht.
Strahlungsanforderungen festlegen
Definieren Sie Frequenzgrenzen, Polarisation, Richtungen, Abdeckung, Gewinn und Nebenkeulen. Entscheiden Sie zwischen offenem Ende, Horn oder Schlitzarray und zwischen direkter Strahlung und Reflektorfeed.
Ein Feed benötigt passende Beleuchtung, Spillover und Phasenlage. Der höchste Einzelgewinn ist nicht immer das beste Ziel. Spezifizieren Sie den tatsächlich genutzten Winkelbereich über die ganze Bandbreite.
Mode und Übertragungsquerschnitt
Bei einem luftgefüllten Rechteck mit Innenbreite a und Höhe b, a > b, ist TE10 gewöhnlich der Grundmode. Seine Grenzfrequenz lautet fc = c/(2a). Die Ausbreitungsbedingung f > fc entspricht a > λ0/2.
Das ist eine Grenzbedingung, keine optimale Breite für jedes Produkt. Prüfen Sie höhere Moden und die empfohlene Betriebsbandbreite. WR-90 mit 22,86 × 10,16 mm besitzt etwa 6,56 GHz Cutoff und wird üblicherweise bei 8,2–12,4 GHz eingesetzt.
Die Hohlleiterwellenlänge ist λg = λ0/√[1−(fc/f)²]. Bei WR-90 und 10 GHz sind das etwa 39,7 mm statt der rund 30 mm im freien Raum.
Offenes Ende, Horn und Schlitze
Ein offener Hohlleiter strahlt, reflektiert aber auch. Ein Horn erweitert den Querschnitt; Länge und Aufweitung beeinflussen die Phasenverteilung. Eine größere Öffnung bei zu kurzer Länge garantiert keinen proportionalen Gewinn.
Bei Schlitzarrays gestalten Länge, Orientierung, Lage und Kopplung die Antwort. Speisephase, Abschluss und gegenseitige Kopplung sind ebenso wichtig wie die Anzahl. Freiraum-λ/2 ist kein universeller Schlitzabstand.
Erste Aperturabschätzung
G ≈ 4πηA/λ² liefert für 10 GHz, A = 0,10 × 0,08 m² und angenommene η = 0,60 ungefähr 18,3 dBi. Das ist ein Rechenbeispiel, keine Garantie für jedes Bauteil dieser Größe.
Effizienz hängt von Geometrie und Speisung ab. Diagramm und Polarisation müssen gesondert geprüft werden. Auch ein rundes Ende bedeutet nicht automatisch zirkulare Polarisation.
Speisung und elektromagnetische Simulation
Definieren Sie reale Moden und Referenzebenen des Hohlleiterports oder koaxialen Übergangs. Ein koaxialer Stift koppelt an das Feld; Länge, Lage und Rückwandabstand werden nicht ohne Prüfung aus einem anderen Entwurf übernommen.
Beziehen Sie relevante Leiter- und Dielektrikumsverluste, Fugen und Umgebung ein. Prüfen Sie Netzkonvergenz und Portdefinitionen.
Nur S11 zu optimieren kann Strahlrichtung und Effizienz verfehlen. Vergleichen Sie Anpassung, Gewinn, Nebenkeulen und Kreuzpolarisation sowie die Empfindlichkeit gegenüber Maß- und Montagefehlern.
Herstellung und Messung
Kontrollieren Sie Innenflächen, Grate, Kontaktflächen und Ausrichtung. Ein bestimmter Kupferreinheitsgrad oder weniger als 0,1 dB/m sind keine gemeinsamen Garantien aller Strukturen.
Der VNA prüft die Portanpassung; Gewinn und Diagramm benötigen Strahlungsmessungen. Bei großen Aperturen ist R ≳ 2D²/λ eine übliche Fernfeldabschätzung, die zusammen mit Gegenantenne, Messplatz und Fehlerbudget zu betrachten ist.
Abnahme des vollständigen Entwurfs
| Bereich | Prüfung |
|---|---|
| RF-Port | Band, Reflexion und Referenz. |
| Strahlung | Gewinn, Polarisation und Keulen. |
| Mechanik | Öffnung, Länge, Schnittstelle und Toleranzen. |
| Betrieb | Mittlere/Spitzenleistung, Temperatur und Montage. |
Eine Kleinsignalmessung bestätigt keine Hochleistungs- oder sämtliche Umweltbedingungen. Grundlagen liefern Hohlleiterformeln sowie Horn- und Schlitzantennen.
