วิธีการออกแบบ Rectangular Horn Antenna (Pyramidal Horn)

โพสต์เมื่อวันที่ 10 ตุลาคม 2567

1. โครงสร้างของ Rectangular Horn Antenna (Pyramidal Horn)

โครงสร้างของ Horn Antennas แบบสี่เหลี่ยม

จากรูปภาพที่คุณให้มา โครงสร้างของ Horn Antenna มีตัวแปรดังนี้:

• A: ขนาดความสูงของ Aperture ของ Horn Antenna

• B: ขนาดความกว้างของ Aperture ของ Horn Antenna

• C: ขนาดความสูงของ Waveguide ก่อนเข้าสู่ Horn Antenna

• D: ขนาดความกว้างของ Waveguide ก่อนเข้าสู่ Horn Antenna

• L: ความยาวของ Horn Antenna

• W: ความยาวของ Waveguide ก่อนที่จะเริ่มขยายออกไปเป็น Horn

ตัวแปรเหล่านี้สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่าง ๆ ตามลักษณะของ Horn Antenna ดังนี้

---

1. วิธีการคำนวณขนาด C และ D ของ Waveguide

1.1 คำนวณขนาด C และ D ตามความยาวคลื่นของสัญญาณ

โดยทั่วไปขนาดของ Waveguide C และ D จะสัมพันธ์กับความยาวคลื่นของสัญญาณ (λ) โดยขนาด D และ C ควรมีค่าเป็นเศษส่วนของความยาวคลื่นเพื่อให้เกิดการส่งผ่านของคลื่นได้อย่างเหมาะสม:

1.2 ปรับขนาด C และ D ตาม Waveguide มาตรฐาน:

ขนาดของ Waveguide โดยปกติจะมีมาตรฐานกำหนดตามความถี่ที่ใช้งาน เช่น WR-90, WR-62 เป็นต้น สำหรับความถี่ 10 GHz จะใช้ Waveguide มาตรฐาน WR-90 โดยมีขนาด

• ขนาดความกว้างของ Waveguide (D) = 22.86 mm

• ขนาดความสูงของ Waveguide (C) = 10.16 mm

ผลของขนาด C และ D ต่อ Horn Antenna:

1. ผลต่อการ Matching Impedance:

   • ขนาดของ C และ D มีผลโดยตรงต่อการ Matching Impedance ระหว่าง Waveguide และ Horn หากเลือกขนาดไม่ถูกต้อง อาจทำให้เกิดการสะท้อนกลับของคลื่น (Reflection) มากขึ้น และลดประสิทธิภาพในการส่งคลื่นออกจาก Horn

2. ผลต่อการกระจายคลื่นและกำลังขยาย (Gain):

   • ขนาดของ C และ D มีผลต่อการกระจายคลื่นและกำลังขยายของ Horn โดยตรง การเพิ่มขนาด C และ D จะเพิ่มขนาดของ Aperture (A และ B) ทำให้ Directivity สูงขึ้น ส่งผลให้ Gain ของ Horn มากขึ้น

3. ผลต่อขนาดรวมของ Horn:

   • ขนาดของ C และ D ยังมีผลต่อขนาดรวมของ Horn Antenna ด้วย ยิ่ง C และ D ใหญ่ขึ้น Horn Antenna ก็จะมีขนาดใหญ่ขึ้นตามไปด้วย ส่งผลต่อการติดตั้งและการใช้งานในสถานที่ต่าง ๆ

---

2. ขนาดของ Aperture (A และ B)

ขนาดของ Aperture ในแนวตั้ง (A) และแนวนอน (B) สามารถคำนวณได้จากความสัมพันธ์ของความยาวคลื่น (λ) และขนาดของ Waveguide (C และ D) ดังนี้:

โดยที่:

• λ = ความยาวคลื่นของสัญญาณที่ต้องการออกแบบ λ = c/f​

• c = ความเร็วของแสงในสุญญากาศ (ประมาณ 3×10^8 m/s)

• f = ความถี่ของสัญญาณที่ต้องการออกแบบ (Hz)

• L = ความยาวของ Horn Antenna

• C = ขนาดความสูงของ Waveguide

• D = ขนาดความกว้างของ Waveguide

---

3. ความยาวของ Horn (L)

ความยาวของ Horn L สามารถคำนวณได้จากความต้องการ Directivity หรือกำลังขยาย (G) ของ Horn Antenna โดยใช้ความสัมพันธ์ระหว่างขนาด Aperture และความยาวคลื่น:

ถ้าต้องการคำนวณจาก Directivity หรือ Gain

---

4. วิธีการคำนวณขนาดของ W

4.1 คำนวนจากความยาวคลื่น (λ) ของสัญญาณ:

โดย k เป็นค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับการออกแบบและกำลังขยายของ Horn Antenna ซึ่งโดยทั่วไปจะเลือก k ระหว่าง 0.5 ถึง 2 เพื่อให้ได้ขนาดที่เหมาะสมกับการกระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใน Horn

4.2 คำนวณจากลักษณะการขยายของ Horn:

หรือ

โดยที่:

• L = ความยาวของ Horn Antenna

• A, B = ขนาดของ Aperture ของ Horn

• C, D = ขนาดของ Waveguide

• θ = Flare Angle ของ Horn Antenna

4.3 คำนวณจาก Waveguide Wavelength (Wg):

ขนาด W สามารถเลือกได้ตามความยาวของ Waveguide Wavelength (Wg​) ที่จะกำหนดให้การเชื่อมต่อของคลื่นจาก Waveguide ไปยัง Horn เป็นไปอย่างราบรื่นและมีการสะท้อนกลับ (Reflection) น้อยที่สุด:

ผลของขนาด W ต่อ Horn Antenna:

1. Matching Impedance:

   • ขนาดของ W มีผลต่อการ Matching Impedance ระหว่าง Waveguide และ Horn ถ้าเลือก W ใหญ่เกินไปหรือเล็กเกินไป อาจเกิดการสะท้อนกลับของคลื่น (Reflection) ทำให้ประสิทธิภาพของ Horn ลดลงได้

   • การกำหนด W ที่เหมาะสมจะช่วยให้สัญญาณสามารถกระจายไปยัง Horn ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเพิ่มความสามารถในการขยายกำลังของสัญญาณ (Gain)

2. รูปแบบของการกระจายคลื่น:

   • ขนาด W มีผลต่อรูปแบบของการกระจายคลื่น (Radiation Pattern) โดยตรง ถ้า W ไม่เหมาะสม รูปแบบการกระจายคลื่นอาจเกิดการบิดเบือน (Distortion) ทำให้การกระจายคลื่นใน E-plane และ H-plane ไม่สมมาตร

3. ขนาดและประสิทธิภาพของ Horn Antenna:

   • ขนาด W มีผลต่อขนาดรวมของ Horn Antenna หาก W ยาวมาก จะทำให้ Horn Antenna มีขนาดใหญ่ขึ้นและอาจทำให้การติดตั้งหรือการใช้งานมีข้อจำกัดมากขึ้น

   • หาก W สั้นเกินไป อาจทำให้การส่งผ่านคลื่นจาก Waveguide ไปยัง Horn ไม่เต็มที่ ทำให้ Gain หรือ Directivity ของ Horn ลดลง

---

5. การคำนวณ Flare Angle

Flare Angle (θ) สามารถคำนวณได้จากขนาดของ Aperture และความยาวของ Horn:

โดยที่:

• A: ความสูงของ Aperture ของ Horn

• B: ความกว้างของ Aperture ของ Horn

• C: ความสูงของ Waveguide

• D: ความกว้างของ Waveguide

• L: ความยาวของ Horn

---

6. Gain หรือ Directivity (G)

สมการการคำนวณ Gain หรือ Directivity ของ Horn Antenna มีดังนี้:

---

7. Beamwidth

Half-Power Beamwidth (HPBW) สำหรับ E-plane และ H-plane: