Ein kleines Projekt für Mikrowellen-Einsteiger
Pyramidenhörner gehören zu den ersten Hornantennen, die seit 1940 entworfen und optimiert wurden für Frequenz oberhalb von 300MHz. Bis heute werden solche Hornantennen in der Antennenmesstechnik als Gewinn-Referenzantennen eingesetzt.
Das Design von einem Pyramidenhorn ist relativ einfach. In der Literatur sind einige Nomogramme und Faustformeln zu finden. Wir haben für den Entwurf von Pyramidenhörnern ein kleines Python-Programm geschrieben. Bei Interesse geben wir dieses Programm an interessierte Funkamateure kostenlos weiter.
Für Einsteiger in die Mikrowellenbänder haben wir mit dem Python-Programm ein Pyramidenhorn entworfen, das mit einfachen Mitteln nachbaubar ist. Das Horn ist so dimensioniert, dass damit ein Offset-Reflektor gut ausgeleuchtet werden kann.
Um einen Offset-Reflektor, wie beispielsweise den CAS60 von Kathrein, optimal auszuleuchten, muss das Feed ein möglichst rotationssymmetrisches Strahldiagramm aufweisen. Bei einem Winkel von 41.7° sollte der Strahldiagramm-Pegel 12dB unter dem Maximum sein.
Im Bild oben sind die simulierten Strahldiagramme dargestellt. Die E- und H-Diagrammschnitte vom Pyramidenhorn sind blau und rot gezeichnet. Das ideale Gauss-Feed-Diagramm (grün gestrichelte Kurve) wird vom Pyramidenhorn nahezu perfekt erreicht.
Im folgenden Bild ist die Definition der E- und H-Strahldiagramm-Schnittebenen dargestellt.
Das Phasenzentrum vom Pyramidenhorn befindet sich 5mm hinter der Hornapertur. Die Phasenzentren von Horn und Reflektor müssen zusammenfallen.
Das berechnete Sekundär-Strahldiagramm des CAS60-Reflektors mit einem optimalen Feed mit gaussförmigem Primärstrahldiagramm ergibt eine maximale Direktivität von 34.56dBi bei 10.25GHz.
Mit dem Pyramidenhorn als Erreger verschlechtert sich die Direktivität der Antenne um weniger als = 0.1dB auf 34.48dBi
Dieses Pyramidenhorn ist ein sehr guter Primärstrahler für den Offsetreflektor CAS60 von Kathrein.
Das optimierte Pyramidenhorn hat folgende Dimensionen:
a_WG = 22.86mm, b_WG = 10.16mm
a_Aperture = 47mm b_Apreture = 33mm L_Horn = 55mm
In den Rechteck-Hohlleiter haben wir einen SMA-Übergang integriert. Der Hohlleiter-Koaxialübergang ist so optimiert, dass keine Abstimmschrauben notwendig sind.
Aufgebaut wird das Horn aus 0.5mm Messingblech. Um den Nachbau zu vereinfachen, haben wir eine Abwicklung des Horns entworfen.
Solche Bleche könne mit dem Sprüh-Ätzverfahren mit sehr kleinen Toleranzen hergestellt werden. Zudem ist es mit diesem Verfahren auch möglich einseitige Tiefätzungen zu realisieren. Dadurch wird das Biegen des Blechs stark vereinfacht und es resultieren sehr genaue Biegekanten.
Die offenen Kanten werden anschliessend, mittels Weichlottechnik, verlötet.
Für die Steckerbefestigung braucht es noch ein kleines Messingfrästeil, dass oben auf den Hohlleiter aufgelötet wird.
Die gemessene Anpassung stimmt gut mit der simulierten Anpassung überein. Der Frequenzverlauf ist geringfügig nach unten verschoben. Durch die Bandbreite des Anpassungsverlaufs ist das aber nicht störend. Verursacht wird die Frequenzverschiebung wahrscheinlich durch die mechanische Toleranzen nach dem Löten. Die Toleranzen liegen wohl in der Grössenordnung von einigen Zehntelmillimetern. Hohlleiter sind grundsätzlich viel gutmütiger und weniger Toleranzempfindlich als Bauteile in Koaxialtechnik.
Geätzte Messingbleche werden im Modellbau sehr oft eingesetzt. Das Ätzen von dünnen Blechen bis zu einer Wandstärke von 1mm ist preisgünstig und ermöglicht die Herstellung von komplexen Strukturen mit sehr kleinen mechanischen Toleranzen. Das bei unserem Versuch erzielte Resultat ist sehr erfreulich und wir werden die Ätz-Technologie für die Realisierung von anderen Mikrowellen-komponenten weiterverfolgen.
Der Begriff Origami steht eigentlich für die Kunst des Papierfaltens in Japan. Ausgangsmaterial ist da in der Regel ein quadratisches Stück Papier. In Anlehnung an die ähnliche Falttechnik dürfte der Name für unser Projekt ganz passend sein.
RF Antennas 