Hornantennen zählen zu den am weitesten verbreiteten Richtantennen in der Mikrowellen- und Millimeterwellentechnik. Ihre einfache mechanische Struktur, die vorhersagbaren Strahlungseigenschaften, die relativ geringe Reflexion und die Fähigkeit, mittlere bis hohe Verstärkungen zu erzielen, machen sie wertvoll für Antennenmessungen, EMV-Prüfungen, Radar, Kommunikationssysteme, Speisesysteme und HF-Labore.
Eine Hornantenne kann im Wesentlichen als eineWellenleiter mit einer sich allmählich erweiternden ÖffnungAnstatt elektromagnetische Wellen abrupt vom Wellenleiter in den freien Raum übergehen zu lassen, sorgt der aufgeweitete Abschnitt für einen sanfteren Übergang. Dies verbessert die Impedanzanpassung und bündelt einen größeren Teil der elektromagnetischen Energie in einem kontrollierten Strahlungsbündel.
Je nach Geometrie des Wellenleiters und Richtung der Öffnungserweiterung können Hornantennen in verschiedenen Formen ausgeführt werden, darunterSektorhörner, Pyramidenhörner und KegelhörnerDer ursprüngliche Referenzartikel verwendet diese drei Konfigurationen als Haupteinführung in Hornantennenstrukturen.
1. Wie funktioniert eine Hornantenne?
Ein Wellenleiter leitet elektromagnetische Energie innerhalb einer leitenden Struktur. Wenn die geführte Welle auf ein offenes Ende trifft, strahlt ein Teil der Energie in den freien Raum ab, während ein anderer Teil aufgrund des Übergangs zwischen den Impedanzen des Wellenleiters und des freien Raums reflektiert werden kann.
Eine Hornantenne verringert die Abruptheit dieses Übergangs, indem sie den Wellenleiterquerschnitt zur Öffnung hin allmählich vergrößert.
Während sich die elektromagnetische Welle durch den aufgeweiteten Abschnitt ausbreitet, dehnt sich das Feld über eine größere Öffnung aus. Die Öffnung strahlt dann in den freien Raum ab und erzeugt einen gerichteten Strahl.
Die Leuchtfackel erfüllt daher zwei wichtige Zwecke:
- Es ermöglicht einen sanfteren Übergang zwischen Wellenleiter und freiem Raum.
- Dadurch wird die effektive Strahlungsöffnung vergrößert, was eine höhere Richtwirkung und Verstärkung ermöglicht.
Es ist wichtig zu beachten, dass ein HornReflexionen oder stehende Wellen werden nicht vollständig eliminiert.Stattdessen kann ein entsprechend ausgelegtes Horn Reflexionen reduzieren und eine gute Impedanzanpassung gewährleisten, was sich üblicherweise in einem relativ niedrigen VSWR widerspiegelt.
Abbildung 1. Typische Hornantenne mit sich allmählich erweiternder Wellenleiteröffnung.
2. Betriebsfrequenz von Hornantennen
Hornantennen haben keinen einheitlichen Frequenzbereich.
Ihre Betriebsfrequenz wird im Wesentlichen durch dieWellenleiterabmessungen, Wellenleitermodus, Aperturgeometrie, Speisestruktur und vorgesehene Bandbreite.
Herkömmliche Hornantennen sind besonders im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich verbreitet, da die Abmessungen der Hohlleiter mit abnehmender Wellenlänge praktikabel werden. Speziell entwickelte Breitband-Hornstrukturen können jedoch auch bei niedrigeren Frequenzen eingesetzt werden, während Präzisions-Hornleiterantennen bis in den Millimeterwellen- und Sub-THz-Bereich reichen.
Hornantennen sind beispielsweise im Frequenzbereich von mehreren hundert Megahertz bis weit über 100 GHz erhältlich. RF MISO bietet derzeit Breitband-Hornantennenkonfigurationen für folgende Frequenzbereiche an:300–750 MHzsowie konische Hornantennen, die220–325 GHzDies veranschaulicht, wie breit der praktische Frequenzbereich dieser Antennenfamilie sein kann.
3. Haupttypen von Hornantennen
3.1 Sektorhornantenne
Ein Sektorhorn entsteht, wenn ein rechteckiger Wellenleiter nur in einer Ebene aufgeweitet wird.
Wenn der Wellenleiter erweitert wird in derE-FlugzeugDie Struktur wird als solche bezeichnetE-Plane-SektorhornWenn die Expansion in derH-EbeneEs wird als einH-Ebenen-Sektorhorn.
Da sich die Aperturdimension nur in einer Ebene vergrößert, ist die Strahlformung in der entsprechenden Ebene stärker ausgeprägt.
3.2 Pyramidenhornantenne
Ein pyramidenförmiges Horn entsteht, wenn ein rechteckiger Wellenleiter sowohl in Richtung der E-Ebene als auch in Richtung der H-Ebene aufgeweitet wird.
Die so entstandene Struktur ähnelt einer Pyramidenstumpf und ermöglicht eine Öffnungserweiterung in beiden Dimensionen.
Pyramidenförmige Hörner werden häufig verwendet alsStandard-Verstärkungshörner und Referenzantennenweil ihre Verstärkungs- und Abstrahlcharakteristiken genau charakterisiert werden können.
RF MISO bietet beispielsweise Standard-Hornantennen für zahlreiche Mikrowellen- und Millimeterwellenbänder an. Die WR10-Serie von Standard-Hornantennen umfasst Modelle, die von … bis … arbeiten.75 bis 110 GHz, mit spezifizierten Verstärkungs-, VSWR-, Polarisations- und Strahlbreitencharakteristiken.
3.3 Konische Hornantenne
Ein konisches Horn entsteht im Allgemeinen durch die schrittweise Erweiterung eines kreisförmigen Wellenleiters zu einer kreisförmigen Öffnung hin.
Im Gegensatz zu einem pyramidenförmigen Horn, das von einem rechteckigen Wellenleiter ausgeht, besitzt ein konisches Horn eine rotationssymmetrische Geometrie.
Konische Hornantennen werden häufig in Mikrowellen-, Millimeterwellen-, Speise- und Messanwendungen eingesetzt. Je nach Speisestruktur und Polarisationsnetzwerk können sie auch speziellere Polarisationskonfigurationen unterstützen.
Abbildung 2. Typische Hornantennenkonfigurationen: E-Ebenen-Sektorantenne, H-Ebenen-Sektorantenne, Pyramidenhorn und Kegelhorn.
4. Öffnungswinkel, Aperturgröße und Hornlänge
Die Geometrie eines Horns hat einen direkten Einfluss auf seine elektromagnetischen Eigenschaften.
Drei wichtige Designparameter sind:
Öffnungswinkel, Öffnungsgröße und Hornlänge.
Eine größere Apertur kann im Allgemeinen eine höhere Richtwirkung und einen schmaleren Strahl ermöglichen, aber eine bloße Vergrößerung des Streuwinkels führt nicht automatisch zu einer besseren Leistung.
Ist das Horn für eine gegebene Aperturgröße zu kurz, kann es zu übermäßigen Phasenabweichungen über die Apertur kommen. Dies verringert die Apertureffizienz und kann das Abstrahlverhalten verschlechtern.
Umgekehrt führt eine übermäßige Verlängerung des Horns zu einer Vergrößerung der mechanischen Abmessungen und des Gewichts, ohne dass sich die Leistung zwangsläufig proportional verbessert.
Die Konstruktion von Hörnern erfordert daher ein ausgewogenes Verhältnis:
- Blendengröße
- Flare-Winkel
- Länge
- Phasenfehler
- Gewinnen
- Strahlbreite
- Mechanische Abmessungen
5. Strahlungsdiagramm und Strahlcharakteristik
Hornantennen sind im Allgemeinen Richtstrahler.
Die elektromagnetische Energie wird vorwiegend in Vorwärtsrichtung durch die Apertur konzentriert, wodurch ein klar definierter Hauptstrahl sowie Nebenkeulen entstehen.
Zwei Strahlungsmuster sind besonders wichtig:
- E-Ebenen-Strahlungsmuster
- Strahlungsmuster in der H-Ebene
Der3 dB Strahlbreitewird häufig verwendet, um die Winkelbreite des Hauptstrahls zwischen den beiden Punkten zu beschreiben, an denen die abgestrahlte Leistung 3 dB unter ihren Maximalwert fällt.
Im Allgemeinen führt eine Vergrößerung der effektiven Apertur im Verhältnis zur Wellenlänge zu einer höheren Richtwirkung und einer Verengung des Strahls.
Dieser Zusammenhang lässt sich auch bei praktischen Millimeterwellen-Hornantennen beobachten. Beispielsweise spezifizieren die Standard-Hornantennen von RF MISO für den Frequenzbereich von 75–110 GHz neben den Daten zu Verstärkung und Stehwellenverhältnis (VSWR) auch die Strahlbreitencharakteristika in der E- und H-Ebene.
Abbildung 3. Illustration der Ausbreitung und Abstrahlung elektromagnetischer Wellen durch eine Hornöffnung.
6. Vorteile von Hornantennen
Hornantennen bieten mehrere Vorteile für HF- und Mikrowellensysteme:
Gute Richtwirkung
Die vergrößerte Apertur bündelt die Strahlung in Vorwärtsrichtung.
Vorhersagbare Strahlungseigenschaften
Gut konstruierte Hornantennen können stabile und klar definierte E-Ebenen- und H-Ebenen-Diagramme liefern.
Gute Impedanzanpassung
Der allmähliche Übergang vom Wellenleiter zum freien Raum kann Reflexionen reduzieren und ein niedriges VSWR unterstützen.
Mittlerer bis hoher Zuwachs
Durch die Verwendung unterschiedlicher Aperturgrößen und Hornlängen lassen sich verschiedene Verstärkungsgrade erzielen.
Relativ einfache Struktur
Im Vergleich zu vielen komplexen Antennenarchitekturen mit hoher Verstärkung sind konventionelle Hörner mechanisch einfach und robust.
Geeignet für Hochfrequenzmessungen
Durch ihre auf Wellenleitern basierende Architektur sind Hornantennen besonders wertvoll für Mikrowellen- und Millimeterwellen-Messsysteme.
7. Designüberlegungen und -beschränkungen
Hornantennen bringen auch einige technische Kompromisse mit sich.
Höhere Verstärkung erfordert im Allgemeinen eine größere elektrische Apertur, was die physikalischen Abmessungen der Antenne vergrößern kann.
Das Verhältnis zwischen Aperturgröße, Hornlänge und Öffnungswinkel muss ebenfalls sorgfältig kontrolliert werden, um eine akzeptable Phasenverteilung über die Apertur hinweg zu gewährleisten.
Bei sehr hohen Frequenzen gewinnen Bearbeitungsgenauigkeit, Oberflächenqualität, Wellenleiterabmessungen und Flanschausrichtung zunehmend an Bedeutung, da selbst relativ kleine mechanische Fehler einen erheblichen Anteil der Wellenlänge ausmachen können.
Ingenieure müssen daher nicht nur Verstärkung und Frequenzbereich bewerten, sondern auch:
VSWR, Polarisation, Kreuzpolarisationsverhalten, Strahlbreite, Nebenkeulenpegel, HF-Schnittstelle, Belastbarkeit und mechanische Toleranz.
8. Anwendungen von Hornantennen
Aufgrund ihrer gerichteten Abstrahlung, ihrer stabilen Eigenschaften und ihrer Kompatibilität mit Hohlleitersystemen werden Hornantennen häufig eingesetzt in:
- Antennengewinnmessung
- Strahlungsmustermessung
- EMV- und EMV-Prüfung
- Radarsysteme
- Mikrowellen- und Millimeterwellenkommunikation
- Satellitenantennenprüfung
- Richtungsfindung und Überwachung
- Messung in einer reflexionsarmen Kammer
- Reflektorantennen-Speisungen
- HF-Forschungs- und Laborsysteme
- Anwendungen für Kalibrierungs- und Referenzantennen
Breitbandige Hornantennen bieten zudem eine große Betriebsfrequenzbandbreite für Mess- und Überwachungssysteme. Beispielsweise sind die 18–40 GHz Breitband-Hornantennen von RF MISO für Anwendungen wie Mikrowellenprüfung, Antennenmessung, Satellitenantennenprüfung, Peilung, Überwachung und EMV-Messungen spezifiziert.
Abschluss
Eine Hornantenne wandelt eine geführte elektromagnetische Welle durch eine sich allmählich erweiternde Wellenleiteröffnung in gerichtete Freiraumstrahlung um.
Seine Kombination ausgute Impedanzanpassung, gerichtete Abstrahlung, vorhersagbare Strahlcharakteristik, nützlicher Gewinn und relativ einfache Konstruktionhat das Horn zu einer der wichtigsten Antennenstrukturen in der Mikrowellen- und Millimeterwellentechnik gemacht.
Von Sektor- und Pyramidenhörnern bis hin zu konischen und Breitband-Designs können unterschiedliche Strukturen für spezifische Frequenzbereiche, Polarisationsanforderungen, Verstärkungspegel und Messumgebungen optimiert werden.
Für Ingenieure, die eine Hornantenne auswählen, ist der Frequenzbereich nur der Ausgangspunkt. Verstärkung, Stehwellenverhältnis (VSWR), Strahlbreite, Polarisation, Hohlleiter- oder Koaxialanschluss, Belastbarkeit und mechanische Abmessungen müssen entsprechend den Anforderungen des gesamten HF-Systems bewertet werden.
Veröffentlichungsdatum: 21. August 2026
