天線相位中心一：CST中如何計(jì)算天線的相位中心？

來(lái)源：CST仿真專家之路更新時(shí)間：2024-06-23 閱讀：

作者 | Danner Dan

由于高精度測(cè)量的機(jī)理要求，衛(wèi)星測(cè)量型天線除了需要滿足常規(guī)的天線性能指標(biāo)之外，還增加了對(duì)天線相位中心的要求。高精度天線與普通導(dǎo)航定位天線最大的差別在于前者必須具有穩(wěn)定的相位中心，因?yàn)樽罱K解算出的位置信息就是天線相位中心所在的位置，如果相位中心波動(dòng)太大，本身就會(huì)引入誤差導(dǎo)致最終定位結(jié)果不準(zhǔn)，達(dá)不到高精度的效果。

天線相位中心的定義是：天線所輻射出的電磁波在離開(kāi)天線一定的距離后，其等相位面會(huì)近似為一個(gè)球面，該球面的球心即為該天線的等效相位中心。

理想天線存在唯一的相位中心，其等相位面為球面，因此接收不同方向的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)不會(huì)因?yàn)樘炀€本身產(chǎn)生額外的相位差而造成定位測(cè)量結(jié)果的偏差。在實(shí)際情況中，絕大部分天線在整個(gè)波束空間不存在唯一的相位中心，只在主瓣某一范圍內(nèi)相位保持相對(duì)恒定。另外需要注意的是，天線相位中心的位置取決于用于相位中心計(jì)算的平面和輻射方向，還取決于天線的極化。

本文以一個(gè)簡(jiǎn)單的圓形貼片天線為例，介紹在CST中如何計(jì)算天線的相位中心。如下圖所示，貼片天線采用同軸饋電，天線諧振頻率為2.4GHz。

分別設(shè)置2.4GHz頻率處的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)視器，啟動(dòng)仿真。

相位中心是根據(jù)恒定參考距離的兩個(gè)平面中的相位值來(lái)計(jì)算的：一個(gè)平面由電場(chǎng)矢量（y' 軸）和主瓣方向（z' 軸）定義，我們稱之為E-Plane；另一個(gè)平面由磁場(chǎng)矢量（x' 軸）和主瓣方向（z' 軸）定義，我們稱之為H-Plane，E-Plane和H-Plane相互正交。因此，在計(jì)算相位中心之前，我們需要先確定電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）矢量的方向以及天線輻射方向圖主瓣的方向。

仿真完成之后，查看天線的磁場(chǎng)分布，可以看到磁場(chǎng)矢量主要沿x軸方向分布。

接下來(lái)查看天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，可以看到主瓣的方向?yàn)閥軸。

再查看一維 E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖（對(duì)應(yīng)Phi = 90°）的3dB波束寬度。可以看到3dB波束寬度為84°，后面計(jì)算相位中心時(shí)會(huì)用到。

接下來(lái)在Farfield Plot對(duì)話框中進(jìn)行設(shè)置并計(jì)算天線相位中心。打開(kāi)Farfield Plot對(duì)話框，切換到Axes 選項(xiàng)卡，將z’軸與主瓣方向?qū)R，y' 軸與電場(chǎng)矢量方向?qū)R?？梢詫xes type設(shè)為 User defined，這樣由用戶自定義z' 軸和x' 軸；但是確定 z'軸和y'軸最簡(jiǎn)單的方法是將Axes type設(shè)為Main lobe alignment（主瓣對(duì)齊）；這樣 CST會(huì)自動(dòng)尋找主瓣并調(diào)整坐標(biāo)。此外，將Coordinate system設(shè)為L(zhǎng)udwig 3坐標(biāo)系。

調(diào)整坐標(biāo)軸之后，再次查看遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，可以看到方向圖的坐標(biāo)系已設(shè)置為x' y' z'，并且以垂直極化（Vertical）為主。如下圖所示，y'oz '平面為 E 面；x'oz'平面為 H 面。

重新回到Farfield Plot對(duì)話框，切換到Phase Center選項(xiàng)卡，勾選上Calculate phase center，圍繞 z' 軸（主瓣方向）一定角度內(nèi)，選擇電場(chǎng)的Theta 分量或Phi分量來(lái)計(jì)算相位中心。最方便省事的做法是將E-Field component設(shè)置為Boresight（Boresight即視軸，視軸是最大增益軸)。對(duì)于一般天線，我們只關(guān)心主瓣范圍內(nèi)的相位方向圖，此處將Angle的值設(shè)為3dB波束寬度的一半，即42°。最后，在Plane一欄可以選擇基于 E 面、H 面或兩個(gè)平面（Both）來(lái)計(jì)算相位中心。

如下圖所示，選擇的是計(jì)算E面的相位中心，可以看到遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖中顯示的相位中心位于y'oz '平面，相位中心的具體坐標(biāo)顯示在左下角處；同時(shí)還給出了相位中心位置的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差“Sigma”。一般來(lái)說(shuō)，Sigma的值越小，代表相位中心的位置越準(zhǔn)確。