搜索天线的相位中心详解
2016-10-15 by:CAE仿真在线 来源:互联网
天线的相位中心概念:天线所辐射出的电磁波在离开天线一定的距离后,其等相位面会近似为一个球面,该球面的球心即为该天线的等效相位中心。
一、天线等效相位中心的坐标的推导:
1、利用远场格林函数公式,可以得到磁矢势的表达为
(1)
2、 对方程(1)在整个求解空间进行积分,可以得到远场电场的表达式为
(2)
方程(2)中的表示辐射源的坐标,即确定的坐标可得等效相位中心点坐标。
3、 如果方程(2)中和电场相关量都是已知的,我们就可以分别确定的分量。
对于电场远场的相位,可以表示为:
在直角坐标系下,矢量可以表示为:
4、 在x-z平面,电场远场的相位可以表示为
(3)
5、 对方程(3)的左右两边同乘以,再对在0到的范围内进行积分,由于三角函数的正交性,消去了和相关的分量,得到表达式
(4)
6、 波数,其中是自由空间的光速,f是天线的工作频率,我们可以得到的表达式为
(5)
我们只需要将暗室测试所得到的电场相位,代入方程(4),就可以确定出的z方向分量,即相位中心的坐标。
7、 和确定的方法类似,我们可以分别得出的和分量的表达式,也即确定了天线等效相位中心点的坐标。最终的相位中心表达式如下所示
二、天线等效相位中心的程序实现
上面的分析中,我们已经得到了等效相位中心的x,y,z坐标公式,只需要将微波暗室得到的远场相位数据在相应的面上导出,代入软件中计算即可得出相位中心坐标结果。该软件采用MATLAB语言编写,可在安装了MATLAB的MCRinstaller工具环境下运行。以下是使用新益技术SY24系统测量天线辐射数据,采用该软件计算中心频率为940MHz的一款dipole天线相位中心结果如下图所示:
三、天线等效相位中心程序的准确性验证
对于等效相位中心程序的正确性,我们可以通过电磁仿真软件HFSS求得的相位中心坐标结果对比来进行验证。接下来,我们将通过HFSS建立的dipole天线模型和双频wifi天线模型的仿真结果来验证。
1、3.0 GHz dipole天线验证
在HFSS中建立如图所示的偶极子天线模型,以验证该方法计算天线等效相位中心的准确性。将偶极子天线中点(等效相位中心)放在(3mm, 4mm, 0.88mm)处。
在HFSS中添加远场积分设置,分别用于计算天线相位中心的x, y, z坐标。X坐标的设置如下图所示,y, z坐标设置类似,只需要在相应的截面上设置积分范围和步长即可。
得到的相位中心结果如下图所示。
通过对结果对比,我们可以知道HFSS利用等效相位中心公式求出的中心坐标=(2.979 , 3.927 , 0.765)mm。
接下来我们将HFSS得到的数据导出来,利用phase-center程序计算仿真数据来验证程序的可行性。
将导出来的数据第一列换算成弧度制之后,存为相位中心程序可以读取的文本格式,程序计算出来的结果如下。
从上图给出的结果我们可知,使用MATLAB编写的相位中心计算软件算出来的结果和HFSS算出来的结果吻合,证明了该软件计算上的正确性。
2、双频wifi天线验证
接下来将对双频WiFi天线的HFSS和相位中心软件的计算结果的对比来证软件计算结果的准确性。双频天线的模型和仿真结果如下图所示。
该天线在2.45GHz和5.3GHz分别有一个谐振点,相位中心的计算过程和dipole天线一样,两个频点的相位中心结果如下图所示。
用相位中心软件将HFSS的远场数据进行计算,得到下图的结果。两组结果的对比表面,只要导入的远场相位数据正确,该软件就能算出正确的天线相位中心。
基于该软件,目前新益SY系列多探头近场天线测量系统可支持天线相位中心测试,在北斗天线,测距雷达等一些产品开发中已经应用,为国内首创。
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