CST如何检查计算的天线相位中心是否正确?

作者 | Danner Dan

上一期介绍了在CST软件中如何计算天线的相位中心:天线相位中心(一)—— 如何计算天线的相位中心。由于天线相位中心的准确性对卫星导航系统的高精度定位至关重要,所以这一期将介绍如何检查计算的天线相位中心是否正确。

在实际情况中,CST软件中的绝大部分天线在整个波束空间不存在唯一的相位中心,只在方向图主瓣某一范围内相位保持相对恒定。如果辐射方向图在主瓣一定范围内(一般3dB波束宽度内即可)相位保持恒定,我们就可以判定该天线的相位中心是正确的。

沿用上一期的圆形贴片天线仿真工程,贴片天线采用同轴馈电,天线谐振频率为2.4GHz。

在Farfield Plot > Axes 中将Axes type设为Main lobe alignment(主瓣对齐),并且将Coordinate system设为Ludwig 3坐标系。设置完成后,可以看到方向图的坐标系已设置为x' y' z',并且以垂直极化(Vertical)为主。再通过查看一维 E面远场方向图(y'oz '平面,对应Phi = 90°),确认3dB波束宽度为84°。

由于辐射方向图以垂直极化为主,所以应该选择垂直极化的相位(Vert. Phase)进行验证。

然后,再次打开Farfield Plot对话框,在General选项卡中,将Plot type改为1D Cartesian。我们要验证E面(y'oz '平面)的相位,所以在Vary / Angle step width 一栏选择Theta,并将Phi设为90°;再勾选上Plot range for polar angles 360 degree和Plot range -180..+180 degree这两个选项。

切换到Origin选项卡,可以看到默认选项是Center of bounding box,也就是计算域的中心作为远场方向图(包括相位中心计算)参考的原点。点击OK,查看主瓣在3dB波束宽度范围内相位是否恒定。

E面3dB波束宽度为84°,也就是Theta观察范围为-42°~+42°,可以看到,当以计算域中心作为参考原点时,主瓣在3dB波束宽度范围内相位不是恒定的。

我们需要将上一期计算得到的相位中心坐标作为远场原点,这样设置才能得到正确的相位。所以切记,检查天线相位中心是否正确之前,一定要将远场原点设置为计算得到的相位中心坐标!

在Farfield Plot对话框中,切换到Origin选项卡。将E面相位中心坐标输入下图所示的位置,点击OK按钮。

可以看到,当以计算的相位中心坐标作为远场参考原点时,辐射方向图主瓣上的相位恒定;因此也验证了计算的相位中心是正确的。


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### 如何在CST中查看圆极化天线相位和幅度 #### 查看S参数中的幅度和相位曲线 为了评估圆极化天线的性能,在CST软件中可以分析S参数来获取天线的关键特性。具体操作如下: 对于反射特性的评估,需关注S11参数的幅度和相位曲线。这些数据能够揭示天线在其工作频带内的匹配情况以及可能存在的反射问题[^2]。 ```python # Python伪代码用于说明如何读取并处理S参数文件(实际操作应在CST界面完成) import numpy as np def read_s_parameter_file(file_path): data = np.loadtxt(file_path, skiprows=1) # 假设跳过表头行 frequency = data[:, 0] s11_magnitude = data[:, 1] s11_phase = data[:, 2] return frequency, s11_magnitude, s11_phase frequency, magnitude, phase = read_s_parameter_file('path_to_s_param_file') ``` #### 定义有效的工作频段 通过观察上述提到的幅度曲线,寻找衰减最小即小于-10dB或更严格标准下的频率区间作为潜在的有效工作频段。这一步骤同样适用于确定最佳传输性能区域,此时应考虑S21参数,理想情况下其值接近于零表示几乎没有能量损失。 #### 圆极化的特殊考量 针对圆极化天线而言,除了常规的S参数外,还需要特别注意两个正交模式之间的相对关系——通常标记为RHCP (右旋圆偏振) 和 LHCP (左旋轴向比)[^1]。这意味着不仅要单独考察各分量的表现,还要综合评价两者间的一致性和隔离度,从而确保良好的圆极化质量。 #### 使用CST内置工具进一步分析 CST Microwave Studio提供了专门的功能模块帮助用户直观理解复杂电磁场分布及其影响因素。例如,“远场辐射图”能展示不同方向上的功率密度;而“轴比图”则有助于判断圆极化纯度。此外,借助“Smith Chart”,可以从阻抗匹配的角度优化设计方案。
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