天線的相位中心詳解

2016-10-15  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

天線的相位中心概念:天線所輻射出的電磁波在離開天線一定的距離后,其等相位面會近似為一個球面,該球面的球心即為該天線的等效相位中心。

一、天線等效相位中心的坐標的推導:

1、利用遠場格林函數公式,可以得到磁矢勢的表達為  

(1) 

2、 對方程(1)在整個求解空間進行積分,可以得到遠場電場的表達式為

(2)

方程(2)中的表示輻射源的坐標,即確定的坐標可得等效相位中心點坐標。

3、 如果方程(2)中和電場相關量都是已知的,我們就可以分別確定的分量。

 對于電場遠場的相位,可以表示為:

 在直角坐標系下,矢量可以表示為:

4、 在x-z平面,電場遠場的相位可以表示為

(3)

5、 對方程(3)的左右兩邊同乘以,再對在0到的范圍內進行積分,由于三角函數的正交性,消去了和相關的分量,得到表達式

(4)

6、 波數,其中是自由空間的光速,f是天線的工作頻率,我們可以得到的表達式為

(5)

我們只需要將暗室測試所得到的電場相位,代入方程(4),就可以確定出的z方向分量,即相位中心的坐標。

7、 和確定的方法類似,我們可以分別得出的和分量的表達式,也即確定了天線等效相位中心點的坐標。最終的相位中心表達式如下所示

二、天線等效相位中心的程序實現

上面的分析中,我們已經得到了等效相位中心的x,y,z坐標公式,只需要將微波暗室得到的遠場相位數據在相應的面上導出,代入軟件中計算即可得出相位中心坐標結果。該軟件采用MATLAB語言編寫,可在安裝了MATLAB的MCRinstaller工具環境下運行。以下是使用新益技術SY24系統測量天線輻射數據,采用該軟件計算中心頻率為940MHz的一款dipole天線相位中心結果如下圖所示:

 

三、天線等效相位中心程序的準確性驗證

對于等效相位中心程序的正確性,我們可以通過電磁仿真軟件HFSS求得的相位中心坐標結果對比來進行驗證。接下來,我們將通過HFSS建立的dipole天線模型和雙頻wifi天線模型的仿真結果來驗證。

1、3.0 GHz dipole天線驗證

在HFSS中建立如圖所示的偶極子天線模型,以驗證該方法計算天線等效相位中心的準確性。將偶極子天線中點(等效相位中心)放在(3mm, 4mm, 0.88mm)處。

在HFSS中添加遠場積分設置,分別用于計算天線相位中心的x, y, z坐標。X坐標的設置如下圖所示,y, z坐標設置類似,只需要在相應的截面上設置積分范圍和步長即可。

 得到的相位中心結果如下圖所示。

通過對結果對比,我們可以知道HFSS利用等效相位中心公式求出的中心坐標=(2.979 , 3.927 , 0.765)mm。

接下來我們將HFSS得到的數據導出來,利用phase-center程序計算仿真數據來驗證程序的可行性。

 將導出來的數據第一列換算成弧度制之后,存為相位中心程序可以讀取的文本格式,程序計算出來的結果如下。

 

從上圖給出的結果我們可知,使用MATLAB編寫的相位中心計算軟件算出來的結果和HFSS算出來的結果吻合,證明了該軟件計算上的正確性。

2、雙頻wifi天線驗證

  接下來將對雙頻WiFi天線的HFSS和相位中心軟件的計算結果的對比來證軟件計算結果的準確性。雙頻天線的模型和仿真結果如下圖所示。

該天線在2.45GHz和5.3GHz分別有一個諧振點,相位中心的計算過程和dipole天線一樣,兩個頻點的相位中心結果如下圖所示。

用相位中心軟件將HFSS的遠場數據進行計算,得到下圖的結果。兩組結果的對比表面,只要導入的遠場相位數據正確,該軟件就能算出正確的天線相位中心。

基于該軟件,目前新益SY系列多探頭近場天線測量系統可支持天線相位中心測試,在北斗天線,測距雷達等一些產品開發中已經應用,為國內首創。

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