搜索天線的相位中心詳解
2016-10-15 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
天線的相位中心概念: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。
一、天線等效相位中心的坐標(biāo)的推導(dǎo):
1、利用遠(yuǎn)場(chǎng)格林函數(shù)公式,可以得到磁矢勢(shì)的表達(dá)為
(1)
2、 對(duì)方程(1)在整個(gè)求解空間進(jìn)行積分,可以得到遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)的表達(dá)式為
(2)
方程(2)中的表示輻射源的坐標(biāo),即確定的坐標(biāo)可得等效相位中心點(diǎn)坐標(biāo)。
3、 如果方程(2)中和電場(chǎng)相關(guān)量都是已知的,我們就可以分別確定的分量。
對(duì)于電場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)的相位,可以表示為:
在直角坐標(biāo)系下,矢量可以表示為:
4、 在x-z平面,電場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)的相位可以表示為
(3)
5、 對(duì)方程(3)的左右兩邊同乘以,再對(duì)在0到的范圍內(nèi)進(jìn)行積分,由于三角函數(shù)的正交性,消去了和相關(guān)的分量,得到表達(dá)式
(4)
6、 波數(shù),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(dá)式為
(5)
我們只需要將暗室測(cè)試所得到的電場(chǎng)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(biāo)。
7、 和確定的方法類似,我們可以分別得出的和分量的表達(dá)式,也即確定了天線等效相位中心點(diǎn)的坐標(biāo)。最終的相位中心表達(dá)式如下所示
二、天線等效相位中心的程序?qū)崿F(xiàn)
上面的分析中,我們已經(jīng)得到了等效相位中心的x,y,z坐標(biāo)公式,只需要將微波暗室得到的遠(yuǎn)場(chǎng)相位數(shù)據(jù)在相應(yīng)的面上導(dǎo)出,代入軟件中計(jì)算即可得出相位中心坐標(biāo)結(jié)果。該軟件采用MATLAB語(yǔ)言編寫,可在安裝了MATLAB的MCRinstaller工具環(huán)境下運(yùn)行。以下是使用新益技術(shù)SY24系統(tǒng)測(cè)量天線輻射數(shù)據(jù),采用該軟件計(jì)算中心頻率為940MHz的一款dipole天線相位中心結(jié)果如下圖所示:
三、天線等效相位中心程序的準(zhǔn)確性驗(yàn)證
對(duì)于等效相位中心程序的正確性,我們可以通過(guò)電磁仿真軟件HFSS求得的相位中心坐標(biāo)結(jié)果對(duì)比來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。接下來(lái),我們將通過(guò)HFSS建立的dipole天線模型和雙頻wifi天線模型的仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證。
1、3.0 GHz dipole天線驗(yàn)證
在HFSS中建立如圖所示的偶極子天線模型,以驗(yàn)證該方法計(jì)算天線等效相位中心的準(zhǔn)確性。將偶極子天線中點(diǎn)(等效相位中心)放在(3mm, 4mm, 0.88mm)處。
在HFSS中添加遠(yuǎn)場(chǎng)積分設(shè)置,分別用于計(jì)算天線相位中心的x, y, z坐標(biāo)。X坐標(biāo)的設(shè)置如下圖所示,y, z坐標(biāo)設(shè)置類似,只需要在相應(yīng)的截面上設(shè)置積分范圍和步長(zhǎng)即可。
得到的相位中心結(jié)果如下圖所示。
通過(guò)對(duì)結(jié)果對(duì)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(biāo)=(2.979 , 3.927 , 0.765)mm。
接下來(lái)我們將HFSS得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出來(lái),利用phase-center程序計(jì)算仿真數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證程序的可行性。
將導(dǎo)出來(lái)的數(shù)據(jù)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(jì)算出來(lái)的結(jié)果如下。
從上圖給出的結(jié)果我們可知,使用MATLAB編寫的相位中心計(jì)算軟件算出來(lái)的結(jié)果和HFSS算出來(lái)的結(jié)果吻合,證明了該軟件計(jì)算上的正確性。
2、雙頻wifi天線驗(yàn)證
接下來(lái)將對(duì)雙頻WiFi天線的HFSS和相位中心軟件的計(jì)算結(jié)果的對(duì)比來(lái)證軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。雙頻天線的模型和仿真結(jié)果如下圖所示。
該天線在2.45GHz和5.3GHz分別有一個(gè)諧振點(diǎn),相位中心的計(jì)算過(guò)程和dipole天線一樣,兩個(gè)頻點(diǎn)的相位中心結(jié)果如下圖所示。
用相位中心軟件將HFSS的遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到下圖的結(jié)果。兩組結(jié)果的對(duì)比表面,只要導(dǎo)入的遠(yuǎn)場(chǎng)相位數(shù)據(jù)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(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)可支持天線相位中心測(cè)試,在北斗天線,測(cè)距雷達(dá)等一些產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用,為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。
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