天线相位中心一：CST中如何计算天线的相位中心？

来源：CST仿真专家之路更新时间：2024-06-23 阅读：

作者 | Danner Dan

由于高精度测量的机理要求，卫星测量型天线除了需要满足常规的天线性能指标之外，还增加了对天线相位中心的要求。高精度天线与普通导航定位天线最大的差别在于前者必须具有稳定的相位中心，因为最终解算出的位置信息就是天线相位中心所在的位置，如果相位中心波动太大，本身就会引入误差导致最终定位结果不准，达不到高精度的效果。

天线相位中心的定义是：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。

理想天线存在唯一的相位中心，其等相位面为球面，因此接收不同方向的卫星信号时不会因为天线本身产生额外的相位差而造成定位测量结果的偏差。在实际情况中，绝大部分天线在整个波束空间不存在唯一的相位中心，只在主瓣某一范围内相位保持相对恒定。另外需要注意的是，天线相位中心的位置取决于用于相位中心计算的平面和辐射方向，还取决于天线的极化。

本文以一个简单的圆形贴片天线为例，介绍在CST中如何计算天线的相位中心。如下图所示，贴片天线采用同轴馈电，天线谐振频率为2.4GHz。

分别设置2.4GHz频率处的电场、磁场和远场监视器，启动仿真。

相位中心是根据恒定参考距离的两个平面中的相位值来计算的：一个平面由电场矢量（y' 轴）和主瓣方向（z' 轴）定义，我们称之为E-Plane；另一个平面由磁场矢量（x' 轴）和主瓣方向（z' 轴）定义，我们称之为H-Plane，E-Plane和H-Plane相互正交。因此，在计算相位中心之前，我们需要先确定电场（或磁场）矢量的方向以及天线辐射方向图主瓣的方向。

仿真完成之后，查看天线的磁场分布，可以看到磁场矢量主要沿x轴方向分布。

接下来查看天线的远场辐射方向图，可以看到主瓣的方向为y轴。

再查看一维 E面远场方向图（对应Phi = 90°）的3dB波束宽度。可以看到3dB波束宽度为84°，后面计算相位中心时会用到。

接下来在Farfield Plot对话框中进行设置并计算天线相位中心。打开Farfield Plot对话框，切换到Axes 选项卡，将z’轴与主瓣方向对齐，y' 轴与电场矢量方向对齐。可以将Axes type设为 User defined，这样由用户自定义z' 轴和x' 轴；但是确定 z'轴和y'轴最简单的方法是将Axes type设为Main lobe alignment（主瓣对齐）；这样 CST会自动寻找主瓣并调整坐标。此外，将Coordinate system设为Ludwig 3坐标系。

调整坐标轴之后，再次查看远场方向图，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。如下图所示，y'oz '平面为 E 面；x'oz'平面为 H 面。

重新回到Farfield Plot对话框，切换到Phase Center选项卡，勾选上Calculate phase center，围绕 z' 轴（主瓣方向）一定角度内，选择电场的Theta 分量或Phi分量来计算相位中心。最方便省事的做法是将E-Field component设置为Boresight（Boresight即视轴，视轴是最大增益轴)。对于一般天线，我们只关心主瓣范围内的相位方向图，此处将Angle的值设为3dB波束宽度的一半，即42°。最后，在Plane一栏可以选择基于 E 面、H 面或两个平面（Both）来计算相位中心。