利用Ansoft HFSS计算天线的等效相位中心[1]
利用Ansoft HFSS
计算天线的等效相位中心
Ansoft LLC, China
support@https://www.360docs.net/doc/515840257.html,
?天线的等效相位中心
–天线的相位中心是一个等效的概念：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。
–如图所示，虚线表示该
天线的等相位面，在离
开天线一定距离后，虚
线近似为圆形（最外面
一圈），其圆心即为天
线的等效相位中心。
?等效相位中心的应用
–我们可以等效地认为电磁波是从天线的相位中心点处向外辐射的
–在一些具体的应用中，确定天线的相位中心具有重要的意
义：如合成孔径雷达、测高或其它对位置敏感的系统以及反射面天线的馈源等
?我们可以通过计算电场的远场积分，得出天线等效相位中心的坐标。
?利用远场格林函数公式，得到磁矢势的表达式为
?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
?确定方程（2）中的r0，即确定了等效相位中心点坐标。
?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r0的x，y，z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r0可以表示为
?在x-z平面，电场远场的相位可以表示为
?对方程（3）的左右两边同乘以cosθ，再对θ在0到π的范围内进行积分，由于三角函数的正交性，消去了和x0相关的分量，得到表达式
?将波数k，表示为k=2 πf/c0，其中c0是自由空间的光速，f是天线的工作频率，我们可以得到z0的表达式为
?其中，通过HFSS的计算，我们可以得出电场的相位
Ψ(θ)，代入方程（5），就可以确定出r0的z方向分量，即相位中心的z0坐标。
?和确定z0的方法类似，我们可以分别得出r0的x0和y0分量的表达式，也即确定了天线等效相位中心点的坐标
?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（2mm, -3mm, 15mm）处
–用Lumped Port激励
–设置Perfect Matched Layer模拟开放的空间
–进行求解和后处理设置
?首先添加扫频设置，作出S11曲线，确定天线的谐振频率
–通过观察S11曲线，确定该Dipole Antenna 谐振频率是在4.5GHz ，我们将在该频
率点来计算其等效相位中心
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.010.0
Freq [GHz] -15 -10
-5
0S 11 (d B )
Ansoft Corporation dipole_pml
s11-14.3007
MX1: 4.5000Curve Info
dB(S(P 1,P 1))
Setup1 : Sw eep14.5GHz
?在谐振频率点（4.5GHz）添加一个扫频设置（Single Points）?添加远场积分设置（Radiation ?Insert Far Field Setup ?Infinite Sphere）
?按照如下设置添加3个天线远场积分，分别用于计算天线相位中心的x, y, z 坐标
?右键选择Results ?Create Far Fields Report ?Data Table
–Solution选择为Setup1: disc，对应4.5GHz
–Geometry选择xz_for_z用于计算相位中心的z轴坐标
–设置Y表达式为：
integ(cang_deg(rETheta)*c0/(pi^2*4.5E9)*cos(Theta))
?同理，参照之前所推倒的相位中心坐标表达式，生成x 和y方向相位中心坐标表达式的报告
–Geometry分别设置为xy_for_x和xy_for_y
–Y表达式分别设置为
integ(cang_deg(rETheta)*c0/(pi^2*4.5E9)*cos(Phi))
integ(cang_deg(rETheta)*c0/(pi^2*4.5E9)*sin(Phi))
?查看生成的数据列表形式的报告，即可得到该天线等效相位中心点的x，y，z坐标，结果如下（单位为米）
?我们知道该例中的Dipole Antenna其等效相位中心在（2mm, -3mm, 15mm）处，将计算结果和理论结果对比如下
Summary and Discussion
?HFSS计算结果和理论结果的对比表明，用该方法能够方便、准确地计算出天线的等效相位中心。
?用该方法计算天线等效相位中心的精度取决于HFSS模型外表面，远场积分面的场计算精度。
–采用PML（Perfect Matched Layer）相比Radiation边界条件能够获得更好的求解精度
–将HFSS的求解迭代精度设置得更高（Delta S = 0.01 & Minimum Converged Passes = 2）
?推导过程假设远场积分面（HFSS模型外表面）上任意一点和相位中心之间的距离小于λ/2。因此，求解空间外表面和天线等效相位中心的距离应小于λ/2，以保证求解结果的准确性。
不同扫描角情况下的轴比计算实例
Introduction
?Floquet port solution in HFSS provides technique
for modeling unit cells of infinite periodic
structures such as phased arrays
–No restriction on maximum scan angle
–Replaces PML or radiation boundary on
upper surface of array unit cell model
?Example unit cell model shown for dual-mode
circular waveguide phased array
–Calculated axial ratio versus scan angle Example Circular
Waveguide Unit Cell Model
Two Orthogonal Modes on
Wave Port Floquet Port on Top
Surface of Unit Cell
Periodic Boundaries on
Sidewalls of Unit Cell
Create Relative Coordinate System
?Relative coordinate system created using scan angle local variables –Forces θ=0°, φ=0°direction of this coordinate system to coincide with current scan angle for each calculation in parametric sweep (i.e., to “track”the scan angle)
?Created using Modeler →Coordinate System →Create →Relative CS →Rotated ?Relative coordinate system will be specified for far-field radiation sphere used in parametric sweep over scan angle
Create Far-field Sphere
?Set theta and phi to (0,0) for far-field radiation sphere
?Created using HFSS →Radiation →Insert Far Field Setup →Infinite Sphere ?Specify use of local coordinate system which tracks scan angle
Specify Source Excitations
?Accessed using HFSS →Fields→Edit Sources
?Specify sources such that desired circular polarized wave is generated by array wave port modes
GPS接收机天线相位中心高的推算方法
GPS接收机天线相位中心高的推算方法 无论是现在流行的卫星定位测量，还是传统的全站仪测量，都需要量取仪器高，而这个高并非就是仪器到测量基准点的实际高，而是一个斜距。GPS接收机的仪器高实际上就是天线相位中心沿铅垂线到基准点的距离，在实际工作中天线相位中心不能够直接标定出来，也无法直接量取。文章通过理论推导出实际天线高的计算公式，从理论和实践两方面对公式进行了论证，分析了量取天线高的误差对实际天线高误差精度的影响。 标签：GPS接收机天线相位中心天线高误差传播 1引言 GPS接收机天线主要用来接收卫星信号，是GPS接收机的重要组成部分，GPS接收机天线的相位中心就是GPS定位的中心，而实际工作中，采用对中整平仪器，量取天线高，来计算出GPS接收机所架设测量控制点的坐。这个过程中，由于没有办法用尺子直接量取从天线相位中心沿铅垂线到基准点的距，也就是无法直接量取实际天线高，量取的天线高实际上是控制点标识中心到GPS天线护圈中心（视仪器而定，此处以Trimble R8仪器为例）的斜距，不是真正意义上到天线相位中心的天线高，这个斜距需要经过改正计算才能得到真正意义上的天线高，那么GPS接收机的天线相位中心的高度到底是如何计算的呢？ 2 GPS实际天线高推算方法 GPS接收机天线经过对中整平后，它的天线相位中心与测量控制点的连线与过天线相位中心的铅垂线是重合的，与GPS接收机天线相位中心所在的平面是垂直的，他们刚好构成了一个直角三角形，这时天线高的值实际上就是，从天线相位中心沿着铅垂线到测量控制点标识中心的距离，而用尺子量取的天线高是斜距，根据勾股定理，只要再知道GPS接收机天线的半径就可以计算出实际的天线高。而实际工作中，仅仅根据勾股定理还不能直接得到天线高，还必须给计算出的天线高加一个常数，这也就是说天线相位中心所在的水平面与量取天线高标识面所在的水平面上并不重合，两个平面之间的距离就是应该加上的常数。 如图1所示，设量取天线高斜距为s，实际天线高为h，天线半径为r，常数为k，则实际天线高的计算公式为： 式中的r可以通过查阅仪器说明书获得，而k的值仪器说明书则没有提供，这里可以通过数学统计参数估计的方，多次精确地量取天线高s和仪器自己计算出来的实际天线高h的值，来反算出k的值，从而得出完整的计算公式，也就确定了天线相位中心的位置。 3 GPS天线高推算方法验证
天线相位中心测量
喇叭天线相位中心的测试方法 史够黎 （中国电子科技集团公司第39研究所 西安710065） 摘要 本文介绍了运用远场相位比较法[1]和近场移动参考点法，测量C / X 双频段光壁喇叭天线的相位中心，讲述了如何根据相位方向图寻找喇叭天线的相位中心并对对误差来源进行了分析，将测试计算结果与软件仿真结果进行比较，两者完全一致。 关键词 喇叭天线 相位中心 相位比较法 移动参考点法 Reserch on Phase Center Measurement of Horn Antenna shigouli （The 39th Rserch Institute of CETC xi ’an710065） Abstract: The paper introduced how use comparison method in far field and the changing reference poind method in near field to reserching phase center of C/X tow band horn. Based on the measured of the horn ’s phase patten detailed how to reserching the phase center of horn antenna . The measurement resule and simulationg were filtted extracttly. Keywords: Horn Antenna Phase center comparison method hanging reference poind method 1概述 喇叭天线作为反射面天线的馈源，需要精确测定相位中心位置，使天线可获得最佳相位照射效率。天线相位中心测量一般采用转台旋转比较法，还可以采用近场测量，通过近远场转换移动参考点测量法进行测量，测量中不移动天线实际位置，而使用测试系统软件虚拟移动参考点，计算出参考点位移值。本文运用转台旋转比较法和移动参考点测量法，对C / X 双频段光壁喇叭天线的相位中心进行了测量。 2测量原理 天线的远场辐射方向图可以表示为[2] (,)?(,)jkr j u e E e r ψθ?θ?-=E u （1） 式中(,)u θ?E 为幅度方向图，(,)ψθ?为相位方向图，2/k πλ=为波数。若天线上或邻近区域内存在某点以它为参考点的(,)ψθ?为常数，则该点为天线的相位中心。对于绝大多数天线来说并没有这样一个点，但一般总可以找到某个点，以它为参考点在一个远场截面的主瓣范围内相位函数为常数，定义此点为该截面的相位中心。 当天线参考点偏离测量系统原点时，对于新参考点的远场表达式为
GPS天线相位中心消除偏差方法
GPS天线相位中心消除偏差方法 【摘要】本文介绍了GPS接收机相位中心的确定方法和如何减小相位中心偏差的方法，对提高GPS测量精度有一定的作用。该方法在实际应用中已取得了理想的效果。 【关键词】GPS；相位中心；偏差 1．引言 在GPS测量过程中，我们所得到的观测值都是以GPS接收机天线的相位中心位置为准的．而天线的相位中心与其几何中心．在理论上保持一致。可实际上接收机天线的相位中心是随着信号输入的强度和方向不同而时刻变化的，即观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心位置将有所不同，这种差别叫天线相位中心的位置偏差，它的影响可达数毫米至数厘米。因此．研究天线相位中心及其变化，找到减小这种偏差的方法，对GPS高精度测量有着重要的意义。 2．GPS天线的相位中心的确定 GPS接收机的相位中心．也就是通常所说的GPS接收机的电气中心，它是一台测量仪的基准点，研究GPS接收机的相位中心的变化规律，是提高测量精度的重要环节。 2．1机内时延 GPS接收机为了使用方便，一般都是天线与主机分开，它们之间通过一根具有一定长度的同轴电缆连接．当信号进入天线经放大、电缆传输、再放大、直到相关解调，于是便有了一个时延，这就是机内时延。
2．2GPS天线的相位中心的确定 在GPS测量过程中．我们一般都是把GPS接收机的天线放在标志点上，通常以天线上表面中心作为GPS接收机的相位中心，而实际上并不是这样。我们知道．GPS接收机在工作时需要同时接收四颗以上GPS卫星信号进行放大、传输、相关解调、运算．求出时间、位置、速度、方向等参数。相关解调点是指卫星信号到GPS接收机时延的参考点，对于每一颗卫星信号而言，相关解调点是测量的参考点(或起算点)。如此看来GPS接收机的相位中心不在天线上，具体在哪?分析如下： 总路程
天线相位中心
天线的相位中心 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 E(r)=(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
坐标取值范围截面表达式 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： 图一软件及多频段相位数据 图二软件自动输出的txt文本结果
一种星载高相位中心稳定度双频GPS天线
一种星载高相位中心稳定度双频GPS 天线 丁克乾, 柯炳清 (北京遥测技术研究所 北京 100076) 收修改稿日期:2007-09-15 摘 要:介绍一种用于星载的变形十字交叉振子圆极化天线,通过对普通十字交叉振子天线进行改进,展宽了天线的工作带宽,使该天线能同时工作在GPS 的L1和L2两个频率上。该天线结构简单,除了支撑材料外,整个天线由金属构成,易于满足星载的环境要求。该天线具有很高的相位中心稳定度,在要求的波束范围内天线的相位中心稳定度小于2mm,达到了国外同类产品的水平。仿真及实测结果表明,设计实用、可行。文中还研究了天线相位中心的测试方法和数据处理方法,并应用到实际测试中。 关键词:十字交叉振子天线; GPS 双频天线; 相位中心 中图分类号:V443+.4 文献标识码:A 文章编号:CN11-1780(2007)Z-0182-05 前 言 本文介绍一种适用于星载环境的高相位中心稳定度天线的工作原理、特点、仿真和实测结果,同时还介绍天线相位中心的标定方法和数据处理方法。根据仿真制作了产品,并进行了测试。 工作在卫星舱外的天线要求其结构简单,性能可靠,能满足空间恶劣环境的要求。十字交叉振子类天线是一种能满足上述要求、性能很好的圆极化天线。十字交叉振子的工作原理简单,可以参见参考文献[1~3],本文不再叙述。为了满足系统对天线提出的指标要求,并适应工作环境,对常规的十字交叉振子进行了改进,增加了耦合片和双频3D 扼流圈,并且在材料的选择上对星载环境作了考虑,制作出初样产品,并经过了鉴定级环境试验和性能测试。 1 星载GPS 天线的特点 1.1 相位中心稳定 如果天线辐射的电磁波为球面波,那么球心即为天线的相位中心。一个天线存不存在相位中心完全取决于天线的形式。即使存在相位中心的天线,一般也只是在主瓣一定范围内存在一个视在相位中心。天线的相位中心稳定度是表征天线各个切面相位中心离散程度的量,是包含天线各个切面相位中心点的球体的最小半径。天线的相位中心稳定度与天线的形式和馈电方式相关,一般来说,天线的对称性越好,馈电点数目越多,馈电点越对称,其相位中心的稳定度越高。本文介绍的天线采用了十字交叉振子天线,两根振子在空间呈十字交叉排列,对称性好,该天线采用了双馈电点方案,用3dB 电桥形成圆极化,从设计上保证了天线的相位中心的稳定性。 1.2 双频工作 系统要求天线工作在GPS 的L1和L2两个频段,常规的十字交叉振子天线的带宽较窄,难以满足系统要求。为此对常规的十字交叉振子天线作了改进,增加了耦合片,将天线的驻波由窄带的 V 字形改进为宽带的 W 形,如图1和图2所示,展宽了天线的工作带宽,实现了双频工作模式。同时,减小了天线的空间尺寸,提高了天线组阵的灵活性。 第28卷增刊 2007年11月遥 测 遥 控 Journal of Telemetry ,Tracking and C ommand Vol.28,Suppl.November 2007
利用HFSS优化法快速确定天线的相位中心详细教程
利用HFSS优化法快速确定天线的相位中心详细教程 1.什么是天线相位中心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，如下图（虚线表示该天线的等相位面，在离开天线一定距离后，虚线近似为圆形（最外面一圈），其圆心即为天线的等效相位中心）： 2.HFSS优化法快速确定天线的相位中心（1）用后处理变量定义相对坐标系 A.HFSS》Design ProperTIes，打开DesignProperTIes 对话框; B.点击AddVariable，显示定义设计变量的属性对话框，例如定义为PhaseCenterZ，变量类型设定为PostProcessing variable，单位类型Length，本例初值设为1in； C.用Modeler》CoordinateSystem》Create》RelaTIve CS》Offset 命令定义一个相对坐标系，用前面设定的变量作为Z坐标。 后面的优化过程中可以通过变量改变坐标系定义，而无需重新求解模型。 （2）将相对坐标系用于远场设置计算 点击HFSS》RadiaTIon》InsertFar Field Setup》Infinite Sphere ，定义合适的角度范围与间隔，在坐标系选项卡中，选择定义好的采用了后处理变量的相对坐标系； 当相对坐标系位置改变时（通过改变变量PhaseCenterZ的值），远场量会重新计算，而无需重新仿真模型。 （3）设置优化求解 A.添加一个优化（Optimization）设置 B.点击SetupCalculations按钮，打开计算表达式定义的对话框，定义优化目标用于寻找相位中心，这里将优化的是场量rEPhi的峰峰连续角度。 Geometry选择前面定义的InfiniteSphere。 计算表达式为cang_deg（rEPhi），本例中的天线在Phi=0平面是Phi极化（电场沿着y轴）
相位中心测试
SATIMO系统升级相位中心测试 随着通信、雷达、人造卫星和宇航技术的发展，对天线的跟踪、定位精确度要求越来越高，单靠幅度波束来搜索定位已不能满足要求，必须以天线的相位中心为基准进行精确定位或测量．而天线的相位中心问题无论在其相位测量应用、形成波束侦收应用、作为干涉仪阵列单元还是作为抛物面天线的馈源使用都很重要．新益根据天线远场辐射场理论，通过改变参考点法来精确测定天线的相位中心，研制了一套基于SATIMO系统上天线相位中心测试模块，使得传统的SATIMO暗室适用范围更广、更能服务客户多元化的需求。 １测量原理 对任意天线，其远区辐射场的某个分量在球坐标系可写为E＝＾uFu（θ，）exp（j φ（θ，））（exp（－jkr）／r），（１）图１移动参考点示意图式（１）中的Fu（θ，）为幅度方向图，函数φ（θ，）为相位方向图函数，k＝２π／λ．相位中心定义为：在天线上或邻近若有一参考点，在给定频率下，使φ（θ，）等于常数，则这个使φ（θ，）为常数的点称为天线的相位中心．对绝大多数天线来说没有这样一个相位中心，但是许多天线可以找到这样一个参考点，使得在主瓣某一范围内场的相位保持相对恒定，则这个参考点称为“视在相位中心”．有的天线可能在不同截面有不同相位中心，而且它们可能不重合，因此测量的相位中心是指某个截面上的相位中心［１～３］．天线在进行相位中心测量时或在使用时，它的相位中心可能偏离了旋转中心（几何中心），如图１所示，即天线的参考点移动到O′，根据远场近似，得到以O′为参考点的远场表达式为［２，４］ 令ψ（θ，）＝φ（θ，）－kr′?＾r，天线的相位中心与转动中心的偏差用小矢量r′表示为 而单位矢＾r可表示为 所以 此式为以O′为参考点的相位中心方向图函数，而φ（θ，）为参考中心与旋转中心重合时的相位方向图函数．相位中心测定就是通过改变Δx，Δy，Δz（即移动参考点O′），使ψ（θ，）－φ（θ，）的变化率最小，从而来寻找相位中心［５］．该式表明测量的相位ψ（θ，）只对该测量面内的相位中心偏移比较敏感，也就是说当＝０，测量的相位ψ（θ，０°）只受Δx，Δz变化的影响，而＝９０°的测量面的相位ψ（θ，９０°）只受Δy，Δz的影响，基于这个关系可用来测定Δx，Δy，Δz ２相位中心的测定 当被测天线是理想的球面波源时，则φ（θ，）等于常数，而实际天线多数不是理想的球面波源，而是有相散的．但可以认为在某一截面内，在主瓣某范围内φ（θ，）等于常数，来测量视在相位中心［５］．现假设相位方向图测量是在＝０°和＝９０°面进行，则式（５）化为