天線相位中心一：CST中如何計算天線的相位中心？

作者 | Danner Dan

由于高精度測量的機理要求，衛星測量型天線除了需要滿足常規的天線性能指標之外，還增加了對天線相位中心的要求。高精度天線與普通導航定位天線最大的差別在于前者必須具有穩定的相位中心，因為最終解算出的位置信息就是天線相位中心所在的位置，如果相位中心波動太大，本身就會引入誤差導致最終定位結果不準，達不到高精度的效果。

天線相位中心的定義是：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。

理想天線存在唯一的相位中心，其等相位面為球面，因此接收不同方向的衛星信號時不會因為天線本身產生額外的相位差而造成定位測量結果的偏差。在實際情況中，絕大部分天線在整個波束空間不存在唯一的相位中心，只在主瓣某一范圍內相位保持相對恒定。另外需要注意的是，天線相位中心的位置取決于用于相位中心計算的平面和輻射方向，還取決于天線的極化。

本文以一個簡單的圓形貼片天線為例，介紹在CST中如何計算天線的相位中心。如下圖所示，貼片天線采用同軸饋電，天線諧振頻率為2.4GHz。

分別設置2.4GHz頻率處的電場、磁場和遠場監視器，啟動仿真。

相位中心是根據恒定參考距離的兩個平面中的相位值來計算的：一個平面由電場矢量（y' 軸）和 主瓣方向（z' 軸）定義，我們稱之為E-Plane；另一個平面由磁場矢量（x' 軸）和 主瓣方向（z' 軸）定義，我們稱之為H-Plane，E-Plane和H-Plane相互正交。因此，在計算相位中心之前，我們需要先確定電場（或磁場）矢量的方向以及天線輻射方向圖主瓣的方向。

仿真完成之后，查看天線的磁場分布，可以看到磁場矢量主要沿x軸方向分布。

接下來查看天線的遠場輻射方向圖，可以看到主瓣的方向為y軸。

再查看一維 E面遠場方向圖（對應Phi = 90°）的3dB波束寬度。可以看到3dB波束寬度為84°，后面計算相位中心時會用到。

接下來在Farfield Plot對話框中進行設置并計算天線相位中心。打開Farfield Plot對話框，切換到Axes 選項卡， 將z’軸與主瓣方向對齊，y' 軸與電場矢量方向對齊。可以將Axes type設為 User defined，這樣由用戶自定義z' 軸和x' 軸；但是確定 z'軸和y'軸最簡單的方法是將Axes type設為Main lobe alignment（主瓣對齊）；這樣 CST會自動尋找主瓣并調整坐標。此外，將Coordinate system設為Ludwig 3坐標系。

調整坐標軸之后，再次查看遠場方向圖，可以看到方向圖的坐標系已設置為x' y' z'，并且以垂直極化（Vertical）為主。如下圖所示，y'oz '平面為 E 面；x'oz'平面為 H 面。

重新回到Farfield Plot對話框，切換到Phase Center選項卡，勾選上Calculate phase center，圍繞 z' 軸（主瓣方向）一定角度內，選擇電場的Theta 分量或Phi分量來計算相位中心。最方便省事的做法是將E-Field component設置為Boresight（Boresight即視軸，視軸是最大增益軸)。對于一般天線，我們只關心主瓣范圍內的相位方向圖，此處將Angle的值設為3dB波束寬度的一半，即42°。最后，在Plane一欄可以選擇基于 E 面、H 面或兩個平面（Both）來計算相位中心。

如下圖所示，選擇的是計算E面的相位中心，可以看到遠場方向圖中顯示的相位中心位于y'oz '平面，相位中心的具體坐標顯示在左下角處；同時還給出了相位中心位置的最大標準偏差“Sigma”。一般來說，Sigma的值越小，代表相位中心的位置越準確。

如果在Farfield Plot > Phase Center中將Plane更改為H面來計算相位中心，可以看到遠場方向圖中顯示的相位中心位于x'oz '平面，并且左下角的相位中心位置也和E面的相位中心不同。