写点什么

CST 软件如何理解远场的坐标、分量和极化

作者:思茂信息
  • 2025-03-24
    广东
  • 本文字数:2521 字

    阅读完需:约 8 分钟

作为天线仿真的一个结果,也可以说是最重要的结果,远场的查看和理解就很关键。CST 帮助文档中关于远场的解释的很详细,但可能因为详细,很多人总是缕不清楚这些英文名词:Theta, Phi, Ludwig 2, Ludwig 3, Left, Right, Horizontal, Vertical, Copolar,Crosspolar…

 

下面我就用最简单的语言(打脸),最短的篇幅(又打脸),给大家讲清楚。如标题所说,这里强调的是三个东东:坐标,(电场)分量,和极化。所以一定要分清楚这三个量。

 

话不多说,先上表 1:

                            


四大坐标系,球坐标和三个 Ludwig 坐标。都是两个角度(Angle)能够指明球上任意位置,就像地图的经纬线。

 

这里最需要注意的是,Spherical 和 Ludwig 3,都是用的 Theta 和 Phi!那 Ludwig2 的四个单词是什么呢?简单来讲其实就是不想叫 Theta 和 Phi 了,太土了,烂大街了,叫“海拔“和”方位角“多高大上,或者换个希腊远房亲戚的名字 Alpha,Epsilon~ 多年以后,发现还是 Theta 和 Phi 最接地气,流行最广。

 

再上表 2:


 

坐标定义好空间位置后,该位置有个天线远场的电场,闲不住,多动症。那怎么定义他的动作呢?那就看他往 Component1 方向上动的多,还是 Component2 方向上动的多,这就是向量的两个分量 E1 和 E2。这里最困惑的恐怕就是球坐标的两个分量,名字还是 Theta 和 Phi!

 

好吧,因为 Theta 和 Phi 太流行,允许球坐标这么任性吧。这里只有 Ludwig 3 很叛逆啊,他非叫电场的“水平“分量和”竖直“分量,和坐标名字最不同,显得很有生活的样子。

 

分量极化什么关系呢?其实他们两个很类似。

由于两个分量正交,把电场的动作横平竖直分解的很干净,以致不能很好表示其连贯性,比如空中转体动作,最后脚出界了也给金牌。所以我们需要更完整的定义“极化“。

 

再上表 3:


 

所以,表 2 中四大分量都是线极化。这里多出两个极化,一个是圆极化,另一个是倾斜极化圆极化是两个正交分量差 90 度相位交替运动,所以分左右手旋转方向;倾斜极化就是将两个正交分量强行扭转到某个主方向,主方向的极化就是主极化,是我们想要的;垂直方向为次要的交叉极化,是我们不想要的。

 

话太多了,上案例:

长方形喇叭天线,向 Z+方向传播,近场电场可看出,极化方向基本就是上下,也就是 Y 轴方向:

 

 

直接点击远场,这里就看不到电场的多动症了,初学者就有点难判断病情。那么这个常见的红色为主的远场辐射图是什么坐标?什么分量为主?什么极化呢?



先说坐标吧,仔细看远场图,Z+轴附近有个 Theta,X+轴附近有个 Phi,这个就是坐标轴的定义。由之前的表 1 可知,这个坐标系不是 Spherical 就是 Ludwig 3,对吧?

 

再说分量,默认是不显示分量的,显示的是绝对值 Abs。

 


当然下拉就可以看分量,一看又是 Theta 和 Phi 分量,这就明白了,就是用的最迷惑人的球坐标!

 


猜的没错,看远场属性,坐标栏,查看坐标系的确是 Spherical。

 


 

如果这里我们改成 Ludwig3 呢?

 


点击 ok 或 apply,可见远场分量就成了可查看的水平分量,竖直分量

 

 

同理,如果我们改成 Ludwig 2AE 或 Ludwig 2EA,就可以看到不同的分量定义了。

 


 

注意,以上我们只是展示怎么查看不同坐标系,和不同坐标系下,远场电场使用的是不同的分量。以上我们使用的极化一直是线极化(linear)。

 

下面我们看主极化 Copolar 和交叉极化 Crosspolar,极化需要从 Linear 改成 Slant。

 


当使用倾斜极化 slant 时,无论什么坐标系,我们的远场分量都是 Copolar 和 Crosspolar,这个和表 3 一致。

 

这里推荐将坐标种类(axes type)改成 polarization dependent,然后明确一下主极化方向和传播方向。由于喇叭天线本身是线极化,且有方向性,所以我们选 Linear-Directional。主极化方向为 Y 轴,Y 轴上出现了“E-Vector“作为主极化方向。传播方向是 Z+,这就和三维的喇叭方向一致。可见此时坐标是自动,由于是倾斜极化,坐标系的选择不会影响分量的定义。

 




可见,定义 Y 为主极化之后,喇叭的极化方向(Y 轴)确实和主极化一致,所有主极化的场很强。而交叉极化(蓝绿色)虽然很弱,但也有一些值,这是因为这种方形的喇叭在边边角角有极化转换的效果,就是少量的 Y 轴极化神奇的变成了 X 轴极化,叛变了。所以更高级的喇叭天线是可以通过优化结构使交叉极化最小的哦!

 

假如我们想把这个天线安装方向改变,得到不同的远场方向,是不是要三维调整重新仿真呢?当然不用,远场调坐标轴即可。选择 User Defined 坐标类型,和需要的极化类型(分量),比如这里我们还用主极化和交叉极化(slant):

 

 

比如我们调整远场的 z‘,这样主瓣方向在全局坐标中还是 Z+,但远场坐标中,就为 Theta=45, Phi=180 了。如果这时我们用后处理将远场数据导出,这样就可以看到,前两列是球坐标系,后面几列是主极化和交叉极化的值。最大值在 Theta=45, Phi=180。

 



 

如果到这里还不清楚的话,下面我们看一个更复杂的情况,两个天线,方向不同,极化方向也不同,如果同时激励的远场,应该如何观察。

 


天线 1 和刚才一样:

 

 

天线 2 是天线 1 位置转 90 度,极化也转 90 度。

 


这样简单合并出来的远场,就是主要覆盖两个方向,合理合法合家欢。

 


如果这时,我们选择 Linear Directional, 就是主极化自动定义为 Y 轴,然后看主极化图,可见天线 1 还是为主,因为这时的主极化方向对于天线 2 来说,是交叉极化。如果我们看交叉极化,这就变成了天线 2 为主。所以,Copolar 和 Crosspolar 都是人定的,不要混淆。

 



小结:

以后再看到这些词,可以先问问自己这些问题:

 

Theta/Phi: 是坐标?还是线极化分量?是坐标的话,是球还是 ludwig3?

Ludwig:这个是坐标,具体 Ludwig 啥?

Elevation/Azimuth/Alpha/Epsilon: 这肯定是 Ludwig2 坐标了。

LHCP/RHCP: 这是指圆极化,可这里没讲啊,差评~

Copolar/Crosspolar:这是倾斜极化,要人为定义主次。

Horizontal/Vertical:这是分量,ludwig3 坐标的。

 

本文没有讨论的问题:这些分量具体什么方向,远场具体分类等等。

 

最后出个考题,下面 3 个导出的远场数据,分别都是什么坐标?什么分量?什么极化?

感谢阅读,如果觉得本篇文章有点用,请回复考题答案,虽然没奖品,但回答正确的将被精选展示哦。

 

Farfield data 1:



Farfield data 2:



Farfield data 3:




专家解读:CST建模后模型为什么不显示

CST软件怎么在微波段设置二氧化矾

CST软件基于液态金属开关的方向图可重构天线

用户头像

思茂信息

关注

分享实用的仿真技巧~ 2023-05-11 加入

专为企业/科研/教育客户提供CAE仿真软件方案

评论

发布
暂无评论
CST软件如何理解远场的坐标、分量和极化_cst电磁仿真_思茂信息_InfoQ写作社区