如何理解遠(yuǎn)場(chǎng)的坐標(biāo)、分量和極化

來(lái)源：CST仿真專家之路更新時(shí)間：2024-06-23 閱讀：

作為天線仿真的一個(gè)結(jié)果，也可以說(shuō)是最重要的結(jié)果，遠(yuǎn)場(chǎng)的查看和理解就很關(guān)鍵。CST幫助文檔中關(guān)于遠(yuǎn)場(chǎng)的解釋的很詳細(xì)，但可能因?yàn)樵敿?xì)，很多人總是縷不清楚這些英文名詞：Theta, Phi, Ludwig 2, Ludwig 3, Left, Right, Horizontal, Vertical, Copolar,Crosspolar…

下面我就用最簡(jiǎn)單的語(yǔ)言（打臉），最短的篇幅（又打臉），給大家講清楚。如標(biāo)題所說(shuō)，這里強(qiáng)調(diào)的是三個(gè)東東：坐標(biāo)，（電場(chǎng)）分量，和極化。所以一定要分清楚這三個(gè)量。

話不多說(shuō)，先上表1：

四大坐標(biāo)系，球坐標(biāo)和三個(gè)Ludwig坐標(biāo)。都是兩個(gè)角度（Angle）能夠指明球上任意位置，就像地圖的經(jīng)緯線。

這里最需要注意的是，Spherical和Ludwig 3，都是用的Theta和Phi！那Ludwig2的四個(gè)單詞是什么呢？簡(jiǎn)單來(lái)講其實(shí)就是不想叫Theta和Phi了，太土了，爛大街了，叫“海拔“和”方位角“多高大上，或者換個(gè)希臘遠(yuǎn)房親戚的名字Alpha，Epsilon~ 多年以后，發(fā)現(xiàn)還是Theta和Phi最接地氣，流行最廣。

再上表2：

用坐標(biāo)定義好空間位置后，該位置有個(gè)天線遠(yuǎn)場(chǎng)的電場(chǎng)，閑不住，多動(dòng)癥。那怎么定義他的動(dòng)作呢？那就看他往Component1方向上動(dòng)的多，還是Component2方向上動(dòng)的多，這就是向量的兩個(gè)分量E1和E2。這里最困惑的恐怕就是球坐標(biāo)的兩個(gè)分量，名字還是Theta和Phi！

好吧，因?yàn)門(mén)heta和Phi太流行，允許球坐標(biāo)這么任性吧。這里只有Ludwig 3很叛逆啊，他非叫電場(chǎng)的“水平“分量和”豎直“分量，和坐標(biāo)名字最不同，顯得很有生活的樣子。

那分量和極化什么關(guān)系呢？其實(shí)他們兩個(gè)很類似。

由于兩個(gè)分量正交，把電場(chǎng)的動(dòng)作橫平豎直分解的很干凈，以致不能很好表示其連貫性，比如空中轉(zhuǎn)體動(dòng)作，最后腳出界了也給金牌。所以我們需要更完整的定義“極化“。

再上表3：

所以，表2中四大分量都是線極化。這里多出兩個(gè)極化，一個(gè)是圓極化，另一個(gè)是傾斜極化。圓極化是兩個(gè)正交分量差90度相位交替運(yùn)動(dòng)，所以分左右手旋轉(zhuǎn)方向；傾斜極化就是將兩個(gè)正交分量強(qiáng)行扭轉(zhuǎn)到某個(gè)主方向，主方向的極化就是主極化，是我們想要的；垂直方向?yàn)榇我?strong>交叉極化，是我們不想要的。

話太多了，上案例：

長(zhǎng)方形喇叭天線，向Z+方向傳播，近場(chǎng)電場(chǎng)可看出，極化方向基本就是上下，也就是Y軸方向：

直接點(diǎn)擊遠(yuǎn)場(chǎng)，這里就看不到電場(chǎng)的多動(dòng)癥了，初學(xué)者就有點(diǎn)難判斷病情。那么這個(gè)常見(jiàn)的紅色為主的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖是什么坐標(biāo)？什么分量為主？什么極化呢？

先說(shuō)坐標(biāo)吧，仔細(xì)看遠(yuǎn)場(chǎng)圖，Z+軸附近有個(gè)Theta，X+軸附近有個(gè)Phi，這個(gè)就是坐標(biāo)軸的定義。由之前的表1可知，這個(gè)坐標(biāo)系不是Spherical就是Ludwig 3，對(duì)吧？

再說(shuō)分量，默認(rèn)是不顯示分量的，顯示的是絕對(duì)值A(chǔ)bs。

當(dāng)然下拉就可以看分量，一看又是Theta和Phi分量，這就明白了，就是用的最迷惑人的球坐標(biāo)!

猜的沒(méi)錯(cuò)，看遠(yuǎn)場(chǎng)屬性，坐標(biāo)欄，查看坐標(biāo)系的確是Spherical。

如果這里我們改成Ludwig3 呢？

點(diǎn)擊ok或apply，可見(jiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)分量就成了可查看的水平分量，豎直分量。

同理，如果我們改成Ludwig 2AE或Ludwig 2EA，就可以看到不同的分量定義了。

注意，以上我們只是展示怎么查看不同坐標(biāo)系，和不同坐標(biāo)系下，遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)使用的是不同的分量。以上我們使用的極化一直是線極化（linear）。

下面我們看主極化Copolar和交叉極化Crosspolar，極化需要從Linear改成Slant。

當(dāng)使用傾斜極化slant時(shí)，無(wú)論什么坐標(biāo)系，我們的遠(yuǎn)場(chǎng)分量都是Copolar和Crosspolar，這個(gè)和表3一致。

這里推薦將坐標(biāo)種類（axes type）改成polarization dependent，然后明確一下主極化方向和傳播方向。由于喇叭天線本身是線極化，且有方向性，所以我們選Linear-Directional。主極化方向?yàn)閅軸，Y軸上出現(xiàn)了“E-Vector“作為主極化方向。傳播方向是Z+，這就和三維的喇叭方向一致。可見(jiàn)此時(shí)坐標(biāo)是自動(dòng)，由于是傾斜極化，坐標(biāo)系的選擇不會(huì)影響分量的定義。

可見(jiàn)，定義Y為主極化之后，喇叭的極化方向（Y軸）確實(shí)和主極化一致，所有主極化的場(chǎng)很強(qiáng)。而交叉極化（藍(lán)綠色）雖然很弱，但也有一些值，這是因?yàn)檫@種方形的喇叭在邊邊角角有極化轉(zhuǎn)換的效果，就是少量的Y軸極化神奇的變成了X軸極化，叛變了。所以更高級(jí)的喇叭天線是可以通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)使交叉極化最小的哦！

假如我們想把這個(gè)天線安裝方向改變，得到不同的遠(yuǎn)場(chǎng)方向，是不是要三維調(diào)整重新仿真呢？當(dāng)然不用，遠(yuǎn)場(chǎng)調(diào)坐標(biāo)軸即可。選擇User Defined坐標(biāo)類型，和需要的極化類型（分量），比如這里我們還用主極化和交叉極化（slant）：

比如我們調(diào)整遠(yuǎn)場(chǎng)的z‘，這樣主瓣方向在全局坐標(biāo)中還是Z+，但遠(yuǎn)場(chǎng)坐標(biāo)中，就為T(mén)heta=45, Phi=180了。如果這時(shí)我們用后處理將遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，這樣就可以看到，前兩列是球坐標(biāo)系，后面幾列是主極化和交叉極化的值。最大值在Theta=45, Phi=180。

如果到這里還不清楚的話，下面我們看一個(gè)更復(fù)雜的情況，兩個(gè)天線，方向不同，極化方向也不同，如果同時(shí)激勵(lì)的遠(yuǎn)場(chǎng)，應(yīng)該如何觀察。

天線1和剛才一樣：

天線2是天線1位置轉(zhuǎn)90度，極化也轉(zhuǎn)90度。

這樣簡(jiǎn)單合并出來(lái)的遠(yuǎn)場(chǎng)，就是主要覆蓋兩個(gè)方向，合理合法合家歡。

如果這時(shí)，我們選擇Linear Directional, 就是主極化自動(dòng)定義為Y軸，然后看主極化圖，可見(jiàn)天線1還是為主，因?yàn)檫@時(shí)的主極化方向?qū)τ谔炀€2來(lái)說(shuō)，是交叉極化。如果我們看交叉極化，這就變成了天線2為主。所以，Copolar和Crosspolar都是人定的，不要混淆。