CST软件如何理解远场的坐标、分量和极化

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：

 

 

 

用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。

 

那分量和极化什么关系呢？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:

 

 

（内容、图片来源：CST仿真专家之路公众号，侵删）

 

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