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HFSS倒F天线仿真设计过程step by step 分享教程

3月前浏览8428

本文摘要(由AI生成):

文章主要介绍了倒F天线(Inverted-F Antenna, IFA)的基本概念、结构特点、应用领域以及设计过程。倒F天线是一种单极子天线的变形结构,具有体积小、结构简单、易于匹配和制作成本低等优点,广泛应用于蓝牙、WiFi等短距离无线通信领域。文章详细描述了从1/4波长单极子天线到倒L天线再到倒F天线的衍变过程,以及倒F天线的结构组成,包括倒F形状天线、介质层和接地板。此外,文章还详细阐述了使用HFSS软件进行倒F天线仿真设计的过程,包括创建辐射贴片模型、设置边界条件、激励端口、辐射边界以及查看天线的输入阻抗和方向图等。


倒F天线介绍

倒F天线(Inverted-F Antenna,IFA)是单极子天线的一种变形结构,具有体积小、结构简单、易于匹配、制作成本低等优点。

其广泛应用于蓝牙、WiFi等短距离无线通信领域。

倒F天线衍变发展的过程可以看成是从1/4波长单极子天线到倒L天线再到倒F天线的过程。

                                         图片1.png

首先,将单极子天线进行90°弯曲,得到倒L天线,其总长仍然是1/4波长,单极子天线做这一变形的目的是有效减少天线的高度。

       图片2.png

然而对于倒L天线,其上半部分平行于地面,这样减小高度的同时增加了天线的容性,为了保持天线的谐振特性,我们就需要增加天线的感性,通常是在天线的拐角处增加一个倒L形贴片,贴片的一端通过过孔与地面相连,这样就形成了倒F天线。 

倒F天线结构如图所示:

                                             图片3.png

整个天线结构分为3个部分,分别是倒F形状天线、介质层和接地板。

 

介质层的材质使用的是PCB中最常用的玻璃纤维环氧树脂(FR4),其相对介电常数4.4,损耗正切为0.02.介质层厚度为0.8mm,长度和宽度分别为110mm和50mm。
接地板位于介质层的下表面,其长度和宽度分别为90mm和50mm.
倒F天线位于介质层的上表面,其谐振长度L=16.2mm,天线高度为H=3.8mm,接地点和馈电点的距离S=5mm,微带线的宽度为1mm。
天线的接地点通过过孔与地板相连接,在建模时,对接地的过孔做了简化处理,用一个矩形理想导体平面来代替。
为了便于更改模型的大小以及后续的参数化分析,及分析天线的结构参数对天线性能的影响,在HFSS设计建模时,我们需要定义一系列的变量来表示天线的结构。
其中,天线的谐振长度用变量L表示,天线的高度用H表示,馈电点和接地点之间的距离用S表示,天线微带贴片的宽度用W表示,接地板的长度和宽度分别用GndY和GndX来表示,介质层的厚度用SubH表示,如下表变量及初始值:

    图片4.png

HFSS仿真设计过程

新建设计工程

1)、打开ANSYS Electronics Desktop 2019 R2,默认建立了一个工程Project1,右键点击Project1,保存输入工程名IFA_20200212,选择文件夹,保存。

点击HFSS,弹出HFSS工作界面:

图片5.png图片6.png

(2)、设置求解类型

 

从主菜单中选择HFSS-->Solution Type命令,打开如下对话框,选择终端驱动求解类型 Terminal,OK.

                                              图片7.png

(3)、设置模型长度单位mm

 

从主菜单栏中选择Modeler-->Units 命令,打开设置窗口:

                                                        图片8.png

添加和定义设计变量

从主菜单栏中选择HFSS-->Design Properties 命令,打开设计属性对话框。在该对话框中单击Add按钮,打开add Property对话框,依次添加变量:

       图片9.png

       图片10.png

IFA天线设计建模

设置系统的坐标原点位于接地板顶端的中心位置。

 

接地板和天线辐射体都设置为不考虑厚度的理想薄导体。

 

首先在xoy平面上创建长度和宽度分别为变量GndY和GndX的接地板,并设置其边界条件为理想导体边界,用以模拟理想导体特性。

 

然后在接地板的正上方创建材质为FR4,厚度为SubH的介质层。

 

最后在介质层上表面(即z等于变量SubH的平面)创建倒F天线。

 

(1)、创建接地板

 

在xoy平面上创建一个矩形面,其一个顶点的坐标为(-GndX/2, -GndY, 0),长度和宽度分别为GndY和GndX.矩形面模型建好后,设置其边界条件为理想导体边界。

 

从主菜单选择Draw-->Rectangle命令或单击工具栏上的按钮,进入创建矩形面状态,然后在三维模型窗口的xy面上创建一个任意大小的矩形面。

 

新建的矩形面会添加到操作历史树sheets节点下,其默认名称是Rectangle1,双击操作历史树sheets下的Rectangle1选项,打开新建矩形面属性对话框的Attribute(属性)选项卡,在Name文本框输入GND,设置颜色为铜黄色,确定。

    图片11.png

展开操作历史树下的GND节点,双击该节点下的GreatRectangle选项,打开新建矩形面属性对话框Command选项卡,在选项卡中设置矩形面的顶点坐标和大小。

 

在Position文本框中输入顶点坐标(-GndX/2, -GndY, 0),在XSize和Ysize文本框中分别输入宽度和长度GndX和GndY,确定。

                                                  图片12.png

图片13.png

按Ctrl D全屏显示创建的物体模型:

图片14.png

在三维模型窗口选择参考地模型,然后单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择Assign Boundary-->Perfect E 命令,打开理想导体边界设置对话框,将Name默认的PerfE1修改为PerfE_GND,确定。

                                            图片15.png

(2)创建介质层

创建一个长方体模型用以表示介质层。模型位于接地板的正上方,即模型的地面位于xoy平面,模型介质为FR4, 并将模型命名为Substrate。

 

从主菜单栏中选择Draw-->Box命令,或单击工具栏上的按钮,创建一个任意大小的长方体,命名为Box1,双击Solids节点下的Box1 更改名称为Substrate,将Material选项对应的Value值设置为FR4_epoxy,设置其材质为FR4_epoxy,然后设置颜色为深绿色,设置透明度为0.6,确定。

            图片16.png

双击操作历史树Substrate节点下的CreateBox选项,打开属性对话框,设置长方体顶点坐标和大小,如下图,确定。

           图片17.png

Ctrl D 预览

图片18.png

3)创建倒F天线模型

创建倒F天线的辐射贴片模型,其位于介质层上表面,通过一个理想导体矩形面接地,天线辐射贴片的形状如图:

                    图片19.png


A. 创建矩形面1,命名为FeedLine,长宽分别为H、W:

     图片20.png

B. 创建矩形面2,命名为Gndstub1,长度和宽度分别为H和W:

   图片21.png


C.创建矩形面3,命名为Gnd_stub2,长、宽分别为S 2*W、W

 

     图片22.png


                         D、创建矩形面4,命名为Antenna,其长度和宽度分别为L和W

图片23.png


E. 创建矩形面5,该命名为与xz平面,单击工具栏上的XY下拉列表框,选择XZ。


图片24.png

F.合并矩形面生成完整的倒F天线。

按住Ctrl键,一次单击操作历史树sheets下的Antenna、FeedLine、Gnd_stub1、Gnd_stub2和Gnd_Via,然后从主菜单栏中选择Modeler-->Boolean-->Unite命令,或单击工具栏上的按钮,执行合并操作。合并生成的新物体名称为Antenna。

                                                图片25.png

G.设置倒F天线模型的边界条件,选中sheets下的Antenna选项,右键单击,选中Assign Boundary-->Perfect E命令,修改名称为PerfE_Antenna,OK。

 

(4)设置激励端口


因为天线的输入端口位于模型的内部,所以需要使用集总端口激励。
在天线的馈线(即矩形面FeedLine)底端和接地板之间创建一个平行于xz平面的矩形面,将其作为天线的激励端口面,如图矩形面6,然后设置该激励端口面的激励方式为集总端口激励。
确认工作平面在xz平面,创建矩形面,命名为Feed_Port:

        图片26.png

设置激励,在操作历史树sheets下单击Feed_Port,选中矩形面,然后鼠标右键,Assign-->Lumped Port命令,打开终端驱动求解类型下集总端口设置对话框。
Port Name 选项默认为1,下面的Conductor选项设置端口参考地,这里选中GND对应复选框,OK,完成集总端口激励的设置,完成后,设置的集总端口名称1会自动添加到工程树Excitations下,1是集总端口激励名称,Antenna_T1是终端线名称:

      图片27.png

双击Excitations节点下的端口激励名称1,打开Lumped Port 对话框,确认端口阻抗为50Ω。双击终端线名称Antenna_T1,打开Terminal对话框,名称可以改为T1,确认其归一化阻抗也是50Ω。
(5)、创建和设置辐射边界使用HFSS分析天线问题时,必须设置辐射边界条件,且辐射表面和天线之间的距离需要不小于1/4个工作波长。
在本设计中设置一个长方体模型的表面为辐射表面,辐射表面和倒F天线模型距离为1/2个工作波长。
首先创建一个长方体模型AirBox,该长方体模型各个表面和介质层Substrate表面之间的距离都是1/2个工作波长,然后把该长方体模型的全部表面都设置为辐射边界条件。
设置当前工作平面为xy,创建Box,命名为AirBox:

      图片28.png

     图片29.png


长方体模型AirBox创建好之后,右键单击操作历史树Solids节点下的AirBox选项,Assign Boundary-->Radiation(辐射)命令,打开对话框,保持默认设置不变,OK,即把长方体模型的表面设置为辐射边界条件。
设置完成后,辐射边界条件的默认名称Rad1会自动添加到工程树的Boundaries节点下。

                                       图片30.png


(6)求解设置

所设计的倒F天线工作于2.4GHz,中心频率为2.45GHz,所以求解频率可以设置为2.45GHz,同时添加1.8G-3.2GHz的扫频设置,选择插值(Interpolating)扫描类型,分析天线在1.8-3.2GHz频段内的回波损耗和输入阻抗等性能。

 

A.求解频率和网格剖析设置

 

右键单击工程树下的Analysis节点,在弹出的快捷菜单中选择Add Solution Setup-->Advanced命令,打开对话框,设置如下:

                                 图片31.png


B.扫频设置,展开Analysis 下Setup1,右键,选择Add Frequency Sweep 命令,打开Edit Sweep对话框,设置如下:

                           图片32.png

OK

图片33.png

(7)、设计检查和运行仿真计算

HFSS-->Validation Check

                          图片34.png

右键单击Analysis,选择Analysis All命令开始仿真计算。

 

(8)、查看天线性能参数

 

仿真分析完成后,在数据后处理部分能够查看天线的各项性能参数。

 

A.通过查看天线的回波损耗(S11),即可看出天线的谐振频率。右键单击工程树Result节点,在弹出的快捷菜单中选择Create Terminal Solution Data Report-->Rectangular Plot 命令,打开报告对话框:

                    图片35.png

核对对话框左侧Solution 选项选的是Setup1:Sweep,在Gategory列表框中选中Terminal S Parameter 选项,在Quantity列表框中选中St(Antenna_T1, Antenna_T1),在Function列表框中选中dB选项。

 

然后单击New Report,再单击Close,即可生成下图S11分析结果:

 

图片36.png

右键添加mark点:

图片37.png

从结果报告中可以看出,天线谐振频率为2.45GHz,10dB带宽约为400MHz.在2.45GHz时,S11=-35.2655。

 

B.查看天线的输入阻抗


在直角坐标系下和Smith原图下分别查看天线的输入阻抗随频率的变化关系。
右键单击工程树下的Result节点,在弹出的快捷菜单中选择Create Terminal Solution Data Report-->Rectangular Polt 命令,打开报告设置对话框,Solution 同样选择Setup1:Sweep,在Category列表中选择Terminal Z Parameter, Quantity 选择Zt(Antenna_T1, Antenna_T1),Function 中选择im和re,  表示同时查看输入阻抗的虚部(电抗部分)和实部(电阻部分)。
然后单击New Report,再单击Close,即生成天线输入阻抗结果的报告:

                图片38.png

              图片39.png

           图片40.png

从报告中可以看出,在2.45GHz中心频率上,天线的输入阻抗为(51.5622 j0.7925)Ω,可见此时天线的输入阻抗已经和50Ω匹配良好。

 

再次右击Result, Create Terminal Solution Data Report-->Smith Chart 打开设置对话框,Solution 同样选择Setup1:Sweep,在Category列表中选择Terminal S Parameter, Quantity 选择St(Antenna_T1, Antenna_T1),Function 中选择none。

然后单击New Report,再单击Close,即生成Smith圆图显示的天线输入阻抗结果报告:

                   图片41.png图片39.png

                 图片42.png

报告中可以看出,在2.45GHz中心频率上,天线的归一化输入阻抗为(1.0312 j0.0159)Ω。

 

C.查看天线的方向图

 

这里查看天线的三维增益方向图。天线方向图是在远场区确定的,当查看天线的远区场分析结果时,首先需要定义辐射表面。

 

右键工程树下的Radiation节点,在弹出的快捷菜单中选择Insert Far Field Setup-->Infinite Sphere 命令,打开Far Field Radiation Sphere Setup 对话框,定义辐射表面:

                                                         图片43.png

点击OK定义名称为Infinite Sphere 3D的辐射表面添加到Radiation下。

查看三维增益方向图:右键单击工程树下的Result节点,在弹出的快捷菜单中选择Create Far Fields Report -->3D Polar Plot 命令,打开设置对话框,在Geometry选择Infinite Sphere 3D,在Category列表中选择Gain, Quantity 选择GainTotal,Function 中选择dB。

然后单击New Report,再单击Close,即生成倒F天线的三维增益方向图:

                     图片44.png

                     图片45.png

天线的结构参数对天线性能的影响

下面使用HFSS的参数扫描分析功能来具体分析倒F天线的谐振长度L、馈线高度H以及两条竖线直臂之间距离S对天线谐振频率和输入阻抗的实际影响。 

谐振长度L和天线谐振频率、输入阻抗的关系

添加倒F天线的谐振长度变量L为扫描变量,使用参数扫描分析功能仿真分析给出的变量在15.2mm到17.2mm变化时,天线谐振频率和输入阻抗的变化。
1)、右键单击工程树下的Optimetrics节点,在弹出的快捷菜单中选择Add-->Parametric命令,打开Setup Sweep Analysis对话框。单击该对话框中的Add按钮,打开Add/Edit Sweep对话框,在Variable下拉列表中选择变量L,选择Linear step 单选按钮,填写其他参数,点击Add按钮,OK,依次确定完成添加参数扫描操作。
完成后参数扫描分析项的名称会自动添加到工程Opetmetrics下,其默认名称为ParametricSetup1.

                                 图片46.png

2) 、运行参数扫描分析
右键单击展开工程树下Optimetrics节点下的ParametricSetup1选项,选择Analyze 命令,运行参数扫描分析,时间较长。
3)、查看分析结果
右键工程树下Results节点,选择Create Terminal Solution Data Report--> Rectangular Plot 命令,打开设置对话框,在Category列表中选择Terminal S Parameter, Quantity 选择St(Antenna_T1, Antenna_T1),Function 中选择dB。
然后单击New Report,再单击Close,即生成即可生成下图S11分析结果:

                           图片47.png

                            图片48.png

再右键Result节点,Great Terminal Solution Data Report-->Rectangular Plot 命令,在Category列表中选择Terminal Z Parameter, Quantity 选择Zt(Antenna_T1, Antenna_T1),Function 中选择im和re。

然后单击New Report,再单击Close,即生成一组输入阻抗结果报告:

           图片49.png

              图片50.png

再次右击Result, Create Terminal Solution Data Report-->Smith Chart 打开设置对话框,在Category列表中选择Terminal S Parameter, Quantity 选择St(Antenna_T1, Antenna_T1),Function 中选择none。
然后单击New Report,再单击Close,即生成Smith圆图显示的一组天线输入阻抗结果报告:

图片51.png

高度H和天线谐振频率、输入阻抗的关系 

添加变量H, 右键Optimetrics  Add-->Parametric,打开对话框 Add,打开Add/Edit Sweep对话框:

                图片58.png


完成后生成参数扫描分析项 ParametricSetup2.右键,选择Analyze命令,运行参数扫描分析。

 

 新建分析结果:

图片53.png

                         

更新L参数生成的分析结果到H参数,双击Terminal S Parameter Plot 2 下的dB(St(Antenna_T1, Antenna_T1)):

 

1、选择Families复选框,

2、单击右下方Nominals右侧下拉菜单选择Set All Variables to Nominal,

3、单击变量H右侧的三点按钮,选择Use all values复选框 

4、单击Apply Trace,完成更新


图片54.png

同样更新输入阻抗

 图片55.png

图片56.png

同样,Smith

图片57.png

间距S和天线谐振频率、输入阻抗的关系

 

添加倒F天线两条竖臂之间的距离S为扫描变量:

                             图片58.png

完成添加S扫描变量,运行参数扫描分析。

 

查看分析结果:同样更新扫描变量:

                                    图片59.png

                                       图片60.png

                                           图片61.png


HFSS通用ECAD电机MCADMEMS无人机
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2020-11-09
最近编辑:3月前
电磁应用HFSS
硕士 | 高级电磁应用... 志存高远,脚踏实地…
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2条评论
xxii.
签名征集中
11月前
你好,请问这个扫描机制是机械扫描吗
回复
*
签名征集中
3年前
请问购买这个工程文件需要多少钱?
回复 4条回复
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