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应用案例：HFSS设计仿真倒F天线

仿真圈

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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。

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。

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：

倒F天线由长L的终端开路传输线和长为S的终端短路传输线并联组成。

其中，开路到馈点可以等效成电阻和电容的并联（相当于负载，谐振时开），短路端到馈点可以等效为电阻和电感的串联（谐振时短路）。

当天线谐振时，电流主要分布在天线的水平部分和对地短路部分，而馈电支路基本无电流分布。

倒F天线的设计和分析

本案例倒F天线制作在PCB上，工作于2.4GHz ISM频段，其中心频率为2.45GHz,并要求10dB带宽大于100MHz（S11,小于-10db的带宽达到100MHz以上）。

倒F天线结构模型如下图所示：

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：

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:

（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.

（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：

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：

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。

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。

按Ctrl+D全屏显示创建的物体模型：

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。

（2）创建介质层

创��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。

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。

Ctrl+D 预览

（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：

A.创建矩形面1，命名为FeedLine,长宽分别为H、W:

B. 创建矩形面2，命名为Gndstub1,长度和宽度分别为H和W:

C.创建矩形面3，命名为Gnd_stub2，长、宽分别为S+2*W、W

D.创建矩形面4，命名为Antenna，其长度和宽度分别为L和W

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

创建该平面，命名为Gnd_via，其长度和宽度分别为SubH和W

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。

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:

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：

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:

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。

（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：

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：

（7）、设计检查和运行仿真计算

HFSS-->Validation Check

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：

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：

右键添加mark点：

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：

添加mark点：

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：

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：

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：

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.

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：

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：

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：