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应用案例:HFSS设计仿真倒F天线

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本文摘要(由AI生成):

本文介绍了使用HFSS软件分析倒F天线性能的方法,特别关注了谐振长度L、馈线高度H和竖线直臂间距S对天线谐振频率和输入阻抗的影响。通过参数扫描分析功能,对这三个变量进行了仿真分析,并生成了包括三维增益方向图、S11分析结果、输入阻抗结果报告和Smith圆图等多种结果。这些结果有助于深入理解天线的性能特性,并为天线设计和优化提供了依据。


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:




OK



(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:




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:





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:



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:



同样更新输入阻抗



同样,Smith




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:



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:


转载来源:射频百花潭







HFSS天线布局通信参数优化
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首次发布时间:2020-09-03
最近编辑:5月前
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