ANSYS Electronics19.2 –HFSS 倒F天線設計仿真

ANSYS Electronics19.2 –HFSS 倒F天線設計仿真

         倒F天線（Inverted-F Antenna，IFA）是單極子天線的一種變形結構，具有體積小、結構簡單、易於匹配、製作成本低等優點。廣泛應用於藍牙、WiFi等短距離無線通信領域。

倒F天線衍變發展的過程可以看成是從1/4波長單極子天線到倒L天線再到倒F天線的過程。

首先，將單極子天線進行90°彎曲，得到倒L天線，其總長仍然是1/4波長，單極子天線做這一變形的目的是有效減少天線的高度。然而對於倒L天線，其上半部分平行於地面，這樣減小高度的同時增加了天線的容性，爲了保持天線的諧振特性，我們就需要增加天線的感性，通常是在天線的拐角處增加一個倒L形貼片，貼片的一端通過過孔與地面相連，這樣就形成了倒F天線。

倒F天線結構如圖所示：

倒F天線由長L的終端開路傳輸線和長爲S的終端短路傳輸線並聯組成。其中，開路到饋點可以等效成電阻和電容的並聯（相當於負載，諧振時開路），短路端到饋點可以等效爲電阻和電感的串聯（諧振時短路）。當天線諧振時，電流主要分佈在天線的水平部分和對地短路部分，而饋電支路基本無電流分佈。

倒F天線的設計和分析

         倒F天線製作在PCB上，工作於2.4GHz ISM頻段，其中心頻率爲2.45GHz,並要求10dB帶寬大於100MHz（S11,小於-10db的帶寬達到100MHz以上）。倒F天線結構模型如下圖所示：

        整個天線結構分爲3個部分，分別是倒F形狀天線、介質層和接地板。介質層的材質使用的是PCB中最常用的玻璃纖維環氧樹脂（FR4）,其相對介電常數4.4，損耗正切爲0.02.介質層厚度爲0.8mm,長度和寬度分別爲110mm和50mm。接地板位於介質層的下表面，其長度和寬度分別爲90mm和50mm.倒F天線位於介質層的上表面，其諧振長度L=16.2mm,天線高度爲H=3.8mm,接地點和饋電點的距離S=5mm,微帶線的寬度爲1mm。天線的接地點通過過孔與地板相連接，在建模時，對接地的過孔做了簡化處理，用一個矩形理想導體平面來代替。

         爲了便於更改模型的大小以及後續的參數化分析，及分析天線的結構參數對天線性能的影響，在HFSS設計建模時，我們需要定義一系列的變量來表示天線的結構。其中，天線的諧振長度用變量L表示，天線的高度用H表示，饋電點和接地點之間的距離用S表示，天線微帶貼片的寬度用W表示，接地板的長度和寬度分別用GndY和GndX來表示，介質層的厚度用SubH表示，如下表變量及初始值：

HFSS仿真設計過程

新建設計工程

（1）、打開ANSYS Electronics Desktop 2019 R2，默認建立了一個工程Project1，右鍵點擊Project1，保存輸入工程名IFA_20200212,選擇文件夾，保存。

點擊HFSS,彈出HFSS工作界面:

（2）、設置求解類型

從主菜單中選擇HFSS-->Solution Type命令，打開如下對話框，選擇終端驅動求解類型 Terminal，OK.

（3）、設置模型長度單位mm

從主菜單欄中選擇Modeler-->Units 命令，打開設置窗口：

添加和定義設計變量

從主菜單欄中選擇HFSS-->Design Properties 命令，打開設計屬性對話框。在該對話框中單擊Add按鈕，打開add Property對話框，依次添加變量：

IFA天線設計建模

設置系統的座標原點位於接地板頂端的中心位置。接地板和天線輻射體都設置爲不考慮厚度的理想薄導體。首先在xoy平面上創建長度和寬度分別爲變量GndY和GndX的接地板，並設置其邊界條件爲理想導體邊界，用以模擬理想導體特性。然後在接地板的正上方創建材質爲FR4，厚度爲SubH的介質層。最後在介質層上表面（即z等於變量SubH的平面）創建倒F天線。

（1）、創建接地板

在xoy平面上創建一個矩形面，其一個頂點的座標爲（-GndX/2, -GndY, 0）,長度和寬度分別爲GndY和GndX.矩形面模型建好後，設置其邊界條件爲理想導體邊界。

從主菜單選擇Draw-->Rectangle命令或單擊工具欄上的按鈕，進入創建矩形面狀態，然後在三維模型窗口的xy面上創建一個任意大小的矩形面。新建的矩形面會添加到操作歷史樹sheets節點下，其默認名稱是Rectangle1，雙擊操作歷史樹sheets下的Rectangle1選項，打開新建矩形面屬性對話框的Attribute（屬性）選項卡，在Name文本框輸入GND,設置顏色爲銅黃色，確定。

展開操作歷史樹下的GND節點，雙擊該節點下的GreatRectangle選項，打開新建矩形面屬性對話框Command選項卡，在選項卡中設置矩形面的頂點座標和大小。在Position文本框中輸入頂點座標（-GndX/2, -GndY, 0），在XSize和Ysize文本框中分別輸入寬度和長度GndX和GndY，確定。

按Ctrl+D全屏顯示創建的物體模型：

在三維模型窗口選擇參考地模型，然後單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Assign Boundary-->Perfect E 命令，打開理想導體邊界設置對話框，將Name默認的PerfE1修改爲PerfE_GND,確定。

（2）、創建介質層

創建一個長方體模型用以表示介質層。模型位於接地板的正上方，即模型的地面位於xoy平面，模型介質爲FR4,並將模型命名爲Substrate。

從主菜單欄中選擇Draw-->Box命令，或單擊工具欄上的按鈕，創建一個任意大小的長方體，命名爲Box1,雙擊Solids節點下的Box1 更改名稱爲Substrate，將Material選項對應的Value值設置爲FR4_epoxy,設置其材質爲FR4_epoxy，然後設置顏色爲深綠色，設置透明度爲0.6，確定。

雙擊操作歷史樹Substrate節點下的CreateBox選項，打開屬性對話框，設置長方體頂點座標和大小，如下圖，確定。

Ctrl+D 預覽

（3）、創建倒F天線模型

創建倒F天線的輻射貼片模型，其位於介質層上表面，通過一個理想導體矩形面接地，天線輻射貼片的形狀如圖：

 

A.創建矩形面1，命名爲FeedLine,長寬分別爲H、W:

 B. 創建矩形面2，命名爲Gndstub1,長度和寬度分別爲H和W:

 

C.創建矩形面3，命名爲Gnd_stub2，長、寬分別爲S+2*W、W

 

D.創建矩形面4，命名爲Antenna，其長度和寬度分別爲L和W

E. 創建矩形面5，該命名爲與xz平面，單擊工具欄上的下拉列表框，選擇XZ。創建該平面，

命名爲Gnd_via，其長度和寬度分別爲SubH和W

 

F.合併矩形面生成完整的倒F天線。

按住Ctrl鍵，一次單擊操作歷史樹sheets下的Antenna、FeedLine、Gnd_stub1、Gnd_stub2和Gnd_Via,然後從主菜單欄中選擇Modeler-->Boolean-->Unite命令，或單擊工具欄上的按鈕，執行合併操作。合併生成的新物體名稱爲Antenna。

G.設置倒F天線模型的邊界條件，選中sheets下的Antenna選項，右鍵單擊，選中Assign Boundary-->Perfect E命令，修改名稱爲PerfE_Antenna,OK。

（4）、設置激勵端口

        因爲天線的輸入端口位於模型的內部，所以需要使用集總端口激勵。在天線的饋線（即矩形面FeedLine）底端和接地板之間創建一個平行於xz平面的矩形面，將其作爲天線的激勵端口面，如圖矩形面6，然後設置該激勵端口面的激勵方式爲集總端口激勵。

        確認工作平面在xz平面，創建矩形面，命名爲Feed_Port:

        設置激勵，在操作歷史樹sheets下單擊Feed_Port，選中矩形面，然後鼠標右鍵，Assign-->Lumped Port命令，打開終端驅動求解類型下集總端口設置對話框。Port Name 選項默認爲1，下面的Conductor選項設置端口參考地，這裏選中GND對應複選框，OK,完成集總端口激勵的設置，完成後，設置的集總端口名稱1會自動添加到工程樹Excitations下，1是集總端口激勵名稱，Antenna_T1是終端線名稱：

        雙擊Excitations節點下的端口激勵名稱1，打開Lumped Port 對話框，確認端口阻抗爲50Ω。雙擊終端線名稱Antenna_T1，打開Terminal對話框，名稱可以改爲T1，確認其歸一化阻抗也是50Ω。

（5）、創建和設置輻射邊界

        使用HFSS分析天線問題時，必須設置輻射邊界條件，且輻射表面和天線之間的距離需要不小於1/4個工作波長。在本設計中設置一個長方體模型的表面爲輻射表面，輻射表面和倒F天線模型距離爲1/2個工作波長。首先創建一個長方體模型AirBox,該長方體模型各個表面和介質層Substrate表面之間的距離都是1/2個工作波長，然後把該長方體模型的全部表面都設置爲輻射邊界條件。

        設置當前工作平面爲xy,創建Box，命名爲AirBox:

        長方體模型AirBox創建好之後，右鍵單擊操作歷史樹Solids節點下的AirBox選項，Assign Boundary-->Radiation（輻射）命令，打開對話框，保持默認設置不變，OK,即把長方體模型的表面設置爲輻射邊界條件。設置完成後，輻射邊界條件的默認名稱Rad1會自動添加到工程樹的Boundaries節點下。

（6）、求解設置

所設計的倒F天線公=工作於2.4GHz，中心頻率爲2.45GHz,所以求解頻率可以設置爲2.45GHz,同時添加1.8G-3.2GHz的掃頻設置，選擇插值（Interpolating）掃描類型，分析天線在1.8-3.2GHz頻段內的回波損耗和輸入阻抗等性能。

 

 

A.求解頻率和網格剖析設置

右鍵單擊工程樹下的Analysis節點，在彈出的快捷菜單中選擇Add Solution Setup-->Advanced命令，打開對話框，設置如下：

 

B.掃頻設置，展開Analysis 下Setup1，右鍵，選擇Add Frequency Sweep 命令，打開Edit Sweep對話框，設置如下：

OK

（7）、設計檢查和運行仿真計算

         HFSS-->Validation Check

         右鍵單擊Analysis，選擇Analysis All命令開始仿真計算，要聯網。

（8）、查看天線性能參數

         仿真分析完成後，在數據後處理部分能夠查看天線的各項性能參數。

 

A.通過查看天線的回波損耗（S11）,即可看出天線的諧振頻率。右鍵單擊工程樹

Result節點，在彈出的快捷菜單中選擇Create Terminal Solution Data Report-->Rectangular Plot 命令，打開報告對話框：

         覈對對話框左側Solution 選項選的是Setup1：Sweep，在Gategory列表框中選中Terminal S Parameter 選項，在Quantity列表框中選中St(Antenna_T1, Antenna_T1),在Function列表框中選中dB選項。然後單擊New Report,再單擊Close，即可生成下圖S11分析結果：

                  右鍵添加mark點：

從結果報告中可以看出，天線諧振頻率爲2.45GHz,10dB帶寬約爲400MHz.在2.45GHz時，S11=-35.2655。

 

B.查看天線的輸入阻抗

         在直角座標系下和Smith原圖下分別查看天線的輸入阻抗隨頻率的變化關係。

         右鍵單擊工程樹下的Result節點，在彈出的快捷菜單中選擇Create Terminal Solution Data Report-->Rectangular Polt 命令，打開報告設置對話框，Solution 同樣選擇Setup1：Sweep,在Category列表中選擇Terminal Z Parameter, Quantity 選擇Zt（Antenna_T1, Antenna_T1），Function 中選擇im和re,表示同時查看輸入阻抗的虛部（電抗部分）和實部（電阻部分）。然後單擊New Report,再單擊Close，即生成天線輸入阻抗結果的報告：

                           

                           

 

                   添加mark點

         從報告中可以看出，在2.45GHz中心頻率上，天線的輸入阻抗爲（51.5622+j0.7925）Ω，可見此時天線的輸入阻抗已經和50Ω匹配良好。

         再次右擊Result, Create Terminal Solution Data Report-->Smith Chart 打開設置對話框，Solution 同樣選擇Setup1：Sweep,在Category列表中選擇Terminal S Parameter, Quantity 選擇St（Antenna_T1, Antenna_T1），Function 中選擇none。然後單擊New Report,再單擊Close，即生成Smith圓圖顯示的天線輸入阻抗結果報告：

報告中可以看出，在2.45GHz中心頻率上，天線的歸一化輸入阻抗爲（1.0312+j0.0159）Ω。

 

C.查看天線的方向圖

這裏查看天線的三維增益方向圖。天線方向圖是在遠場區確定的，當查看天線的遠區場分析結果時，首先需要定義輻射表面。

         右鍵工程樹下的Radiation節點，在彈出的快捷菜單中選擇Insert Far Field Setup-->Infinite Sphere 命令，打開Far Field Radiation Sphere Setup 對話框，定義輻射表面：

點擊OK定義名稱爲Infinite Sphere 3D的輻射表面添加到Radiation下。

         查看三維增益方向圖：右鍵單擊工程樹下的Result節點，在彈出的快捷菜單中選擇Create Far Fields Report -->3D Polar Plot 命令，打開設置對話框，在Geometry選擇Infinite Sphere 3D，在Category列表中選擇Gain, Quantity 選擇GainTotal，Function 中選擇dB。然後單擊New Report,再單擊Close，即生成倒F天線的三維增益方向圖：

分析倒F天線的結構參數對天線性能的影響

         下面使用HFSS的參數掃描分析功能來具體分析倒F天線的諧振長度L、饋線高度H以及兩條豎線直臂之間距離S對天線諧振頻率和輸入阻抗的實際影響。

1. 諧振長度L和天線諧振頻率、輸入阻抗的關係

         天下倒F天線的諧振長度變量L爲掃描變量，使用參數掃描分析功能仿真分析給出的變量在15.2mm到17.2mm變化時，天線諧振頻率和輸入阻抗的變化。

         1）、右鍵單擊工程樹下的Optimetrics節點，在彈出的快捷菜單中選擇Add-->Parametric命令，打開Setup Sweep Analysis對話框。單擊該對話框中的Add按鈕，打開Add/Edit Sweep對話框，在Variable下拉列表中選擇變量L，選擇Linear step 單選按鈕，填寫其他參數，點擊Add按鈕，OK，依次確定完成添加參數掃描操作。完成後參數掃描分析項的名稱會自動添加到工程Opetmetrics下，其默認名稱爲ParametricSetup1.

 

        2)、運行參數掃描分析

         右鍵單擊展開工程樹下Optimetrics節點下的ParametricSetup1選項，選擇Analyze 命令，運行參數掃描分析，時間較長。

 

        3）、查看分析結果

         右鍵工程樹下Results節點，選擇Create Terminal Solution Data Report--> Rectangular Plot 命令，打開設置對話框，在Category列表中選擇Terminal S Parameter, Quantity 選擇St（Antenna_T1, Antenna_T1），Function 中選擇dB。然後單擊New Report,再單擊Close，即生成即可生成下圖S11分析結果：

        再右鍵Result節點，Great Terminal Solution Data Report-->Rectangular Plot 命令，在Category列表中選擇Terminal Z Parameter, Quantity 選擇Zt（Antenna_T1, Antenna_T1），Function 中選擇im和re。然後單擊New Report,再單擊Close，即生成一組輸入阻抗結果報告：

         再次右擊Result, Create Terminal Solution Data Report-->Smith Chart 打開設置對話框，在Category列表中選擇Terminal S Parameter, Quantity 選擇St（Antenna_T1, Antenna_T1），Function 中選擇none。然後單擊New Report,再單擊Close，即生成Smith圓圖顯示的一組天線輸入阻抗結果報告：

2、 高度H和天線諧振頻率、輸入阻抗的關係

         添加變量H, 右鍵Optimetrics  Add-->Parametric,打開對話框 Add,打開Add/Edit Sweep對話框：

         完成後生成參數掃描分析項 ParametricSetup2.右鍵，選擇Analyze命令，運行參數掃描分析。

查看分析結果。

         新建分析結果：

        更新L參數生成的分析結果到H參數，雙擊Terminal S Parameter Plot 2 下的dB(St(Antenna_T1, Antenna_T1)):1、選擇Families複選框，2、單擊右下方Nominals右側下拉菜單選擇Set All Variables to Nominal,3、單擊變量H右側的三點按鈕，選擇Use all values複選框，4、單擊Apply Trace，完成更新：

 

同樣更新輸入阻抗

同樣，Smith

3、間距S和天線諧振頻率、輸入阻抗的關係

         添加倒F天線兩條豎臂之間的距離S爲掃描變量：

完成添加S掃描變量。

         運行參數掃描分析。

         查看分析結果：同樣更新掃描變量：

Good Time!