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实战案例:HFSS助力倒F天线设计仿真全攻略

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作者:获授权转载自射频百花潭

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

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