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ANSYS Electronics 19.2 HFSS倒F天线设计仿真教程

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ANSYS Electronics19.2 –HFSS 倒F天线设计仿真

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。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，谐振时开路），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

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。