倒F天线仿真及走线宽度和高度对天线参数的影响

对于没有专业的射频工程师的企业来说，天线的设计和调试一直以来是困扰电子工程师的一个难题，大多数人是依葫芦画瓢，或者遵从有经验的工程师的建议，哪里哪里要怎么画，净空区要留多少，然而要说出个所以然来也是一知半解，只能说前人都是这样的，具体的理论可能要研究复杂的麦克斯韦方程组了、传输线理论、电磁学等了。
以前有了解过有仿真天线用的软件，像HFSS、CST等，摸索过HFSS又不太懂，这段时间又回过来研究了，基本流程算是了解了。
这里以一个工作于2.4G频段的蓝牙单极子蛇形天线仿真为例，来探索下以下相关参数对天线性能的影响：
①总长不变的情况下分析天线离参考地的高度对天线性能的影响
②分析倒F 接地那段线距离天线馈点出线端距离对天线性能的影响
③分析对地短路端垂直对地线段线宽对天线性能的影响
④分析天线走线宽度对天线性能的影响

下面是要仿真的天线原型，主板尺寸：50*40*0.8mm，参考地尺寸：40*40（阴影填充区域），天线总长L+H一般介于1/4个自由空间工作波长和1/4个介质层导波波长之间，/4≈30.7mm，是2.4G频段取中心点频率2.441G对应的自由空间波长，≈122.9mm，FR-4介质的介电常数一般4.3左右。
通长由下面的经验公式给出其初始值，即： L+H≈ $\lambda _{0}\div(4\sqrt{(1+\epsilon _{r})/2})$
则：L+H≈18.88mm，仿真取初始值L+H =21mm
仿真天线尺寸如下：

我们可以设置如下变量

变量名初始值备注
Lamda 122.9mm 波长
SY 50mm 主板长
SX 40mm 主板宽
SubH 0.8mm 主板厚度
GndX 40mm 参考地长
GndY 40mm 参考地宽
OffsetX 25mm 天线馈点离板边距离
H 4.5mm 天线离净空区高度
L 16.5mm 天线水平开路端长度
D 6mm 天线短路端离馈点的水平距离
W1 1mm 天线馈点出线端线宽
W2 1mm 天线对地短路端垂直对地线段线宽
W3 1mm 天线水平线宽

打开HFSS，插入一个工程，重命名为IFA_Sample1

设置驱动类型为终端驱动

设置单位为mm

设置变量(这里设置的是局部变量，只对该工程有

一、仿真现有天线
1.1 建立3D模型
1）、以天线馈点作为坐标原点

2）先画出主板的3D

3）设置主板材料属性为FR-4，重命名为“Substrate”

4)、设置Command属性

5）画天线的结构（命名为AT1)

7）画参考地平面，参考地平面位于底层（命名为GND）

8) 倒F天线短路对地端需和参考地连接，画一个矩形连接（命名为VIA)

9）画端口激励
端口激励就是馈点，连接参考地和天线，用矩形平面连接（命名为Port1）

9）对天线AT1、GND和VIA分配理想边界条件，选中AT1、VIA、GND，右键菜单中选择分配边界条件——>理想导体(Perfect E)——>默认确认

10）端口分配激励
选择Port1，右键选择分配激励——>集总端口激励（Lumped Port）

以GND作为参考地

确认下端口阻抗是50欧

11）还需建立一个空气盒作为辐射边界条件，空气盒内表面到天线的任一面需大于λ/4，我们取空气盒内表面到天线任一面约为λ/2。

12）给空气盒分配辐射边界条件，选中空气盒右击——>分配边界——>辐射（Radiation）——>默认

13）模型弄好后，设置求解项，项目树右键Analysis——>添加求解设置

设置求解频率为2.441GHz，其他默认

然后需要添加扫频项，右击该求解设置菜单里设置

设置从2-3GHz进行扫频，步进0.1GHz，点击Display后点确认

最后检查所有设置，所有都是绿勾就可以跑仿真了

1.2 右击相应的求解设置，点击分析就可以了

1.3 查看仿真结果
1.3.1 查看回波损耗S11

保持默认，点击New Report

该天线对应的S11如下，显示谐振点在2.6GHz：

查看史密斯图，右击工程树下的Results——>Create Terminal Solution Data Report——>Smith Chart

该天线对应的Smith图如下，显示2.441GHz对应的归一化阻抗（1.1739-0.5826j）Ω

二、分析天线其他参数对天线的影响
2.1 天线总长不变的情况下，分析天线高度H对天线性能的影响
天线总长L+H=21mm，新增变量天线长度ATL=L+H=21mm，天线尾部长度为ATL-W

添加优化分析变量，右击工程树Optimetrics——>Add——>Parametric

设置H从3mm变到8mm，并重命名该优化项为 ParametricSetup_H

右击工程树优化项ParametricSetup_H 就可以从菜单中选Analyze运行仿真了，仿真完可以直接查看S11和Smith 图，S11可以看出H=4.5mm和H=5mm有谐振点，H=5mm时谐振点在2.7GHz

2.2 分析接地端离天线馈点距离D对天线性能的影响
同上增加一个优化项，D从3mm变到8mm，重命名该优化项为ParametricSetup_D，运行分析仿真

运行完后查看S11，可以看出D不影响谐振点，只影响S11大小，最好的值为D=4mm时，相比于D=6mm，2.6GHz时由-22.36dB加深到了-32.98Db

查看Smith 图，同样的频点2.441GHz，D=4mm时，归一化阻抗为1.7102-0.5474j；D=6mm时，归一化阻抗为1.2730-0.7289j，随着D增加，阻抗实部在减小，虚部负的越大

2.3 其他不变的情况下分析天线对地短路端垂直对地线线段线宽（W2）对天线性能的影响
同上增加一个优化项W2，从0.4mm递增到2mm

运行仿真分析
查看S11，结果如下，W2不影响天线谐振点，一定范围内，越宽回损越深

2.4 其他不变天线走线宽度W3=W1，分析线宽变化时天线性能参数的变化
添加优化变量W1，从0.4递增到2mm

运行仿真分析
查看S11如下，可以看出天线宽度的变化不会影响天线的谐振点，W1=0.6mm时回损最深

查看Smith 图如下，随着天线宽度的加大，smIth 曲线往左下角在移动

三、总结
影响倒F天线的谐振点两个主要的因素一个是天线离参考地的距离，另一个是天线的走线长度

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