HFSS —2.4Ghz蓝牙和wifi天线设计

PCB天线的发展演变———-单极子天线

半波偶极子天线单向偶极子天线（鞭状天线、倒L天线）

方向性：2.15dB 方向性：2.15dB+3dB

输入阻抗：73.2欧姆输入阻抗：37.6欧姆
倒F天线：由倒L天线演变而来，为了解决倒L天线没有参数调节输入端的输入阻抗。

发展思路：倒L天线输入端电流最大，电压最小。而末端电流最小（0），电压最大。根据阻抗定义：R=V/I，输入端输入阻抗小，输出端输入阻抗大，可见天线的输入阻抗是逐渐增大的，即总有一点满足输入阻抗的值为50欧姆，这样就可以满足标准的50欧姆阻抗，可以调节馈点位置，来调节输入阻抗。为了减小天线尺寸，可采用蛇形天线

设计天线应该考虑的问题：

1.天线工作频率的决定因素是天线的长度。天线长度介于1/4介质波长和1/4自由空间波长之间

2.PCB板材（通常都是FR4，Er=4.4）

3.PCB板厚

4.PCB 板参考地平面的尺寸

5.天线走线的宽度。

6.天线位置

7.外壳

HFSS设计环境

软件版本

HFSS v 15.0

求解类型（solution type）

Driven Terminal

激励类型

Lumped port

背景边界条件

Radiation

2.4Ghz蓝牙和wifi天线设计

工作频率

Bluetooth/wifi工作于2.4Ghz1SM中心频率取2.45Ghz

PCB板信息

介质材料：FR4 Er=4.4

板厚：1mm

天线走线宽度：1.6mm

PCB板尺寸：65mm×40mm

参考地大小：40mm×40mm

天线长度：

2.45Ghz时1/4各自由空间波长：30.6mm1/4个FR4介质波长：14.8mm

取二者中间值22.7mm 其中垂直长度8mm，水平长度14.7mm

创建参数化模型便于参数扫描分析

分析天线长度和谐振频率找出天线工作于2.45Ghz对应的准确长度

分析PCB相关参数变化，对天线性能的影响

1.分析PCB 板厚对天线性能的影响

2.分析地平面大小对天线性能的影响

3.分析天线线宽对天线性能的影响

4.分析天线总长度对天线性能的影响，垂直长度和水平长度变化对天线性能的影响

HFSS实操

打开hfss软件

插入一个hfss设计

对于PCB天线来说，我们最好使用终端驱动求解类型，所以将求解类型设置为终端求解类型

HFSS→Solution Type→ Driven Terminal

接下来就是创建PCB天线的模型，在创建模型之前，首先设置一下长度单位，当前系统默认的长度单位是mm，所以可以不用修改，如果不是可以从Modeler→Units→Select Units（mm）
定义一系列的设计变量

Hfss→design properties→Add

此处添加一个变量

H—Sub来表示PCB班的厚度

W：天线走线宽度

H：天线在垂直方向上的长度

L：天线在水平方向上的长度

Gnd_x:参考地的长度

Gnd_y:参考地的宽度

如下Add以下变量

创建天线模型

首先创建PCB板的介质层：

单击创建长方形的快捷方式，创建一个任意大小的长方体。双击创建的Box1

更改数据

name更改为Substrate

materials→Edits搜索FR4双击选中FR4_epoxy

color→从基本颜色中选择墨绿色（4行3列）

Transparent→选择0.4

双击CreateBox打开Command对话框设置位置坐标和大小尺寸

Position是设置这个长方体的顶点坐标。XYZ分别是设置长方体在XYZ方向上的长度，也就是长方体的长宽和高。

将参数设置成下图：
接着创建天线的走线部分

天线的走线部分是位于介质层的上表面，所以天线的走线是位于z=0的这个平面上。

单击创建长方形的快捷方式在z=0的平面上创建一个矩形。
创建好之后，双击新建的矩形面名称，打开他的属性对话框，更改他的名称为ILA，将它的颜色设置为铜黄色
在双击CreateRectangle将里面的参数设置为如下所示
单击创建长方形的快捷方式在z=0的平面上创建一个矩形。移动鼠标到刚刚创建的长方形的顶点位置，当鼠标光标变为四方形的时候就表示捕捉到矩形面的顶点，点击新绘制的矩形的CreateRectangle，将参数改为如下图所示：
接下来按住键盘上的ctrl键，单击ILA和 Rectangle1同时选中两个矩形面，然后进行units合并。

以上步骤将天线走线部的天线模型制作好啦！天线的走线是位于介质层的上方的。接下来创建PCB 的参考地，位于介质层的下方，

单击创建矩形面的快捷方式，在任意地方设置一个矩形框。双击 Rectangle2将参数改为如下图所示：

双击CreateRectangle命令更改参数如下图所示：
设置天线的端口激励，将天线和参考地连接起来。

单击创建矩形面的快捷方式，捕捉天线顶点（原点）来绘制出一个任意大小的矩形面。将参考地和天线连接起来。

双击新建的Rectangle2,将name更改为port。

双击他对应的CreateRectangle，将里面的参数改为如图所示

将平面设置为理想导体：点击图中的ILA天线，右击鼠标选择Assign Boundary→Perfect E，单击OK

把选中的天线平面设置为理想导体平面，接着我们要把参考地平面设置理想导体平面，点击图中的Gnd平面，右击鼠标选择Assign Boundary→Perfect E，单击OK，就把参考地平面设置理想导体平面，效果图如下
然后我们选中port这个矩形面，把这个端口设置为集总端口集令，右击端口，选择Assign Excitation→Lumped Port勾选Gnd，把Gnd设置参考平面

点击HFSSDesignl→Excitations→1→ILA_T1

更改参数如下图
这样就把天线模型创建好啦！

不过要想分析天线类的辐射分析，就要创建一个空气盒（airbox），并更改空气盒的辐射边界条件。空气盒于天线的距离要大于1/4自由空间波长。即30.6mm，创建一个长方体模型。点击Box将参数更改为下图所示
在双击Creat box，将里面的参数更改为如下图所示：
在图中选择airbox，右击鼠标选择Assign Boundary→Radiation，点击OK
接下来添加求解分析，右键单击控制室下的Analysis→Add Solution Setup，将参数改为如下图所示
右键点击Setup1，点击Add Frequency Sweep，将参数设置如下图所示：

到这里我们完成了天线的设计了，点击调试，右键点击Analysis，进行天线仿真。

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