HFSS - 倒F天线的设计与仿真

一、倒F天线概述

倒F天线是单极子天线的一种变形结构,其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,如下图所示。首先,将单极子天线进行90°弯曲,就能得到倒L天线,其总长度仍然是约为1/4个波长,单极子天线做这一变形的目的是有效地减少天线的高度。然而对于倒L天线,其上半部分平行于地面,这样在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,贴片的一端通过孔与地面相连,这样就形成如下图 © 所示的形状天线。由于其形状像一个面向地面的字母F,因此将此种类型的天线称为倒F天线。
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倒F天线的结构如下图所示,由长为L的终端开路传输线和长为S的终端短路传输线并联而成。其中,开路端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成电阻和电感的串联(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。
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在进行倒F天线设计时,主要有3个结构参数决定着天线的输入阻抗、谐振频率和天线带宽等性能。这3个结构参数分别是天线的谐振长度L、天线的高度H以及两条竖直臂之间的距离S。
作为天线的谐振部分,天线水平支路长度L对天线的谐振频率和输入阻抗的影响最为直接。当长度L增加时,天线的谐振频率降低,输入阻抗减小,天线呈感性;反之,当长度L减小时,天线的谐振频率升高,输入阻抗变大,天线呈容性。通常,L和H的长度之和约为1/4个工作波长。而对于印制倒F天线,因为天线的辐射贴片是蚀刻在PCB介质层上的,所以L和H的长度之和一般介于1/4个自由空间工作波长和1/4个介质层导波波长之间。在设计过程中,通常可以由下面的经验公式给出其初始值,即: L + H ≈ λ 0 4 ( 1 + ε r ) / 2 L+H \approx \frac{\lambda_{0}}{4 \sqrt{\left(1+\varepsilon_{r}\right) / 2}} L+H4(1+εr)/2 λ0
其中, ε r \varepsilon_{r} εr是介质板材的介电常数, λ 0 \lambda_{0} λ0是自由空间波长。

二、设计指标

  • 中心频率:2.45GHz
  • 10dB带宽:大于100MHz
  • 介质板相对介电常数:4.4
  • 介质板厚度:0.8mm

三、模型创建

设定变量如下表:

变量意义变量名变量初始值(单位:mm)
天线的谐振长度L16.2
天线的高度H3.8
天线馈电点和接地点间的距离S5
天线的微带线宽度W1
介质层的厚度SubH0.8
接地板的长度GndY90
接地板的宽度GndX50
馈电点到坐标原点的横向距离Offset12
自由空间波长Lambda122.4

依照上表将各个变量添加进HFSS中的设计属性变量中如下
在这里插入图片描述
创建的模型如下
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需要注意一个接地,一个馈电用的矩形,如下
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四、仿真及分析

1、仿真结果

  1. 回波损耗
    在这里插入图片描述

  2. 输入阻抗
    在这里插入图片描述

  3. Smith圆图
    在这里插入图片描述

  4. 方向图
    在这里插入图片描述

2、结构参数分析

  1. 谐振长度L和天线谐振频率、输入阻抗的关系
    添加倒F天线的谐振长度变量L为扫描变量,使用参数扫描分析功能仿真分析给出当变量L在15.2mm~17.2mm变化时,天线谐振频率和输入阻抗的变化。添加扫描变量L如下
    在这里插入图片描述
    S参数扫描结果如下
    在这里插入图片描述
    从参数扫描分析结果中可以出,倒F天线的谐振频率随着天线谐振长度变量L的变大而降低。

输入阻抗扫描结果如下
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从参数扫描分析结果中可以看出,在工作频率2. 45GHz附近,倒F天线输入阻抗的电阻值随着谐振长度L的增加而降低,电抗值随着谐振长度L的增加而增加,即电抗值随着谐振长度L的增加逐渐由容性变为感性。

Smith圆图扫描结果如下
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2.高度H和天线谐振频率、输入阻抗的关系
添加倒F天线的馈线高度变量H为扫描变量,使用参数扫描分析功能仿真分析给出当变量H在2.8mm~4.8mm变化时,天线谐振频率和输入阻抗的变化。如下图所示
在这里插入图片描述

S参数扫描结果如下
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从参数扫描分析结果中可以看出,倒F天线的谐振频率随着高度H的变大而降低。

输入阻抗扫描结果如下
在这里插入图片描述
从参数扫描分析结果中可以看出,在工作频率2.45GHz附近,倒F天线输人阻抗的电阻值随着高度H的增加而增加,电抗值也是随着高度H的增加而增加,即随着高度H的增加电抗部分逐渐由容性变为感性。

Smith圆图扫描结果如下
在这里插入图片描述

3.间距S和天线谐振频率、输入阻抗的关系
添加倒F天线两条竖直臂之间的距离S为扫描变量,使用参数扫描分析功能仿真分析给出当变量S在3mm~7mm范围内变化时,天线谐振频率和输入阻抗的变化。如下图所示
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S参数扫描结果如下
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从参数扫描分析结果中可以看出,对于倒F天线来说,两条竖直臂之间的距离S对谐振频率影响很小。但是,间距S的变化会影响天线的带宽,随着间距S的增大,天线的带宽也逐渐增大。

输入阻抗扫描结果如下
在这里插入图片描述
从参数扫描分析结果中可以看出,在工作频率2.45GHz附近,倒F天线输入阻抗的电阻和电抗部分都是随着间距S的增大而减小。

Smith圆图扫描结果如下
在这里插入图片描述

上述仿真分析结果验证了倒F天线的3个结构参数变量L、H和S的变化会影响天线的谐振频率和输人阻抗。因此,对于倒F天线来说,在设计中只要选取合适的结构参数,即可使其谐振频率在任意的频率上,同时使其输入阻抗接近50 Ω \Omega Ω负载匹配。
总结给出下表为倒F天线的结构参数L、H和S对天线的谐振频率和输入阻抗性能的影响。
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