一款基于HFSS仿真的倒F蛇型印制天線

賀 吉

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海，519000）

一款基于HFSS仿真的倒F蛇型印制天線

賀 吉

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海，519000）

設計了一種用于2.4 GHz智能無線傳感器的倒F蛇型天線,。使用HFSS仿真和設計,根據(jù)優(yōu)化后的天線模型參數(shù)，最終設計集成在無線傳感器印制電路板上印制天線，使天線可達到最佳的效果。該天線的仿真和實測結果表明,在2.45 GHz的中心工作頻率下,回波損耗小于-12dB,帶寬約為100 MHz,阻抗50.58+j0.55，滿足了IEEE 802.15.4協(xié)議的要求。

倒F天線；無線傳感器；2.4 GHz；HFSS

0 引言

目前，智能家居產(chǎn)品主要使用ZIGBEE、Bluetooth和WLAN三種無線通訊方式，無線傳感器要求小型化、低成本。本文設計蛇型印制天線，是倒F天線的一種變形結構，最有體積小、增益強、低成本等特點。天線理論分析的本質(zhì)是在特定邊界條件下求麥克斯韋方程組的解，但是電磁理論比較抽象、推導數(shù)學公式較為繁瑣已及空間概念想象難多特點，因此利用HFSS對天線進行輔助分析、仿真和設計，使天線效果更好。

1 倒F天線理論

倒F天線（Inverted-F Antenna,IFA）是單極子天線的一種變形結構，具有結構簡單、體積小、輻射效率高、制作低成本和易于匹配等優(yōu)點。因此，它被廣泛應用于Bluetooth、IEEE802.a/b/g/n、HomeRF和HiperLAN等短距離無線通信領域。另外，因為倒F天線的輻射信號既包含水平極化分量又包含垂直極化分量，在3D增益里仿真圖里天線的X,Z軸的信號較強，Y軸的信號較弱，所以對于應用環(huán)境主要為室內(nèi)無線通信時，由于室內(nèi)墻壁和裝飾物等的散射會造成電場水平極化和垂直極化之間的相互轉換，既退極化現(xiàn)象，使倒F天線可以有效地增強接收效果。

2 倒F蛇型天線的結構參數(shù)分析

本天線模型參考TI CC2511 USB dongle，倒F蛇形天線的結構如圖1所示，由長為L（D6+L4X4+L5X2+L2X2+L1）的終端開路傳輸線、長為H的信號發(fā)射饋線（L6+W2）和長為S(W1+D5+W2)的終端短路傳輸線并聯(lián)而成。其中，開路端到饋點可以等效成電阻和電感的串聯(lián)（諧振時相當于短路）。當天線諧振時，電流主要分布在，天線的水平部分和對地短路部分，而饋電支路基本無電流分布。因倒F天線的結構中包含了接地的金屬面，可以降低對射頻模塊中接地金屬面的敏感度，因此非常適合用于片上系統(tǒng)。因為倒F天線可以直接做成PCB電路板印制天線，所以天線制作成本較低。

圖1 倒F蛇形天線結構

當長度L減小時，天線的諧振頻率阻抗減小，天線呈容性；反之當長度L增長時，阻抗減小，天線呈感性。天線的諧振頻率1/4個工作波長。而對于印制倒F天線，因為天線的輻射貼片是蝕刻在PCB介質(zhì)層上的，所以L和H的長度之和一般介于1/4個自由空間工作波長和 1/4個介質(zhì)層導波波長之間。在設計過程中，通常可以由下面的經(jīng)驗公式給出其初始值，即：

下表格給出了倒F天線的結構參數(shù)L、H和S的變化對天線的諧振頻率、輸入阻抗和輸入電抗性能的影響。

表1 倒F天線結構參數(shù)對電線的影響

3 天線仿真設計

Ansoft HFSS軟件是Ansoft公司推出的基于電磁場有限元方法的分析微波工程問題的三維全波段電磁仿真軟件，是三維電磁場設計和分析的電子設計工業(yè)標準。它充分利用微軟的Windows圖形用戶界面，可以仿真任意有體積的三維設備模型。HFSS集成了建模、仿真、可視化、自動化，使用了有限元分析法、自適應網(wǎng)孔技術和友好的圖形界面，使3D電磁場問題得到很好的解決。HFSS軟件擁有強大的天線設計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、二維和三維遠場圖、遠場方向圖剖面、3db帶寬；繪制極化特性，包含圓極化分量、球形場分量、Ludwig等三定義場分量和軸比。HFSS應用設計天線領域包含貼片天線、喇叭天線、螺旋天線等面天線。本文利用HFSS軟件仿真設計倒F蛇形天線，天線的結構參數(shù)、媒質(zhì)本構常數(shù)等可以作為待優(yōu)化的參數(shù)，元件的S參數(shù)、本征值和場分布等都可以作為優(yōu)化的目標函數(shù)，使天線性能達到最佳效果，并確定最終確定天線參數(shù)。

天線仿真通常采用如下步驟用 Ansoft HFSS對倒F蛇形天線進行設計：首先，在HFSS中參考圖1天線結構建立倒F蛇形天線的3D模型，地平面按照實際PCB尺寸。創(chuàng)建集總端口激烈和理想邊界條件，設置PCB參數(shù)，設置分析參數(shù)，設置中心頻率為2.45GHz，掃頻范圍為1.5-3.5GHz，回波損耗要求小于-10db,增益要求大于2db,最后用HFSS進行分析計算。最開始仿真時掃描變量，更改參數(shù)(L,S,H)變化可以范圍大點，當分析的結果接近理想時，把掃描變量，更改參數(shù)(L,S,H)變化可以范圍調(diào)小，使仿真結果達到最佳。如下是HFSS仿真得到的天線參數(shù)和仿真分析結果。

表2 天線最佳效果的參數(shù)

自由空間波長 LAMBDA 120mm PCB板材 FR4 PCB銅箔厚度 1盎司PCB介質(zhì)常數(shù) Er 4 6

圖2 倒F蛇形天線回波損耗

圖3 倒F蛇形天線阻抗

圖4 倒F蛇形天線3D增益

4 結束語

本文分析智能無線傳感器上的倒F蛇形天線的要求，利用HFSS仿真設計了一款倒F蛇形天線，并對天線的輸入阻抗、增益、回波損耗進行了分析，得出了天線的仿真結果見圖3、圖4、圖5，仿真結果表明天線的性能符合智能無線傳感器天線的基本要求。

[1]李明洋.HFSS天線設計[M].電子工業(yè)出版社，2011.4(1),203-237.

[2]Texas Instruments,TI Application Note AN043,TI,2008,1-4.

An inverted F snake printed antenna based on HFSS simulation

He Ji
(GREE ELECTRIC APPLIANCES,INC.,Zhuhai Guangdong,519000)

An inverted F snake antenna for 2 4 GHz smart wireless sensor is designed, Using HFSS simulation and design, according to the optimized antenna model parameters, the final design integrated on the wireless sensor printed circuit board printed antenna, so that the antenna can achieve the best results The simulation and measured results show that the return loss is less than -12dB at the center operating frequency of 2.45 GHz, the bandwidth is about 100 MHz, and the impedance 50.58+j0.55 meets the requirements of the IEEE 802 15 4 protocol

Inverted F antenna; Wireless sensor; 2.4 GHz; HFSS

賀吉（1982-），男，漢族，四川自貢人。主要研究方向：智能家居產(chǎn)品硬件設計。