一款基于HFSS仿真的倒F蛇型印制天线

贺 吉

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海，519000）

一款基于HFSS仿真的倒F蛇型印制天线

贺 吉

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海，519000）

设计了一种用于2.4 GHz智能无线传感器的倒F蛇型天线,。使用HFSS仿真和设计,根据优化后的天线模型参数，最终设计集成在无线传感器印制电路板上印制天线，使天线可达到最佳的效果。该天线的仿真和实测结果表明,在2.45 GHz的中心工作频率下,回波损耗小于-12dB,带宽约为100 MHz,阻抗50.58+j0.55，满足了IEEE 802.15.4协议的要求。

倒F天线；无线传感器；2.4 GHz；HFSS

0 引言

目前，智能家居产品主要使用ZIGBEE、Bluetooth和WLAN三种无线通讯方式，无线传感器要求小型化、低成本。本文设计蛇型印制天线，是倒F天线的一种变形结构，最有体积小、增益强、低成本等特点。天线理论分析的本质是在特定边界条件下求麦克斯韦方程组的解，但是电磁理论比较抽象、推导数学公式较为繁琐已及空间概念想象难多特点，因此利用HFSS对天线进行辅助分析、仿真和设计，使天线效果更好。

1 倒F天线理论

倒F天线（Inverted-F Antenna,IFA）是单极子天线的一种变形结构，具有结构简单、体积小、辐射效率高、制作低成本和易于匹配等优点。因此，它被广泛应用于Bluetooth、IEEE802.a/b/g/n、HomeRF和HiperLAN等短距离无线通信领域。另外，因为倒F天线的辐射信号既包含水平极化分量又包含垂直极化分量，在3D增益里仿真图里天线的X,Z轴的信号较强，Y轴的信号较弱，所以对于应用环境主要为室内无线通信时，由于室内墙壁和装饰物等的散射会造成电场水平极化和垂直极化之间的相互转换，既退极化现象，使倒F天线可以有效地增强接收效果。

2 倒F蛇型天线的结构参数分析

本天线模型参考TI CC2511 USB dongle，倒F蛇形天线的结构如图1所示，由长为L（D6+L4X4+L5X2+L2X2+L1）的终端开路传输线、长为H的信号发射馈线（L6+W2）和长为S(W1+D5+W2)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感的串联（谐振时相当于短路）。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。因倒F天线的结构中包含了接地的金属面，可以降低对射频模块中接地金属面的敏感度，因此非常适合用于片上系统。因为倒F天线可以直接做成PCB电路板印制天线，所以天线制作成本较低。

图1 倒F蛇形天线结构

当长度L减小时，天线的谐振频率阻抗减小，天线呈容性；反之当长度L增长时，阻抗减小，天线呈感性。天线的谐振频率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：

下表格给出了倒F天线的结构参数L、H和S的变化对天线的谐振频率、输入阻抗和输入电抗性能的影响。

表1 倒F天线结构参数对电线的影响

3 天线仿真设计

Ansoft HFSS软件是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法的分析微波工程问题的三维全波段电磁仿真软件，是三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。它充分利用微软的Windows图形用户界面，可以仿真任意有体积的三维设备模型。HFSS集成了建模、仿真、可视化、自动化，使用了有限元分析法、自适应网孔技术和友好的图形界面，使3D电磁场问题得到很好的解决。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、二维和三维远场图、远场方向图剖面、3db带宽；绘制极化特性，包含圆极化分量、球形场分量、Ludwig等三定义场分量和轴比。HFSS应用设计天线领域包含贴片天线、喇叭天线、螺旋天线等面天线。本文利用HFSS软件仿真设计倒F蛇形天线，天线的结构参数、媒质本构常数等可以作为待优化的参数，元件的S参数、本征值和场分布等都可以作为优化的目标函数，使天线性能达到最佳效果，并确定最终确定天线参数。

天线仿真通常采用如下步骤用 Ansoft HFSS对倒F蛇形天线进行设计：首先，在HFSS中参考图1天线结构建立倒F蛇形天线的3D模型，地平面按照实际PCB尺寸。创建集总端口激烈和理想边界条件，设置PCB参数，设置分析参数，设置中心频率为2.45GHz，扫频范围为1.5-3.5GHz，回波损耗要求小于-10db,增益要求大于2db,最后用HFSS进行分析计算。最开始仿真时扫描变量，更改参数(L,S,H)变化可以范围大点，当分析的结果接近理想时，把扫描变量，更改参数(L,S,H)变化可以范围调小，使仿真结果达到最佳。如下是HFSS仿真得到的天线参数和仿真分析结果。

表2 天线最佳效果的参数

自由空间波长 LAMBDA 120mm PCB板材 FR4 PCB铜箔厚度 1盎司PCB介质常数 Er 4 6

图2 倒F蛇形天线回波损耗

图3 倒F蛇形天线阻抗

图4 倒F蛇形天线3D增益

4 结束语

本文分析智能无线传感器上的倒F蛇形天线的要求，利用HFSS仿真设计了一款倒F蛇形天线，并对天线的输入阻抗、增益、回波损耗进行了分析，得出了天线的仿真结果见图3、图4、图5，仿真结果表明天线的性能符合智能无线传感器天线的基本要求。

[1]李明洋.HFSS天线设计[M].电子工业出版社，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

贺吉（1982-），男，汉族，四川自贡人。主要研究方向：智能家居产品硬件设计。