一、倒F天線概述

倒F天線是單極子天線的一種變形結構，其衍變發展的過程可以看成是從1/4波長單極子天線到倒L天線再到倒F天線的過程，如下圖所示。首先，將單極子天線進行90°彎曲，就能得到倒L天線，其總長度仍然是約為1/4個波長，單極子天線做這一變形的目的是有效地減少天線的高度。然而對于倒L天線，其上半部分平行于地面，這樣在減小高度的同時增加了天線的容性，為了保持天線的諧振特性，我們就需要增加天線的感性，通常是在天線的拐角處增加一個倒L形貼片，貼片的一端通過孔與地面相連，這樣就形成如下圖 ? 所示的形狀天線。由于其形狀像一個面向地面的字母F，因此將此種類型的天線稱為倒F天線。

倒F天線的結構如下圖所示，由長為L的終端開路傳輸線和長為S的終端短路傳輸線并聯而成。其中，開路端到饋點可以等效成電阻和電容的并聯(相當于負載，諧振時開路)，短路端到饋點可以等效成電阻和電感的串聯(諧振時短路)。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。

在進行倒F天線設計時，主要有3個結構參數決定著天線的輸入阻抗、諧振頻率和天線帶寬等性能。這3個結構參數分別是天線的諧振長度L、天線的高度H以及兩條豎直臂之間的距離S。
作為天線的諧振部分，天線水平支路長度L對天線的諧振頻率和輸入阻抗的影響最為直接。當長度L增加時，天線的諧振頻率降低，輸入阻抗減小，天線呈感性；反之，當長度L減小時，天線的諧振頻率升高，輸入阻抗變大，天線呈容性。通常，L和H的長度之和約為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個介質層導波波長之間。在設計過程中，通常可以由下面的經驗公式給出其初始值，即:$$L+H\approx \frac{{\lambda }_0}{4\sqrt{\left(1+{\epsilon }_r\right)/2}}$$
其中，${\epsilon }_r$是介質板材的介電常數，${\lambda }_0$是自由空間波長。

二、設計指標

• 中心頻率：2.45GHz
• 10dB帶寬：大于100MHz
• 介質板相對介電常數：4.4
• 介質板厚度：0.8mm

三、模型創建

設定變量如下表：

變量意義變量名變量初始值（單位：mm）

天線的諧振長度	L	16.2
天線的高度	H	3.8
天線饋電點和接地點間的距離	S	5
天線的微帶線寬度	W	1
介質層的厚度	SubH	0.8
接地板的長度	GndY	90
接地板的寬度	GndX	50
饋電點到坐標原點的橫向距離	Offset	12
自由空間波長	Lambda	122.4

依照上表將各個變量添加進HFSS中的設計屬性變量中如下

創建的模型如下

需要注意一個接地，一個饋電用的矩形，如下

四、仿真及分析

1、仿真結果

回波損耗

輸入阻抗

Smith圓圖

方向圖

2、結構參數分析

諧振長度L和天線諧振頻率、輸入阻抗的關系
添加倒F天線的諧振長度變量L為掃描變量，使用參數掃描分析功能仿真分析給出當變量L在15.2mm~17.2mm變化時，天線諧振頻率和輸入阻抗的變化。添加掃描變量L如下

S參數掃描結果如下

從參數掃描分析結果中可以出，倒F天線的諧振頻率隨著天線諧振長度變量L的變大而降低。

輸入阻抗掃描結果如下

從參數掃描分析結果中可以看出，在工作頻率2. 45GHz附近，倒F天線輸入阻抗的電阻值隨著諧振長度L的增加而降低，電抗值隨著諧振長度L的增加而增加，即電抗值隨著諧振長度L的增加逐漸由容性變為感性。

Smith圓圖掃描結果如下

2.高度H和天線諧振頻率、輸入阻抗的關系
添加倒F天線的饋線高度變量H為掃描變量，使用參數掃描分析功能仿真分析給出當變量H在2.8mm~4.8mm變化時，天線諧振頻率和輸入阻抗的變化。如下圖所示

S參數掃描結果如下

從參數掃描分析結果中可以看出，倒F天線的諧振頻率隨著高度H的變大而降低。

輸入阻抗掃描結果如下

從參數掃描分析結果中可以看出，在工作頻率2.45GHz附近，倒F天線輸人阻抗的電阻值隨著高度H的增加而增加，電抗值也是隨著高度H的增加而增加，即隨著高度H的增加電抗部分逐漸由容性變為感性。

Smith圓圖掃描結果如下

3.間距S和天線諧振頻率、輸入阻抗的關系
添加倒F天線兩條豎直臂之間的距離S為掃描變量，使用參數掃描分析功能仿真分析給出當變量S在3mm~7mm范圍內變化時，天線諧振頻率和輸入阻抗的變化。如下圖所示

S參數掃描結果如下

從參數掃描分析結果中可以看出，對于倒F天線來說，兩條豎直臂之間的距離S對諧振頻率影響很小。但是，間距S的變化會影響天線的帶寬，隨著間距S的增大，天線的帶寬也逐漸增大。

輸入阻抗掃描結果如下

從參數掃描分析結果中可以看出，在工作頻率2.45GHz附近，倒F天線輸入阻抗的電阻和電抗部分都是隨著間距S的增大而減小。

Smith圓圖掃描結果如下

上述仿真分析結果驗證了倒F天線的3個結構參數變量L、H和S的變化會影響天線的諧振頻率和輸人阻抗。因此，對于倒F天線來說，在設計中只要選取合適的結構參數，即可使其諧振頻率在任意的頻率上，同時使其輸入阻抗接近50$\Omega$負載匹配。
總結給出下表為倒F天線的結構參數L、H和S對天線的諧振頻率和輸入阻抗性能的影響。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的HFSS - 倒F天线的设计与仿真的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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