我欢迎本文在Ansys HFSS中为Meander倒F天线（MIFA）建模。设计天线的分步说明。做您的MIFA！使用程序HFSS 15.0的版本，但是版本之间没有太多差异，因此可以在其他版本中进行建模。目录：
关于天线的一点
弯折倒F型天线是IFA天线的改进，它具有弯折形式的主要印刷导体。此修改使您可以使天线更加紧凑，这在现代移动设备中通常是必需的。MIFA可以直接集成到正在开发的设备的板上。外观如下图所示。在分米，厘米和毫米波长范围内使用。它为在多频率模式下工作提供了建设性的解决方案。这种天线的辐射方向图（LH）是一个封闭的环形，其旋转轴沿输入通道，如下图所示。MIFA具有平行于环形旋转轴的垂直极化。改变天线的几何形状可以改变其阻抗，从而消除了其他匹配设备和电路。由于天线使用板上的整个地面测试地面来发射电磁波，因此针对正在开发的特定设备设计MIFA是单独的。优点：- 结构简单；
- 相对较小的重量和尺寸特征；
- 生产成本;
- 尺寸的高重复性。
着手建模
首先，您需要确定源模型。下图显示了MIFA天线型号。天线的结构部分：- 地面垃圾填埋场；
- 天线输入通道（在右侧，尺寸为W），RF路径已连接到该通道。
- 天线的接地通道（左）；
- 曲折的部分。
该图显示了将在程序中使用并将记录为参数的各种几何尺寸的字母标记：- HP-多边形的垂直尺寸；
- LP-多边形的水平尺寸；
- H-天线高度，也是输入和接地通道的长度；
- H2是弯道与垃圾填埋场之间的距离；
- YG是通道之间的距离；
- W是印刷导体的厚度；
- L1，L2，...，L7是曲折的水平线的长度；
- LEnd-曲折终点线的长度。
多边形的尺寸通常不会改变（天线通常是为开发的板子制作的），即 剩下的只是优化天线本身的印刷导体的长度。顺便说一句，您可以试验曲折弯的数量，没有明确的限制。模拟的本质如下：您需要找到天线的几何形状，使其与特定频率匹配并具有与您的任务相匹配的增益（例如，您需要天线在平行于电路板平面的水平面内辐射更多，而在垂直方向上的辐射则更少。1.在HFSS中创建项目和模型板
打开HFSS，单击文件->新建。创建一个新项目。如果为空，请在“项目管理器”窗口中的项目上单击“人民币”，然后单击“ 插入”->“插入HFSS Design”。已创建具有项目3D设计的文件，您会看到轴和网格。首先，您需要创建必要的变量，为此，请在HFSSDesign上单击RMB ，然后单击Design Properties。单击添加，输入名称，例如HP，指示类型长度，单位mm，值值您需要的以毫米为单位的值，例如75。单击“确定”。变量已创建。现在，您需要对所有其他变量执行相同的操作。对于变量L1-L7和LEnd，将值设置为例如3 mm。 YG至少等于5 mm。 W等于印刷导体的所需宽度。由于您的电路板已经具有一定的尺寸，并且已在电路板上为天线分配了一定的位置，因此在参数H中指定以下值（在我的情况下，天线位于电路板的短边，可以沿着长边放置）：从长度值开始在电路板的长边上减去多边形长度再减去0.5毫米（0.5毫米是从电路板边缘到天线的压痕）。还要创建一个PortW变量并将其设置为0.2 mm（这将是输入端口的宽度）。转到标签建模者->新对象类型->模型。现在，所有新对象将成为模型。接下来，我们需要为印刷电路板创建一个基板，为此，单击Draw-> Box工具栏的顶部，在工作区上单击LMB并绘制一个矩形，然后再次单击LMB并向上拖动以创建三维形状，再次单击LMB。结果如下图所示。现在，让我们设置基板的尺寸，为此在CreateBox元素上单击LMB （在上图中，红色箭头指示单击位置）。在“ 属性”窗口的左侧（或通过CreateBox->属性选择“ RMB” ），指定所需的尺寸：在Xsize字段中输入“ HP + H + 0.5mm”，类似于板的宽度：在Ysize字段中输入“ LP”，在Zsize字段中指定板的厚度以毫米为单位，例如1.5。还要填写位置字段：用逗号“ -H-0.5mm，-LP / 2，-1.5mm”分隔。现在，坐标中心将位于多边形的窄边的中间。通过使用PCM单击“ Box1”将其重命名为“ PCB”，然后转到“ 属性”。在同一位置，输入物料，例如FR4_epoxy，在搜索中键入。还可以通过更改颜色选择合适的颜色。将透明透明度更改为0.3。结果应该如图所示：现在您需要创建2个垃圾填埋场。为此，请单击绘制->矩形。并从板上的原点开始制作一个小矩形。更改其大小和位置。为此，请在其属性中的Xsize字段``HP''，Ysize -``LP''和位置字段-``0，-LP / 2，0''中设置值。将对象“ Rectangle1”重命名为“ Top”并更改其颜色。右键单击Top-> Assign Boundary-> Perfect E-> OK。因此，我们设置理想导体的对象属性。您应该与下图相同。导电物体将是平坦的，不会严重影响结果，但是会大大加快计算速度。如果需要超高精度，可以通过单击“ 建模器”->“加厚板”并指定所需的厚度，从此矩形中创建三维对象。您还可以指定物料“ cooper”。但是在我们的项目中这不是必需的，因此，我们使用理想的平面对象。现在，您需要在电路板的另一侧创建一个接地测试站点。为此，请在设计树的顶部单击人民币，然后单击编辑->复制。再次将人民币放在顶部，然后编辑->粘贴。我们创建了与名称“ Top1”完全相同的图层。将其重命名为“底部”，并在位置字段中写入“ 0mm，-LP / 2，-1.5mm”以更改其位置。还要为该对象提供Perfect E的属性。现在，在板的两侧都有2个地面多边形。2.在HFSS中创建天线模型
下一步是设计天线本身。我们将从矩形创建天线。如上段所述，创建一个变量以设置从坐标中心到板上输入通道中间的距离：名称PortY，设置长度，例如-10 mm。减，因为输入通道将相对于原点向左移动。创建一个输入通道：单击Draw-> Rectangle并将其散布在电路板上，以绘制一个小矩形。更改其大小和位置。 Xsize等于“ H-PortW”，Ysize-“ W”，位置-“-H，PortY，0mm”。将对象重命名为“ Feed”，然后将颜色设置为多边形。同时赋予它理想导体的特性。结果应如下图所示。现在创建一条土渠。为此，以与输入通道相同的方式绘制矩形，执行相同的操作，只需在Xsize字段“ H”中设置大小，宽度相同，然后在Position字段中输入“ -H，PortY-YG，0mm”。也将其命名为“ Back”，并赋予对象与理想导体相同的颜色和特性。现在，使用YG变量，您可以调整输入通道和接地通道之间的距离。尝试单击HFSSDesign并在“ 属性”窗口中更改左侧的YG变量，您的地球通道将相对于输入通道移动。在图片的下面，它应该像这样。同时，请注意，在Perfect E选项卡的设计树中，包含我们所有的元素。在通道之间创建一个跳线。为此，请再次绘制一个矩形，并将其大小设置为Xsize“ W”，将Ysize设置为“ YG-W”，将位置设置为“ -H，PortY-YG + W，0mm”。还要给对象命名“反馈”，即理想导体的属性和颜色。结果如下图所示。太好了，还得曲折：- 我们绘制第一个矩形，将其命名为“ LineL1”，并设置其大小Xsize-“ W”，Ysize-“ L1”，位置-“-H，PortY + W，0mm”。
- 我们绘制第二个矩形，并将其命名为“ Ver1”，并设置其大小Xsize-“ H-H2”，Ysize-“ W”，位置-“-H，PortY + W + L1，0mm”。
- 我们绘制第三个矩形，并将其命名为“ LineL2”，并为其指定尺寸Xsize-“ W”，Ysize-“ L2”，位置-“-H + H2-W，PortY + L1 + 2 * W，0mm”。
- «Ver2» Xsize — «H-H2», Ysize — «W», Position — "-H, PortY+L1+L2+2*W, 0mm".
- «LineL3» Xsize — «W», Ysize — «L3», Position — "-H ,PortY+L1+L2+3*W, 0mm".
- «Ver3» Xsize — «H-H2», Ysize — «W», Position — "-H, PortY+L1+L2+L3+3*W, 0mm".
- «LineL4» Xsize — «W», Ysize — «L4», Position — "-H+H2-W, PortY+L1+L2+L3+4*W, 0mm".
- «Ver4» Xsize — «H-H2», Ysize — «W», Position — "-H, PortY+L1+L2+L3+L4+4*W, 0".
- «LineL5» Xsize — «W», Ysize — «L5», Position — "-H, PortY+L1+L2+L3+L4+5*W, 0".
- «Ver5» Xsize — «H-H2», Ysize — «W», Position — "-H, PortY+L1+L2+L3+L4+L5+5*W, 0".
- «LineL6» Xsize — «W», Ysize — «L6», Position — "-H+H2-W, PortY+L1+L2+L3+L4+L5+6*W, 0mm".
- «Ver6» Xsize — «H-H2», Ysize — «W», Position — "-H, PortY+L1+L2+L3+L4+L5+L6+6*W, 0".
- «LineL7» Xsize — «W», Ysize — «L7», Position — "-H, PortY+L1+L2+L3+L4+L5+L6+7*W, 0".
- 我们绘制第十四个矩形，并将其命名为“ VerLEnd”，并为其指定大小Xsize-“ LEnd”，Ysize-“ W”，位置-“-H，PortY + L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + L6 + L7 + 7 * W， 0“。
不要忘记放下理想导体的颜色和特性。结果应该如下图所示。现在按住Ctrl键，然后在“顶部”上单击LMB，然后在板的上平面上的其他导体上单击。所有对象将突出显示。接下来，单击“ Top” RMB- > Edit-> Boolean-> Unite，现在将这些对象组合在一起，如果在工作区中单击它们之一，它们将全部被选择为一个对象。还要看一下设计树，那里的Unite选项卡将出现在Top对象中，其中显示了所有组合的组件。现在，您需要添加端口。为此，请根据输入通道的大小在输入通道和地面多边形之间绘制一个矩形。将端口矩形设置为Xsize-“ PortW”，Ysize-“ W”，位置-“-PortW，PortY，0”。接下来，单击此RMB矩形，然后选择分配激励->集总端口。单击下一步，选择Integration Line-> New Line并绘制一条线，如下图所示，然后单击Next和Finish。现在，通过单击加号来展开HFSSDesign，然后在“ 兴奋”选项卡中将显示您的端口，该端口也将出现在设计树的“ 图纸”选项卡中。最后一步：您需要添加将在其中执行计算的体积，为此创建一个尺寸为Xsize = 400 mm，Ysize = 200 mm，Zsize = 200 mm且位置为“ -200，-100，-100”的Box。设置透明度1.您也可以完全禁用其可见性，为此，请单击顶部面板上的视图->可见性-> Active View可见性，然后取消选中此框。之后，右键单击设计树中的“框”，然后选择“ 指定边界”->“辐射”，然后单击“确定”。恭喜，完成！下图显示了MIFA模型的最终版本。3.建立一个项目进行分析
首先，您需要在Analysis-> Add Solution Setup上单击RMB 。由于此项目中的天线已调谐到868 MHz的频率，因此我们输入0.868 GHz的频率。您将有自己的频率。我们立即表明最大通过次数=36。因此计算将尽可能准确。单击确定。我们在“ 分析”选项卡中的“ Setup1”上单击“ RMB” ，然后选择“ Add Frequency Sweep”，“ 插值类型” ，“ LinearStep”，并以1 MHz的步长设置750 MHz至1100 MHz的范围。
接下来，在项目树的左侧，单击辐射上的RMB->插入远场设置->无限球。您不能更改任何内容，即 将Phi角度从0到360以10度为增量，将Theta从0到180以10度为增量，然后单击“确定”。在顶部面板上，单击HFSS-> Solution Type，然后选择Modal。做完了！4.初始优化
有必要进行优化，程序本身将选择必要的几何参数。您必须为每个要更改的变量指定范围。右键单击 “ HFSSDesign->设计属性”，选择“ 优化”选项卡，在其中需要检查将要优化的变量旁边的“ 包含”列，并使用“最小”和“最大”列设置一定的范围。由于RF路径的出口点通常已经固定，因此PortY变量和垃圾填埋场的参数保持不变，因此不包括在优化中。所有几何曲折参数以及输入通道和接地通道之间的距离都会改变。有时，最大天线高度由开发板的尺寸决定，那么参数H也应保持恒定。一些天线数据: H, () . , , H. , H , , H, , H , , , 50 .
.
, YG.
因此，我们将必要的复选标记放入并确定变量范围。单击确定。现在，在项目树左侧的Optimetrics上单击RMB，然后单击Add- > Optimization。您需要选择一种优化算法（您不应该选择“准牛顿”算法，因为该算法使用S参数变化的梯度，并且可能会陷入局部最小值），因此您可以选择“遗传”算法。接下来，在同一窗口中单击“ 设置计算”，从“ S”列中选择参数，在右侧选择S（1,1），在右侧选择dB。转到“ 计算范围”选项卡并检查频率。在“ 变量”选项卡中检查更改参数的最少步骤最小间距，使其至少为0.1或更小，因此优化精度会更高，但是优化可能需要更长的时间。点击添加计算。在“ 目标 ”中将条件正确设置为“ <=”，在“ 目标 ”中输入例如-40，在“权重”中输入1。因此，优化将继续进行，直到存在反射系数S（1,1）小于或等于-的解决方案为止。 40分贝单击确定。右键单击Optimetrics-> Analyze选项卡中左侧显示的OptimizationSetup1。优化将开始。迭代次数可以达到数千。在一个计算机核心上（如果您没有HPC许可证），优化时间可以是数小时或数天，因此您可以将其放置一整夜。另外，在优化过程中，您可以在OptimizationSetup1-> View Analysis Result上单击RMB 。有两个选项卡：Plot和Table。绘图选项卡显示结果图。Cost的值越低越好。优化完成后或停止优化过程后，可以单击` ` 表''选项卡，单击相应列以按成本值排序，选择具有最低值之一的选项，然后单击``应用''。您将应用所选的配置。现在您可以进行分析了。右键单击“ 分析”->“分析”选项卡中的Setup1。计算后，需要显示结果。为此，请创建以下“报告”：在项目树中的“按结果显示的人民币” ->“创建模态求解数据报告”->“矩形图”中，选择以dB频率为单位的参数S（1,1）。点击新建报告。并且在Results中有一个选项卡，并且还显示了反射系数S（1,1）的频率依赖性图。下图显示了此图的示例，该图用于初始优化后的求解，该过程持续了1060次迭代（此处的参数H为14 mm）。从图中可以看出，在868 MHz频率处的反射系数为-7.46 dB，这非常小，从-20 dB开始可以得到良好的结果。此外，右边还有第二个最小值，必须减小。让我们创建以下报告：为此，再次在结果->创建远场报告-> 3D极坐标图上单击鼠标右键，选择增益->在所有角度下以dB为单位的GainTotal。单击新建报告。下面是相同解决方案的KU图表。水平面中的最大KU为1.5 dB。添加天线输入电抗和电抗的图形：在结果->创建模态解决方案数据报告->矩形图上单击人民币，选择Z参数-> Z（1,1）-> re，然后单击新建报告。现在，在同一窗口中，单击im和Add Trace，然后将另一条曲线添加到同一图形。下图显示了天线的有源和电抗图。天线电阻为21.59欧姆，电抗为11.74欧姆。协调任务是使有源电阻为50欧姆，电抗为0欧姆。5.几何变化的例子
还记得扰流板中有什么“天线数据”吗？因此，例如，将参数H增加2 mm，我们将获得以下数据：S（1,1）的变化是由于如下事实引起的：有功和无功电阻（其图表如下图所示）已更改，KU有所更改，因为天线尺寸已增加。6.我们进行参数分析
为了更接近完整的天线匹配，您应该进行参数分析（可以通过参数化通道之间的距离开始）：在Optimetrics-> Add-> Parametric上单击RMB ，在右键单击Add的Sweep Definitions选项卡中，选择参数YG- > Linear step和输入一个范围，例如0.2毫米到12毫米（选择最大值以使到板的边缘有一个距离，例如0.5毫米），在表格选项卡中有所有计算值（原来是60），在选项选项卡中，选中保存字段复选框和网格，这是必要的，以便随后在一个图形上绘制很多曲线并选择合适的图形。单击确定。人民币分析->分析。在第一个图形上完成计算后，为每个计算出的变化量输出曲线族S（1,1）。为此，请打开“ XY图1”图形选项卡（如果您未更改名称），双击XY图1上的dB（S（1,1））或RMB->“修改报告”，打开“ 族”选项卡，选择所需的族，例如，通过单击单击“ 编辑”列中与变量YG相对的按钮->选中“ 使用所有值”。接下来单击“ 应用跟踪”。将在您面前显示一个图形，通过指向或单击它来选择最合适的曲线，切记：使用此参数创建该图形，然后在所有项目参数中对其进行更改。以下是其中一个几何参数的参数分析图。从图中可以看出，有一条紫色曲线，其中S（1,1）达到-40 dB。只需选择此参数的值，将我们的参数更改为该值，然后在必要时进行进一步优化。您可以对任何几何参数进行此类简短的参数分析。顺便说一句，如果要同时更改几个几何参数，则可以简单地创建一个变量（例如k）并将其添加到所有这些几何参数中，然后对变量k进行参数分析。您也可以尝试从不同的几何参数中添加和减去此变量，然后其中一个将随着k的增加而增加，而另一个将减小。不要忘记在“ 值”字段中的数字值后面添加“ mm”几何参数，否则单位会出错。例如，在HFSSDesign上单击“ RMB” ->“设计属性”->“创建参数k”并将其等于0（长度），然后单击任何几何参数->“编辑”，然后在“ 值”字段中输入“ 15mm + k”。现在将没有任何错误。7.最终优化
在参数化之后选择最佳的几何设计后，您可以获得最大的结果。为此，我们将在已经获得的几何参数的值附近进行另一个优化，即必须减小HFSSDesign->设计属性中所有可变变量的参数更改范围。右键单击项目树左侧的Optimetrics，然后单击添加->优化。您必须选择模式搜索优化算法。与初始优化中一样，再次添加S（1,1）变量，现在通过按Setup Calculation来添加第二个变量。然后在“ 报告类型”字段的左侧选择“ 远字段”，单击增益-> GainTotal，以dB为单位。接下来，添加“添加计算”，并在“ 条件”字段“> =”中，在“ 目标”字段“ 10”中，在“权重”字段“ 0”中输入，因此第一个变量的权重更重要，因为协调对我们而言比KU更重要。在“ 变量”选项卡中，检查更改参数Min ste p 的最小步骤，越小越好，因为优化精度会更高，但是优化可能需要更长的时间。我们开始分析。最有可能的是，优化将很快通过，您将自动获得结果，即您的几何参数本身将更改为新的几何参数，因为在优化分析的“常规”选项卡中，有一个复选标记，可在优化后更新参数。恭喜，您的MIFA已准备就绪！完全优化的天线示例：以及史密斯圆图。
但是天线如何发射？
您可以创建E场辐射的动画：打开Planes->按XY或XZ，然后在工作区域上单击RMB- > Plot Fields-> E-> Mag E-> Done。展开“ 字段叠加”选项卡后，按Mag_E1-> Animate选择 RMB 。您可以创建H场辐射的动画：打开Planes->按XY或XZ，然后在工作区域上单击RMB- > Plot Fields-> H-> Mag H-> Done。展开“ 字段叠加”选项卡后，按Mag_H1-> Animate选择 RMB 。GIF显示强电磁辐射。天线弯曲端的电流很小。结论
我想补充一点，如果您在板上安装了所有通孔，电子元件和其他附近物体的情况下创建最真实的模型，那么MIFA天线的最准确仿真将是，导体应该是大量的并且具有例如铜的特性。如实践所示，简化和理想化的模型通常就足够了。最好将接触垫放在滤波器或匹配电路下面，用设备测量天线的SWR和其他输入特性，计算滤波器组件的值以实现最大真实匹配，然后将组件安装在这些垫上。感谢您的关注，希望您喜欢这篇文章。