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PCB天线具有加工工艺成熟，结构简单，材料属性可控等优点，广泛用于短距离通信上面，例如蓝牙，WIFI等远距离通讯协议，再加上PCB可以与蓝牙模块紧密连接，无需再另行设计，有利于整个通信模块小型化和一体化。
本文通过一个3G中心频点的倒F天线设计，能够把PCB天线的设计过程和原理展示给大家，本节包含以下内容：
1、 PCB天线的设计原理与结构分析
2、 3G天线的参数计算
3、 PCB天线的建模过程与仿真
4、 IFA天线的辐射参数与分析
一、 PCB天线的设计原理与结构分析
1.1 PCB天线的原理
PCB天线是从单极子天线演化而来，单极子天线是单一的1/4波长天线，也就是偶极子天线的一半，因此单极子天线的辐射场图也只有偶极子天线的一半，所以方向性是2.14+3dB 天线的输入阻抗也只有偶极子天线的一半，也就是36ohm左右，单极子天线一半会接入地或者等效于GND的金属
偶极子天线总长度为半个波长
单极子天线的长度为偶极子的一半，也就是1/4波长
PCB天线的结构与两层PCB结构相似：包括辐射体（本质上也是PCB走线）；GND（本质上是PCB上面的铺铜）；介质层（也就是FR4）
天线的设计参数包括垂直辐射体长度；平行辐射体长度，馈电点的位置，介电常数 辐射体的宽度 介质层的厚度 GND的大小
1.2 基本参数和计算参数
工作中心频率 3Ghz
工作波长 100mm
辐射体长度：根据单极子天线和PCB天线原理，辐射体的总长度介于真空波长与有效波长之间
Λeff==100/sprt4.4=47.6mm
Λeff/4=11.9mm
辐射长度取25mm~11.9mm之间=18.5mm
辐射宽度取1.6mm，需要后期优化
介电常数 4.4
介质厚度为 1mm
GND面积为50mmX50mm
一、 PCB天线模型建立
2.1、PCB类型天线的求解类型选择终端求解类型
终端求解类型是以电流和电压的形式计算S参数，对于PCB来说，是准TEM波，因此使用路的求解方式要比场求解简单，而终端求解类型就可以理解为路的求解方式。
选择求解类型为终端求解类型
2.2：变量的建立
依次建立上图变量，注意如果变量值里面有数字，那么数字必须加上单位
需要建立的变量
2.3：建立sub
建立一个长方体，并依照上图修改参数，图一主要修改的是长方体对象的名称，颜色，材料属性和透明度，图二主要修改的是长方体的位置坐标和大小等
修改长方体的名称颜色和透明度
修改对象的起始坐标以及大小
2.4、建立辐射体
建立长方形，并依照下图修改属性
修改建立的长方形名称
修改建立的长方形大小和坐标
然后再建立长方形，按照下图修改属性
修改第二个长方形的大小和坐标
完成后点击CTRL+D
修改后的图示效果
接下来需要合并两个长方形，点中ctal，依照下图 选中对象，记得先点IFA，再点rectangle1
选择合并对象
点击合并
2.5：GND建立
建立一个长方形，按照下图修改属性
修改名称
修改大小
2.6：建立激励面
HFSS里面对于一个模型来讲，激励面的建立是允许能量进入模型窗口，因此形状和位置对于激励面来说就特别重要
先把平面改为YZ平面
依照下图建立长方形，并修改属性
位于辐射体IFA与GND之间的YZ平面建立激励面
修改端口名称和颜色
确认端口大小
2.7：建立辐射边界条件
建立一个长方体，属性修改为下图
辐射边界条件距离辐射体要有1/4波长，也就是大于25mm，我们各方向设置100mm，肯定足够了
修改辐射边界条件的名称
确认大小和位置
2.8：分配边界条件和激励
边界条件是求解电磁场必须具备的因素，他可以规定电磁场穿过不同的介质所发生的变化，因此，正确的边界条件是求解前提
我们所要定义的边界条件一个有两个：理想电边界条件和辐射边界条件
理想电边界条件指的是电场能量能够完美的穿过，并且垂直于表面
辐射边界条件指的是电磁能量到达边界条件处会被吸收，用于模拟无限大的空间
我们给辐射体和GND定义为理想电边界条件，air定义为辐射边界条件
选中IFA，右键
设置IFA为理想电边界条件
用同样的方法设置GND为理想电边界条件
选中air
设置air为辐射边界条件
创建激励
在上一步我们建立了激励面，现在需要把激励面设置为激励
设置集总端口激励
分配GND为参考层
2.9：添加求解和扫频
其中频率设置为工作中心频点，最大仿真次数改为20，允许误差0.02
添加求解
添加扫频
以上就完成了 模型建立和仿真的前置步骤，可以检查并运行仿真了
三、 仿真结果分析以及优化调整
3.1 S11参数分析
S11参数
S11参数最低点为-36.6dB，10dB带宽为2.7Ghz~3.6Ghz，表示在这个工作频段内，天线的反射比较少，能够接收和发射2.7Ghz~~3.6Ghz频段的信号
3.2 参数扫描模块的应用
Optimetrics模块是优化算法模块，可以对模型中的特定数据进行扫描分析，帮助我们看不同参数变化对结果的影响，以此来辅助我们设计，本节我们就线宽W为例子，进行优化模块的操作
A：把W添加为扫描变量，依照下图操作
Variable是选择优化哪个变量，然后选择优化范围后点击Add，然后ok
添加需要扫描的参数
设置扫描范围和步长
注意：参数扫描的开始分析项，必须从下图所示地方开始
运行仿真
运行完成后双击结果下面S11的窗口，按照下图设置查看不同线宽对于S11的影响
不同线宽所对应的S参数
从图中分析，W=2.4mm的时候，S11的峰值为-40dB，但是峰值点会右移，W=1.6mm，S11为-36dB，频点右移
我们扫描下辐射体的长度L变量，使用同样的方法把L添加为扫描对象，不过L的变量表达式需要修改为L=13.5mm，不能使用原来的18.5mm-H
不同长度L下的S参数
对于辐射体的长度L，我们的计算值13.5mm下S11表现最好，那么对于不同的W和L的组合，肯定对于我们设定的目标有一个最优解，这就需要用到优化算法功能，对于优化算法，我会专门做一篇文章进行详解
四、IFA天线的辐射参数分析
IFA天线是单极子天线的变种天线，辐射参数我们也分为3维球面和H面以及E面分析
首先我们建立球坐标系，如果不会建立和查看3D场分布，请看打开https://www.bilibili.com/read/cv4517077或者https://www.bilibili.com/video/av86457498/ 进行观看
IFA天线的辐射场
从图上可以看出，在电场方向主瓣最大方向在Y轴方向，但是其他方向也有辐射，几乎是全向辐射，这种方向性不太好的天线用于短距离大范围通讯比较合适，如果用于定向远距离通讯，这种IFA天线就不太适合
我们可以调出天线的总体设计参数
调出天线的总体参数
选择显示参数种类
选择显示参数倒模型
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