HFSS应用实例：人体因素对天线性能的影响探究

1 概述

天线是手机、智能手表、蓝牙耳机、可植入医疗设备等无线电子产品收发信号必不可少的装置，其性能好坏将直接影响通信质量。除了考虑天线在电子产品物理结构内的性能评估外，我们不得不考虑人体对天线性能的影响。以可穿戴设备天线为例，其工作频率大多为2.4GHz~2.48GHz或5.725~5.875GHz，且多以倒F天线为基础进行设计和优化。

本案例基于ANSYS HFSS，演示如何利用Antenna Toolkit综合得到倒F天线，并采用HFSS中自带的人体结构模型，评估其对天线性能的影响。
 

2 HFSS中的人体模型

2.1 直接获取(模型的材料属性不可编辑)

HFSS在Component Libraries里提供了全身人体结构和局部人体结构，通过HFSS Design界面View下拉菜单勾选Component Libraries，即可调出Component Libraries窗口，可选中人体结构模型并拖拽到建模窗口，如图1所示

图1HFSS调出人体模型

HFSS自带的人体结构模型，其材料属性中的相对介电常数和体电导率已经内部定义为全局变量：$avg_epsilon_r和$avg_conductivity，查看这两个变量的方法是，右键选中Male_Body1>Component>Edit Definition，项目管理窗口会自动打开名称为Male_Body的新Project，其中包含该模型的3D Component模型，右键点击Male_Body Project >Project Datasets，在弹出的Datasets窗口中即可查看定义的材料参数。如图2所示。

图2人体结构材料属性

2.2 模型导出(模型的材料属性可编辑)

如果想对人体结构的材料属性进行更改，推荐的方法是，在HFSS界面通过Modeler>Export直接导出结构模型为*.sab格式，以便后续使用。方法如图3所示

图3人体结构.sab模型导出方法

3 人体手臂对2.44GHz倒F天线性能的影响

3.1 2.44GHz倒F天线建模

首先，HFSS主菜单View >ACT Extensions >Launch Wizards>HFSS Antenna Tool kit>Antenna Type>PIFA> PIFA-Planar Inverted-F，点击finish后界面会自动生成一个名称为PlanarInvertedF_ATK*的Project，该Project中有名称为PlanarInvertedF_ATK的HFSS Design，如图4所示。

图4AntennaToolkit创建2.44GHz倒F天线

选中倒F天线全部结构，在菜单栏选项卡中选择Model>Create 3D Component，保存在目标文件夹。如图5所示。

图5创建倒F天线3DComponent

3.2 人体手臂结构建模

新建一个HFSS Design，利用2.1节介绍的直接获取方法，直接将手臂模型拖拽到HFSS建模窗口中，目标坐标系选择Global CS。如图6所示。注：此时的手臂模型采用的是软件自定义的材料属性，无需进行设置

图6导入的手臂模型

3.3 模型相对位置设置

创建名称为“Antenna_F”的相对坐标系，如图7所示。然后选择Model>Browse 3D Component，读入此前创建的倒F天线3D Component，目标坐标系选择Antenna_F，调整倒F天线位置如图8所示。

图7相对坐标系Antenna_F

图8倒F天线与手臂相对位置

3.4 仿真设置

3.4.1 求解类型SolutionTypes

此处采用“Terminal Network”求解类型，为省去手动创建空气盒子的步骤，此处勾选“Auto-Open Region>Radiation”，HFSS将自动创建空气盒子并将其设置为Radiation辐射边界条件。如图9所示。

图9求解类型设置

注：求解开放问题时，在实体周围需创建一个空气盒子，该空气盒子包括了外部辐射表面。为吸收实体对外辐射的电磁波，这些外部辐射表面均会指定为辐射边界条件（ABC，PML或者FEBI）。

如果选择了“Auto-Open Region”，HFSS将自动创建空气盒子，并根据用户所勾选的边界条件（ABC，PML或者FEBI），进行对应的边界条件设置。同时，HFSS也会自动创建远场辐射球面（3D、Azimuth、Elevation）。

3.4.2 求解设置SolutionSetup

可以直接利用倒F天线中采用的求解设置，一个快速简便的方法是，在倒F天线设计中，直接复 制其Solution Setup，并粘贴到当前含有人体手臂和倒F天线的设计中。如图10所示。

图10求解设置SolutionSetup

3.5 仿真结果

运行仿真得到如下结果。

3.5.1 回波损耗S11

在Result>Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot中,选择Terminal S Parameter，如图11所示。从而得到倒F天线在自由空间和考虑手臂影响时的回波损耗S11结果，如图12所示。仿真结果显示，手臂对天线回损影响较小。

注：红色曲线表示包含手臂的天线远场辐射，黑色曲线表示自由空间中的天线远场辐射，下同。

图11创建回波损耗S11结果报告

图12包含手臂前后天线回损结果对比

注：图12中S11_Antenna Free Space曲线可从倒F天线设计的结果中Copy→Past到Terminal S Parameter结果中进行对比。方法如图13所示。
 

图13复制/粘贴结果数据以作对比

3.5.2 远场辐射方向图

由于采用了Auto Open Region，Infinite Sphere将会自动创建3D、Azimuth和Elevation无限球面（Infinite Sphere），以观察远场辐射方向图。如需手动创建，方法如图14所示。

图14无限球面（InfiniteSphere）手动创建方法

然后，在Result>Create Far Fields Report>Radiation Pattern中,Geometry依次选择Azimuth、Elevation，Category选择rE，Quantity选择rETotal，Function选择dB，得到倒F天线在自由空间和考虑手臂影响时的远场辐射方向图，如图15所示。

仿真结果显示，手臂对天线远场辐射方向图影响明显，水平方向和垂直方向上的rE值平均减少了约5dB。

图15远场辐射方向图结果对比

注：这里的平均值计算可直接调用Trace Characteristics中的平均值计算函数“mean”获取。方法如图16所示。

图16 Trace的平均值计算

• 在模型中显示方向图结果

在Result右键选择想要在模型中显示的结果，如rE_Azimuth，勾选“Show In Modeler Window”，即可在模型中直观地显示方向图结果。如图17所示。

a）勾选Show in Modeler Window

b）水平方向

c）垂直方向

d）3D辐射方向图

3.5.3天线辐射效率

选择Result>Create Antenna Parameters Report>Data Table，得到倒F天线在自由空间和考虑手臂影响时的辐射效率，如图18所示。仿真结果显示，手臂对天线辐射效率影响明显，下降了超过60%。

图18天线辐射效率结果对比

3.5.4 SolutionData

本次仿真耗时约13分钟，最大占用内存约5.4G，总网格数量155866。具体如图19所示。

图19SolutionData

4 结论

本案例结合HFSS自带的人体结构模型和Antenna Toolkit工具，仿真评估了2.44GHz倒F天线性能受人体手臂的影响，包括天线回波损耗、远场辐射方向图、天线辐射效率等。表明了应用ANSYS HFSS可以有效地评估人体结构对天线性能的影响，利用此类方法，有助提升可穿戴电子产品天线的设计与评估能力。

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