基于ANSYS HFSS的蓝牙天线仿真分析实战

ANSYS HFSS 是全波三维电磁场仿真器，它基于自动网格剖分技术的高精度求解技术使得用户可以把更多的精力投入到产品设计，而不用浪费时间在仿真结果的验证上。

蓝牙(Bluetooth)是一种低成本、低功率以及短距离无线通讯的技术，可以广泛应用在个人移动通讯设备上。蓝牙天线，是在无线通讯系统中用来传送与接收电磁波能量的重要必备组件，工作频段为2.4GHZ~2.484GHZ.本文以倒L天线为例，本文主要介绍如何使用ANSYS HFSS仿真倒LPCB天线，以及对天线尺寸进行优化分析。

仿真模型及尺寸如图1所示，介质层厚度1mm，天线宽度1.6mm，天线长度25mm，其中垂直长度9mm，水平长度16mm，天线与参考地采用零厚度的平面模型。

图1 HFSS中蓝牙天线模型

打开ANSYS Electronics Desktop 2017（图2），点击Project 菜单下的HFSS模块，打开操作界面。

图2 ANSYS Electronics Desktop界面

选择合适的求解模式，针对不同的模型有相应的求解模式，本例使用终端驱动模式（图3）。

图3 HFSS求解类型         图4 HFSS中3D模型

设置好终端驱动模式以后开始建模，在HFSS中可以使用基本的立方体、平面等进行建模，也可以使用自带的模型库进行建模。本例使用图1中的模型自建模型。建好的三维蓝牙天线模型如图4所示。同时设置材料属性，PCB板介质层为F4，介电常数是4.4，损耗角正切0.02；参考地位于介质层下方，地与天线为平面模型，设置为Perfect E。在模型中选择GND平面，点击鼠标右键，选择Assign Boundry￫Perfect E，点击OK关闭对话框，同样的步骤对天线进行设置。然后辐射边界条件和集总端口激励。

设置好模型材料后，设置求解频率为天线中心频率2.45GHZ，自适应网格剖分的最大迭代次数为6次，收敛误差为0.02。扫频频率从1.5GHZ到3.5GHZ,Step size位0.01GHZ。分析设置完成后，单击Validation图标，检查整个工程文件的设置，如图5所示。然后点击HFSS￫Analysis，进行分析。在仿真计算过程中，工作界面右下角的进度条窗口会显示求解进度。信息管理窗口也会显示相应的信息说明，并会在仿真完成后给出完成提示信息。在分析过程中，点击Solution图标，可以查看收敛的状态，网格数量等。

图5 确认检查对话框

HFSS 拥有强大的数据后处理功能，仿真分析完成后，在数据处理部分能够给出天线的各项性能参数的仿真分析结果，如回波损耗、驻波比、输入阻抗和方向图等。

从结果可以看出，设计的蓝牙天线的中心频率为2.49GHZ，偏离预先设定的中心频率2.45GHZ。没有达到设计的性能要求。而且大部分情况下，天线的设计都不可能一步到位，甚至前面模型的参数也是通过调整天线的结构参数后得到的。因此需要借助HFSS的参数扫描分析功能分析天线结构对性能参数的影响。

如图7所示，添加天线臂长度为设计变量，初始长度9mm。

图7 添加变量对话框

右键单击工程管理窗口下的Optimetrics节点，选择Add￫Parametric，打开Setup Sweep Analysis对话框。单击该对话框中的Add按钮，打开Add/Edit Sweep对话框，在Variable下拉表中选择变量a_length，选中Linear step单选按钮，并将Start、Stop和Step分别设置为8.5mm、9.5mm和0.1mm，然后单击Add按钮。上述操作完成后，单击OK按钮，关闭Add/Edit Sweep对话框。右键单击工程树中的Optimetrics下的ParametricSetup1节点，在弹出的快捷菜单中选择Analyze命令，运行参数扫描分析。

参数扫描分析完成后，可以得到一组回波损耗仿真结果。如图8所示，每条S11曲线对应不同的a_length变量值。当设计变量等于9.5mm时，天线中心频率位于2.45GHZ，满足设计要求。

图8 参数扫描分析S11结果

图9 输入阻抗仿真结果(2.45GHZ)

图10 三维增益方向图(2.45GHZ)

本文展示了如何使用ANSYSHFSS仿真蓝牙天性的性能参数，以及如何利用参数优化功能达到设计目标。除了天线臂的长度，天线线宽、PCB板厚/板材以及参考地大小等都对天线性能有影响。如果要确保蓝牙天线的良好操作特性以更进一步提升蓝牙产品的传输品质，就必须在设计蓝牙模块时考虑其应用环境，这样便可以在设计初期就把天线与周边环境相互影响的问题解决并可提升后段产品应用的可靠度。

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