HFSS仿真2.4GHz PCB板载WIFI天线
一、2.4GHz WIFI天线信息
使用ATK-ESP-01模块，模块尺寸如下：
蛇形天线部分具体尺寸如下：
对天线建模，天线分为以下几个部分：
1）天线本体，上方蛇形走线部分
（但实际上，蛇形线部分连同产品的 GND 铺铜地一起，才是完整的天线。）HFSS中可以设置平面，属性设置 PerF E（理想导体），或者设置厚度0.035mm,立体结构设置材料为铜；
2）50 Ohm微带线/馈线部分
信号从芯片或者射频器件出来馈入天线的部分；上图中Feed point 处，HFSS中设置外部激励；设置集总端口（Lumped port）激励，不用波端口激励，需要估算波端口面积，影响仿真结果；
3）GND铺铜部分，参考地平面
4）净空区域，天线蛇形走线下方区域，不能铺铜
5）基板，整个模块，采用FR4板材
二、HFSS仿真设计过程
本案例倒F天线制作在PCB上，工作于2.4GHz -2.483GHz频段，其中心频率为2.44GHz,并要求10dB带宽大于100MHz（S11,小于-10db的带宽达到100MHz以上）。
倒F天线结构模型如下图所示：
整个天线结构分为3个部分，分别是蛇形倒F形状天线、介质层和接地板。
介质层的材质使用的是PCB中最常用的玻璃纤维环氧树脂（FR4）,其相对介电常数4.4，损耗正切为0.02.介质层厚度为0.8mm,长度和宽度分别为24mm和16mm。
接地板位于介质层的下表面，其长度和宽度分别为18.8mm和16mm.
倒F天线位于介质层的上表面，具体尺寸如下：
天线的接地点通过过孔与地板相连接，在建模时，对接地的过孔做简化处理，用一个矩形理想导体平面来代替。
为了便于更改模型的大小以及后续的参数化分析，及分析天线的结构参数对天线性能的影响，在HFSS设计建模时，我们需要定义一系列的变量来表示天线的结构。
其中，天线的厚度用Hant表示，天线的高度用L6表示，馈电点和接地点之间的距离用D5表示，天线微带贴片的宽度用W2表示，接地板的长度和宽度分别用GndY和GndX来表示，介质层的厚度用SubH表示，如下表变量及初始值：
1）建立天线模型
设置系统的坐标原点位于基板介质层原点位置。
接地板和天线辐射体都设置为不考虑厚度的理想薄导体。（天线后续在以平面扫描方式向上建立厚度，比较有无变化）
首先在xoy平面上创建长度和宽度分别为变量GndY和GndX的接地板，并设置其边界条件为理想导体边界，用以模拟理想导体特性。
然后在接地板的正上方创建材质为FR4，厚度为SubH的介质层。
最后在介质层上表面（即z等于变量SubH的平面）创建倒F天线。
（1）新建设计工程
点击HFSS,弹出HFSS工作界面，右键Project1重命名为WIFI_Antenna:
（2）设置求解类型
从主菜单中选择HFSS–>Solution Type命令，打开如下对话框，选择终端驱动求解类型 Terminal，OK.终端求解类型和模式求解类型可以计算天线的S参数，终端求解类型更适合微带线仿真；模式求解类型适合内部应用；
（3）设置模型长度单位mm
从主菜单栏中选择Modeler–>Units 命令，打开设置窗口：
（4）添加和定义设计变量
从主菜单栏中选择HFSS–>Design Properties 命令，打开设计属性对话框。在该对话框中单击Add按钮，打开add Property对话框，依次添加变量：
（5）创建接地板GND
在xoy平面上创建一个矩形面，其一个顶点的坐标为（FrY-GndY ,0mm ,0mm）,长度和宽度分别为GndY和GndX.矩形面模型建好后，设置其边界条件为理想导体边界。
从主菜单选择Draw–>Rectangle命令或单击工具栏上的按钮，进入创建矩形面状态，然后在三维模型窗口的xy面上创建一个任意大小的矩形面。
新建的矩形面会添加到操作历史树sheets节点下，其默认名称是Rectangle1，双击操作历史树sheets下的Rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute（属性）选项卡，在Name文本框输入GND,设置颜色为铜黄色，确定。
展开操作历史树下的GND_P节点，双击该节点下的GreatRectangle选项，打开新建矩形面属性对话框Command选项卡，在选项卡中设置矩形面的顶点坐标和大小。
在Position文本框中输入顶点坐标（FrY-GndY ,0mm ,0mm），在XSize和Ysize文本框中分别输入宽度和长度GndY和GndX，确定。
选中参考地模型，然后单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Assign Boundary–>Perfect E 命令，打开理想导体边界设置对话框，将Name默认的PerfE1修改为PerfE_GND,确定
（6）创建介质层
创建一个长方体模型用以表示介质层。模型位于接地板的正上方，即模型的地面位于xoy平面，模型介质为FR4, 并将模型命名为Substrate。
从主菜单栏中选择Draw–>Box命令，或单击工具栏上的按钮，创建一个任意大小的长方体，命名为Box1,双击Solids节点下的Box1 更改名称为Substrate，
将Material选项对应的Value值设置为FR4_epoxy,设置其材质为FR4_epoxy，然后设置颜色为深绿色，设置透明度为0.6，确定。
双击操作历史树Substrate节点下的CreateBox选项，打开属性对话框，设置长方体顶点坐标和大小，如下图，确定。
（7）创建蛇形倒F天线模型
创建蛇形倒F天线的辐射贴片模型，其位于介质层上表面，通过一个理想导体矩形面接地，天线辐射贴片的形状如图：
将其分割为如图12个矩形面，依次创建模型
1、创建矩形面1，命名为Rectangle1,长宽分别为L6、W1，坐标原点（D2+W2,D1,SubH）:
2、创建矩形面2，命名为Rectangle2,长宽分别为L3、W2，坐标原点（D2,D1,SubH）:
3、创建矩形面3，命名为Rectangle3,长宽分别为L6、W2，坐标原点（D2+W2,D1+W1+D5,SubH）:
4、创建矩形面4，命名为Rectangle4,长宽分别为L4、W2，坐标原点（D2+W2,D1+W1+D5+W2+D6,SubH）:
5、创建矩形面5，命名为Rectangle5,长宽分别为L5、W2，坐标原点（D2+L4,D1+W1+D5+2*W2+D6,SubH）:
6、创建矩形面6，命名为Rectangle6,长宽分别为L4、W2，坐标原点（D2+W2,D1+W1+D5+2*W2+D6+L5,SubH）:
7、创建矩形面7，命名为Rectangle7,长宽分别为L2、W2，坐标原点（D2，D1+W1+D5+2*W2+D6+L5,SubH）:
8、创建矩形面8，命名为Rectangle8,长宽分别为L4、W2，坐标原点（D2+W2,D1+W1+D5+W2+D6+L5+L2,SubH）:
9、创建矩形面9，命名为Rectangle9,长宽分别为L5、W2，坐标原点（D2+L4,D1+W1+D5+2*W2+D6+L5+L2,SubH）:
10、创建矩形面10，命名为Rectangle10,长宽分别为L4、W2，坐标原点（D2+W2,D1+W1+D5+2*W2+D6+2*L5+L2,SubH）:
11、创建矩形面11，命名为Rectangle11,长宽分别为L2、W2，坐标原点（D2,D1+W1+D5+2*W2+D6+2*L5+L2,SubH）:
12、创建矩形面12，命名为Rectangle12,长宽分别为L1、W2，坐标原点（D2+W2,D1+W1+D5+W2+D6+2*L5+2*L2,SubH）；
（8）创建天线与GND参考层连接面（替代过孔）
创建矩形面13，命名为Gnd_via，该平面在yoz平面，单击工具栏上的下拉列表框，选择XZ,创建该平面，其长度和宽度分别为SubH和W1;
（9）合并以上天线及链接GND的平面，形成天线模型
按住Ctrl键，一次单击操作历史树sheets下的Rectangle1-12和Gnd_Via,然后从主菜单栏中选择Modeler–>Boolean–>Unite命令，或单击工具栏上的按钮，执行合并操作。合并生成的新物体名称为Antenna。
（10）设置倒F天线模型为理想导体
选中sheets下的Antenna选项，右键单击，选中Assign Boundary–>Perfect E命令，修改名称为PerfE_Antenna,OK。
2）设置激励方式
因为天线的输入端口位于模型的内部，所以需要使用集总端口激励。
在天线的馈线（即矩形面3 FeedLine）底端和接地板之间创建一个平行于yz平面的矩形面，将其作为天线的激励端口面，如图矩形面6，然后设置该激励端口面的激励方式为集总端口激励。
确认工作平面在yz平面，创建矩形面，命名为Feed_Port:
设置激励，在操作历史树sheets下单击Feed_Port，选中矩形面，然后鼠标右键，Assign–>Lumped Port命令，打开终端驱动求解类型下集总端口设置对话框。
Port Name 选项默认为1，下面的Conductor选项设置端口参考地，这里选中GND对应复选框，OK,完成集总端口激励的设置，完成后，设置的集总端口名称1会自动添加到工程树Excitations下，
1是集总端口激励名称，Antenna_T1是终端线名称：双击Excitations节点下的端口激励名称1，打开Lumped Port 对话框，确认端口阻抗为50Ω。双击终端线名称Antenna_T1，打开Terminal对话框，名称可以改为T1，确认其归一化阻抗也是50Ω。
3）设置边界条件
使用HFSS分析天线问题时，必须设置辐射边界条件，且辐射表面和天线之间的距离需要不小于1/4个工作波长。2.4GHz天线波长为16mm。
在本设计中设置一个长方体模型的表面为辐射表面，首先创建一个长方体模型AirBox,该长方体模型各个表面和介质层Substrate表面之间的距离都大约在1/2个工作波长，然后把该长方体模型的全部表面都设置为辐射边界条件。（注：辐射表面到天线距离会影响仿真结果）
设置当前工作平面为xy,创建Box，命名为AirBox:
长方体模型AirBox创建好之后，右键单击操作历史树Solids节点下的AirBox选项，Assign Boundary–>Radiation（辐射）命令，打开对话框，保持默认设置不变，OK,即把长方体模型的表面设置为辐射边界条件。
设置完成后，辐射边界条件的默认名称Rad1会自动添加到工程树的Boundaries节点下。
4）求解设置
所设计的倒F天线工作于2.4GHz，中心频率为2.44GHz,所以求解频率可以设置为2.44GHz,同时添加1.8G-3.2GHz的扫频设置，选择插值（Interpolating）扫描类型，分析天线在1.8-3.2GHz频段内的回波损耗和输入阻抗等性能。
A.求解频率和网格剖析设置
右键单击工程树下的Analysis节点，在弹出的快捷菜单中选择Add Solution Setup–>Advanced命令，打开对话框，设置如下：
B.扫频设置，展开Analysis 下Setup1，右键，选择Add Frequency Sweep 命令，打开Edit Sweep对话框，设置如下：
OK
5）设计检查和运行仿真计算
HFSS–>Validation Check
右键单击Analysis，选择Analysis All命令开始仿真计算。
6）查看天线参数性能
仿真分析完成后，在数据后处理部分能够查看天线的各项性能参数。
A.通过查看天线的回波损耗（S11）,即可看出天线的谐振频率。右键单击工程树Result节点，在弹出的快捷菜单中选择Create Terminal Solution Data Report–>Rectangular Plot 命令，打开报告对话框：
核对对话框左侧Solution 选项选的是Setup1：Sweep，在Gategory列表框中选中Terminal S Parameter 选项，在Quantity列表框中选中St(Antenna_T1, Antenna_T1),在Function列表框中选中dB选项。
然后单击New Report,再单击Close，即可生成下图S11分析结果：
右键添加mark点：
从结果报告中可以看出，天线谐振频率为2.42GHz,10dB带宽约为168MHz，在2.45GHz时，S11=-18.4dB。
B.查看天线的输入阻抗
在直角坐标系下和Smith原图下分别查看天线的输入阻抗随频率的变化关系。
右键单击工程树下的Result节点，在弹出的快捷菜单中选择Create Terminal Solution Data Report–>Rectangular Polt 命令，打开报告设置对话框，Solution 同样选择Setup1：Sweep,在Category列表中选择Terminal Z Parameter, Quantity 选择Zt（Antenna_T1, Antenna_T1），Function 中选择im和re, 表示同时查看输入阻抗的虚部（电抗部分）和实部（电阻部分）。
然后单击New Report,再单击Close，即生成天线输入阻抗结果的报告：
添加mark点：
从报告中可以看出，在2.4GHz频率上，天线的输入阻抗为（45.4318-j12.8978）Ω，可见此时天线的输入阻抗在2.4GHz时和50Ω匹配良好。在2.44GHz时阻抗已经偏小；
再次右击Result, Create Terminal Solution Data Report–>Smith Chart 打开设置对话框，Solution 同样选择Setup1：Sweep,在Category列表中选择Terminal S Parameter, Quantity 选择St（Antenna_T1, Antenna_T1），Function 中选择none。
然后单击New Report,再单击Close，即生成Smith圆图显示的天线输入阻抗结果报告：
报告中可以看出，在2.4GHz频率上，天线的归一化输入阻抗为（0.9934-0.3401i）Ω。
C.查看天线的方向图
这里查看天线的三维增益方向图。天线方向图是在远场区确定的，当查看天线的远区场分析结果时，首先需要定义辐射表面。
右键工程树下的Radiation节点，在弹出的快捷菜单中选择Insert Far Field Setup–>Infinite Sphere 命令，打开Far Field Radiation Sphere Setup 对话框，定义辐射表面：
点击OK定义名称为Infinite Sphere 3D的辐射表面添加到Radiation下。
查看三维增益方向图：右键单击工程树下的Result节点，在弹出的快捷菜单中选择Create Far Fields Report –>3D Polar Plot 命令，打开设置对话框，在Geometry选择Infinite Sphere 3D，在Category列表中选择Gain, Quantity 选择GainTotal，Function 中选择dB。
然后单击New Report,再单击Close，即生成倒F天线的三维增益方向图：
7）设置优化模块
在阻抗匹配报告中，中心频率2.44GHz处的阻抗偏小，分析介质层厚度SubH对阻抗匹配的影响；
添加介质层厚度SubH为扫描变量，使用参数扫描分析功能仿真分析给出的变量在0.4mm到1.2mm变化时输入阻抗的变化。
（1）、添加优化参数变量
右键单击工程树下的Optimetrics节点，在弹出的快捷菜单中选择Add–>Parametric命令，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下拉列表中选择变量L，选择Linear step 单选按钮，填写其他参数，点击Add按钮，OK，依次确定完成添加参数扫描操作。
完成后参数扫描分析项的名称会自动添加到工程Opetmetrics下，其默认名称为ParametricSetup1.
（2）、运行参数扫描分析
右键单击展开工程树下Optimetrics节点下的ParametricSetup1选项，选择Analyze 命令，运行参数扫描分析，时间较长。
（3）、查看分析结果
右键Result节点，Great Terminal Solution Data Report–>Rectangular Plot 命令，在Category列表中选择Terminal Z Parameter, Quantity 选择Zt（Antenna_T1, Antenna_T1），Function 中选择im和re。
然后单击New Report,再单击Close，即生成一组输入阻抗结果报告：
当介质层厚度SubH为0.6mm,天线阻抗为（62.2542-j28.7801）Ω，已经大于50Ω，可以分析出介质层厚度对天线阻抗的影响，介质层厚度在0.6-0.8mm之间较好，可以更好的匹配50Ω的阻抗。
8）优化分析
优化设置分析可以以此类推，优化各种模型参数对天线性能的影响，比如辐射表面到天线的距离对S参数的影响等等；
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