ANSYS HFSS 是全波三維電磁場仿真器，它基于自動網格剖分技術的高精度求解技術使得用戶可以把更多的精力投入到產品設計，而不用浪費時間在仿真結果的驗證上。

藍牙(Bluetooth)是一種低成本、低功率以及短距離無線通訊的技術，可以廣泛應用在個人移動通訊設備上。藍牙天線，是在無線通訊系統中用來傳送與接收電磁波能量的重要必備組件，工作頻段為2.4GHZ~2.484GHZ.本文以倒L天線為例，本文主要介紹如何使用ANSYS HFSS仿真倒LPCB天線，以及對天線尺寸進行優化分析。

仿真模型及尺寸如圖1所示，介質層厚度1mm，天線寬度1.6mm，天線長度25mm，其中垂直長度9mm，水平長度16mm，天線與參考地采用零厚度的平面模型。

圖1 HFSS中藍牙天線模型

打開ANSYS Electronics Desktop 2017（圖2），點擊Project 菜單下的HFSS模塊，打開操作界面。

圖2 ANSYS Electronics Desktop界面

選擇合適的求解模式，針對不同的模型有相應的求解模式，本例使用終端驅動模式（圖3）。

圖3 HFSS求解類型         圖4 HFSS中3D模型

設置好終端驅動模式以后開始建模，在HFSS中可以使用基本的立方體、平面等進行建模，也可以使用自帶的模型庫進行建模。本例使用圖1中的模型自建模型。建好的三維藍牙天線模型如圖4所示。同時設置材料屬性，PCB板介質層為F4，介電常數是4.4，損耗角正切0.02；參考地位于介質層下方，地與天線為平面模型，設置為Perfect E。在模型中選擇GND平面，點擊鼠標右鍵，選擇Assign Boundry?Perfect E，點擊OK關閉對話框，同樣的步驟對天線進行設置。然后輻射邊界條件和集總端口激勵。

設置好模型材料后，設置求解頻率為天線中心頻率2.45GHZ，自適應網格剖分的最大迭代次數為6次，收斂誤差為0.02。掃頻頻率從1.5GHZ到3.5GHZ,Step size位0.01GHZ。分析設置完成后，單擊Validation圖標，檢查整個工程文件的設置，如圖5所示。然后點擊HFSS?Analysis，進行分析。在仿真計算過程中，工作界面右下角的進度條窗口會顯示求解進度。信息管理窗口也會顯示相應的信息說明，并會在仿真完成后給出完成提示信息。在分析過程中，點擊Solution圖標，可以查看收斂的狀態，網格數量等。

圖5 確認檢查對話框

HFSS 擁有強大的數據后處理功能，仿真分析完成后，在數據處理部分能夠給出天線的各項性能參數的仿真分析結果，如回波損耗、駐波比、輸入阻抗和方向圖等。

圖6 天線回波損耗

從結果可以看出，設計的藍牙天線的中心頻率為2.49GHZ，偏離預先設定的中心頻率2.45GHZ。沒有達到設計的性能要求。而且大部分情況下，天線的設計都不可能一步到位，甚至前面模型的參數也是通過調整天線的結構參數后得到的。因此需要借助HFSS的參數掃描分析功能分析天線結構對性能參數的影響。

如圖7所示，添加天線臂長度為設計變量，初始長度9mm。

圖7 添加變量對話框

右鍵單擊工程管理窗口下的Optimetrics節點，選擇Add?Parametric，打開Setup Sweep Analysis對話框。單擊該對話框中的Add按鈕，打開Add/Edit Sweep對話框，在Variable下拉表中選擇變量a_length，選中Linear step單選按鈕，并將Start、Stop和Step分別設置為8.5mm、9.5mm和0.1mm，然后單擊Add按鈕。上述操作完成后，單擊OK按鈕，關閉Add/Edit Sweep對話框。右鍵單擊工程樹中的Optimetrics下的ParametricSetup1節點，在彈出的快捷菜單中選擇Analyze命令，運行參數掃描分析。

參數掃描分析完成后，可以得到一組回波損耗仿真結果。如圖8所示，每條S11曲線對應不同的a_length變量值。當設計變量等于9.5mm時，天線中心頻率位于2.45GHZ，滿足設計要求。

圖8 參數掃描分析S11結果

圖9 輸入阻抗仿真結果(2.45GHZ)

圖10 三維增益方向圖(2.45GHZ)

本文展示了如何使用ANSYSHFSS仿真藍牙天性的性能參數，以及如何利用參數優化功能達到設計目標。除了天線臂的長度，天線線寬、PCB板厚/板材以及參考地大小等都對天線性能有影響。如果要確保藍牙天線的良好操作特性以更進一步提升藍牙產品的傳輸品質，就必須在設計藍牙模塊時考慮其應用環境，這樣便可以在設計初期就把天線與周邊環境相互影響的問題解決并可提升后段產品應用的可靠度。

（注：文中數據僅為介紹軟件使用流程方便，不是實際產品模型）