HFSS應(yīng)用案例：人體結(jié)構(gòu)對天線性能的影響

1 概述

天線是手機、智能手表、藍牙耳機、可植入醫(yī)療設(shè)備等無線電子產(chǎn)品收發(fā)信號必不可少的裝置，其性能好壞將直接影響通信質(zhì)量。除了考慮天線在電子產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)內(nèi)的性能評估外，我們不得不考慮人體對天線性能的影響。以可穿戴設(shè)備天線為例，其工作頻率大多為2.4GHz~2.48GHz或者5.725~5.875GHz，且多以倒F天線為基礎(chǔ)進行設(shè)計和優(yōu)化。

本案例基于ANSYS HFSS，演示如何利用Antenna Toolkit綜合得到倒F天線，并采用HFSS中自帶的人體結(jié)構(gòu)模型，評估其對天線性能的影響。

2 HFSS中的人體模型

2.1 直接獲取(模型的材料屬性不可編輯)

HFSS在Component Libraries里提供了全身人體結(jié)構(gòu)和局部人體結(jié)構(gòu)，通過HFSS Design界面View下拉菜單勾選Component Libraries，即可調(diào)出Component Libraries窗口，可選中人體結(jié)構(gòu)模型并拖拽到建模窗口，如圖1所示。

圖1 HFSS調(diào)出人體模型

HFSS自帶的人體結(jié)構(gòu)模型，其材料屬性中的相對介電常數(shù)和體電導(dǎo)率已經(jīng)內(nèi)部定義為全局變量：$avg_epsilon_r和$avg_conductivity，查看這兩個變量的方法是，右鍵選中Male_Body1>Component>Edit Definition，項目管理窗口會自動打開名稱為Male_Body的新Project，其中包含該模型的3D Component模型，右鍵點擊Male_Body Project >Project Datasets，在彈出的Datasets窗口中即可查看定義的材料參數(shù)。如圖2所示。

圖2 人體結(jié)構(gòu)材料屬性

2.2 模型導(dǎo)出(模型的材料屬性可編輯)

如果想對人體結(jié)構(gòu)的材料屬性進行更改，推薦的方法是，在HFSS界面通過Modeler>Export直接導(dǎo)出結(jié)構(gòu)模型為*.sab格式，以便后續(xù)使用。方法如圖3所示。

圖3人體結(jié)構(gòu).sab模型導(dǎo)出方法

3 人體手臂對2.44GHz倒F天線性能的影響

3.1 2.44GHz倒F天線建模

首先，HFSS主菜單View > ACT Extensions >Launch Wizards>HFSS Antenna Tool kit>Antenna Type>PIFA> PIFA-Planar Inverted-F，點擊finish后界面會自動生成一個名稱為PlanarInvertedF_ATK*的Project，該Project中有名稱為PlanarInvertedF_ATK的HFSS Design，如圖4所示。

圖4 Antenna Tool kit創(chuàng)建2.44GHz倒F天線

選中倒F天線全部結(jié)構(gòu)，在菜單欄選項卡中選擇Model>Create 3D Component，保存在目標文件夾。如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建倒F天線3D Component

3.2 人體手臂結(jié)構(gòu)建模

新建一個HFSS Design，利用2.1節(jié)介紹的直接獲取方法，直接將手臂模型拖拽到HFSS建模窗口中，目標坐標系選擇Global CS。如圖6所示。注：此時的手臂模型采用的是軟件自定義的材料屬性，無需進行設(shè)置。

圖6 導(dǎo)入的手臂模型

3.3 模型相對位置設(shè)置

創(chuàng)建名稱為“Antenna_F”的相對坐標系，如圖7所示。然后選擇Model>Browse 3D Component，讀入此前創(chuàng)建的倒F天線3D Component，目標坐標系選擇Antenna_F，調(diào)整倒F天線位置如圖8所示。

圖7 相對坐標系A(chǔ)ntenna_F

圖8 倒F天線與手臂相對位置

3.4 仿真設(shè)置

3.4.1 求解類型Solution Types

此處采用“Terminal Network”求解類型，為省去手動創(chuàng)建空氣盒子的步驟，此處勾選“Auto-Open Region>Radiation”，HFSS將自動創(chuàng)建空氣盒子并將其設(shè)置為Radiation輻射邊界條件。如圖9所示。

圖9求解類型設(shè)置

注：求解開放問題時，在實體周圍需創(chuàng)建一個空氣盒子，該空氣盒子包括了外部輻射表面。為吸收實體對外輻射的電磁波，這些外部輻射表面均會指定為輻射邊界條件（ABC，PML或者FEBI）。如果選擇了“Auto-Open Region”，HFSS將自動創(chuàng)建空氣盒子，并根據(jù)用戶所勾選的邊界條件（ABC，PML或者FEBI），進行對應(yīng)的邊界條件設(shè)置。同時，HFSS也會自動創(chuàng)建遠場輻射球面（3D、Azimuth、Elevation）。

3.4.2 求解設(shè)置Solution Setup

可以直接利用倒F天線中采用的求解設(shè)置，一個快速簡便的方法是，在倒F天線設(shè)計中，直接復(fù)制其Solution Setup，并粘貼到當前含有人體手臂和倒F天線的設(shè)計中。如圖10所示。

圖10 求解設(shè)置Solution Setup

3.5 仿真結(jié)果

運行仿真得到如下結(jié)果。

3.5.1 回波損耗S11

在Result>Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot中,選擇Terminal S Parameter，如圖11所示。從而得到倒F天線在自由空間和考慮手臂影響時的回波損耗S11結(jié)果，如圖12所示。仿真結(jié)果顯示，手臂對天線回損影響較小。

注：紅色曲線表示包含手臂的天線遠場輻射，黑色曲線表示自由空間中的天線遠場輻射，下同。

圖11 創(chuàng)建回波損耗S11結(jié)果報告

圖12 包含手臂前后天線回損結(jié)果對比

注：圖12中S11_Antenna Free Space曲線可從倒F天線設(shè)計的結(jié)果中Copy→Past到Terminal S Parameter結(jié)果中進行對比。方法如圖13所示。

圖13 復(fù)制/粘貼結(jié)果數(shù)據(jù)以作對比

3.5.2 遠場輻射方向圖

由于采用了Auto Open Region，Infinite Sphere將會自動創(chuàng)建3D、Azimuth和Elevation無限球面（Infinite Sphere），以觀察遠場輻射方向圖。如需手動創(chuàng)建，方法如圖14所示。

圖14 無限球面（Infinite Sphere）手動創(chuàng)建方法

然后，在Result>Create Far Fields Report>Radiation Pattern中,Geometry依次選擇Azimuth、Elevation，Category選擇rE，Quantity選擇rETotal，F(xiàn)unction選擇dB，得到倒F天線在自由空間和考慮手臂影響時的遠場輻射方向圖，如圖15所示。仿真結(jié)果顯示，手臂對天線遠場輻射方向圖影響明顯，水平方向和垂直方向上的rE值平均減少了約5dB。

圖15 遠場輻射方向圖結(jié)果對比

注：這里的平均值計算可直接調(diào)用Trace Characteristics中的平均值計算函數(shù)“mean”獲取。方法如圖16所示。

圖16  Trace的平均值計算

在模型中顯示方向圖結(jié)果

在Result右鍵選擇想要在模型中顯示的結(jié)果，如rE_Azimuth，勾選“Show In Modeler Window”，即可在模型中直觀地顯示方向圖結(jié)果。如圖17所示。

（a）勾選Show in Modeler Window

（b）水平方向

（c）垂直方向

（d）3D輻射方向圖

圖17 在模型中顯示方向圖結(jié)果

3.5.3天線輻射效率

選擇Result>Create Antenna Parameters Report>Data Table，得到倒F天線在自由空間和考慮手臂影響時的輻射效率，如圖18所示。仿真結(jié)果顯示，手臂對天線輻射效率影響明顯，下降了超過60%。

圖18 天線輻射效率結(jié)果對比

3.5.4 Solution Data

本次仿真耗時約13分鐘，最大占用內(nèi)存約5.4G，總網(wǎng)格數(shù)量155866。具體如圖19所示。

圖19 Solution Data

4 結(jié)論

本案例結(jié)合HFSS自帶的人體結(jié)構(gòu)模型和Antenna Toolkit工具，仿真評估了2.44GHz倒F天線性能受人體手臂的影響，包括天線回波損耗、遠場輻射方向圖、天線輻射效率等。表明了應(yīng)用ANSYS HFSS可以有效地評估人體結(jié)構(gòu)對天線性能的影響，利用此類方法，有助提升可穿戴電子產(chǎn)品天線的設(shè)計與評估能力。