目錄

一、2.4GHz WIFI天線信息

1） 天線本體，上方蛇形走線部分

2） 50 Ohm微帶線/饋線部分

3） GND鋪銅部分，參考地平面

4） 凈空區(qū)域，天線蛇形走線下方區(qū)域，不能鋪銅

5） 基板，整個模塊，采用FR4板材

二、HFSS仿真設(shè)計過程

1） 建立天線模型

（1） 新建設(shè)計工程

（2） 設(shè)置求解類型

（3） 設(shè)置模型長度單位mm

（4） 添加和定義設(shè)計變量

（5） 創(chuàng)建接地板GND

（6） 創(chuàng)建介質(zhì)層

（7） 創(chuàng)建蛇形倒F天線模型

（8） 創(chuàng)建天線與GND參考層連接面（替代過孔）

（9） 合并以上天線及鏈接GND的平面，形成天線模型

2） 設(shè)置激勵方式

3） 設(shè)置邊界條件

4） 求解設(shè)置

5） 設(shè)計檢查和運(yùn)行仿真計算

6） 查看天線參數(shù)性能

7） 設(shè)置優(yōu)化模塊

（1）、添加優(yōu)化參數(shù)變量

（2）、運(yùn)行參數(shù)掃描分析

（3）、查看分析結(jié)果

8） 優(yōu)化分析

HFSS仿真2.4GHz PCB板載WIFI天線

一、2.4GHz WIFI天線信息

使用ATK-ESP-01模塊，模塊尺寸如下：

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蛇形天線部分具體尺寸如下：

對天線建模，天線分為以下幾個部分：

1）天線本體，上方蛇形走線部分

（但實際上，蛇形線部分連同產(chǎn)品的 GND 鋪銅地一起，才是完整的天線。）HFSS中可以設(shè)置平面，屬性設(shè)置 PerF E（理想導(dǎo)體），或者設(shè)置厚度0.035mm,立體結(jié)構(gòu)設(shè)置材料為銅；

2）50 Ohm微帶線/饋線部分

信號從芯片或者射頻器件出來饋入天線的部分；上圖中Feed point 處，HFSS中設(shè)置外部激勵；設(shè)置集總端口（Lumped port）激勵，不用波端口激勵，需要估算波端口面積，影響仿真結(jié)果；

3）GND鋪銅部分，參考地平面

4）凈空區(qū)域，天線蛇形走線下方區(qū)域，不能鋪銅

5）基板，整個模塊，采用FR4板材

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二、HFSS仿真設(shè)計過程

本案例倒F天線制作在PCB上，工作于2.4GHz -2.483GHz（83MHz帶寬）頻段，其中心頻率為2.44GHz,并要求10dB帶寬大于100MHz（S11,小于-10db的帶寬達(dá)到100MHz以上）。

倒F天線結(jié)構(gòu)模型如下圖所示：

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整個天線結(jié)構(gòu)分為3個部分，分別是蛇形倒F形狀天線、介質(zhì)層和接地板。

介質(zhì)層的材質(zhì)使用的是PCB中最常用的玻璃纖維環(huán)氧樹脂（FR4）,其相對介電常數(shù)4.4，損耗正切為0.02.介質(zhì)層厚度為0.8mm,長度和寬度分別為24mm和16mm。

接地板位于介質(zhì)層的下表面，其長度和寬度分別為18.8mm和16mm.

倒F天線位于介質(zhì)層的上表面，具體尺寸如下：

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天線的接地點通過過孔與地板相連接，在建模時，對接地的過孔做簡化處理，用一個矩形理想導(dǎo)體平面來代替。

為了便于更改模型的大小以及后續(xù)的參數(shù)化分析，及分析天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響，在HFSS設(shè)計建模時，我們需要定義一系列的變量來表示天線的結(jié)構(gòu)。

其中，天線的厚度用Hant表示，天線的高度用L6表示，饋電點和接地點之間的距離用D5表示，天線微帶貼片的寬度用W2表示，接地板的長度和寬度分別用GndY和GndX來表示，介質(zhì)層的厚度用SubH表示，如下表變量及初始值：

1）建立天線模型

設(shè)置系統(tǒng)的坐標(biāo)原點位于基板介質(zhì)層原點位置。

接地板和天線輻射體都設(shè)置為不考慮厚度的理想薄導(dǎo)體。

（天線后續(xù)在以平面掃描方式向上建立厚度，比較有無變化）

首先在xoy平面上創(chuàng)建長度和寬度分別為變量GndY和GndX的接地板，并設(shè)置其邊界條件為理想導(dǎo)體邊界，用以模擬理想導(dǎo)體特性。

然后在接地板的正上方創(chuàng)建材質(zhì)為FR4，厚度為SubH的介質(zhì)層。

最后在介質(zhì)層上表面（即z等于變量SubH的平面）創(chuàng)建倒F天線。

（1）新建設(shè)計工程

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點擊HFSS,彈出HFSS工作界面，右鍵Project1重命名為WIFI_Antenna:

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（2）設(shè)置求解類型

從主菜單中選擇HFSS-->Solution Type命令，打開如下對話框，選擇終端驅(qū)動求解類型 Terminal，OK.終端求解類型和模式求解類型可以計算天線的S參數(shù)，終端求解類型更適合微帶線仿真；模式求解類型適合內(nèi)部應(yīng)用；

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（3）設(shè)置模型長度單位mm

從主菜單欄中選擇Modeler-->Units 命令，打開設(shè)置窗口：

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（4）添加和定義設(shè)計變量

從主菜單欄中選擇HFSS-->Design Properties 命令，打開設(shè)計屬性對話框。在該對話框中單擊Add按鈕，打開add Property對話框，依次添加變量：

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（5）創(chuàng)建接地板GND

在xoy平面上創(chuàng)建一個矩形面，其一個頂點的坐標(biāo)為（FrY-GndY ,0mm ,0mm）,長度和寬度分別為GndY和GndX.矩形面模型建好后，設(shè)置其邊界條件為理想導(dǎo)體邊界。

從主菜單選擇Draw-->Rectangle命令或單擊工具欄上的按鈕，進(jìn)入創(chuàng)建矩形面狀態(tài)，然后在三維模型窗口的xy面上創(chuàng)建一個任意大小的矩形面。

新建的矩形面會添加到操作歷史樹sheets節(jié)點下，其默認(rèn)名稱是Rectangle1，雙擊操作歷史樹sheets下的Rectangle1選項，打開新建矩形面屬性對話框的Attribute（屬性）選項卡，在Name文本框輸入GND,設(shè)置顏色為銅黃色，確定。

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展開操作歷史樹下的GND_P節(jié)點，雙擊該節(jié)點下的GreatRectangle選項，打開新建矩形面屬性對話框Command選項卡，在選項卡中設(shè)置矩形面的頂點坐標(biāo)和大小。

在Position文本框中輸入頂點坐標(biāo)（FrY-GndY ,0mm ,0mm），在XSize和Ysize文本框中分別輸入寬度和長度GndY和GndX，確定。

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選中參考地模型，然后單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Assign Boundary-->Perfect E 命令，打開理想導(dǎo)體邊界設(shè)置對話框，將Name默認(rèn)的PerfE1修改為PerfE_GND,確定。

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（6）創(chuàng)建介質(zhì)層

創(chuàng)建一個長方體模型用以表示介質(zhì)層。模型位于接地板的正上方，即模型的地面位于xoy平面，模型介質(zhì)為FR4, 并將模型命名為Substrate。

從主菜單欄中選擇Draw-->Box命令，或單擊工具欄上的按鈕，創(chuàng)建一個任意大小的長方體，命名為Box1,雙擊Solids節(jié)點下的Box1 更改名稱為Substrate，將Material選項對應(yīng)的Value值設(shè)置為FR4_epoxy,設(shè)置其材質(zhì)為FR4_epoxy，然后設(shè)置顏色為深綠色，設(shè)置透明度為0.6，確定。

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雙擊操作歷史樹Substrate節(jié)點下的CreateBox選項，打開屬性對話框，設(shè)置長方體頂點坐標(biāo)和大小，如下圖，確定。

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（7）創(chuàng)建蛇形倒F天線模型

創(chuàng)建蛇形倒F天線的輻射貼片模型，其位于介質(zhì)層上表面，通過一個理想導(dǎo)體矩形面接地，天線輻射貼片的形狀如圖：

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將其分割為如圖12個矩形面，依次創(chuàng)建模型

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A.?創(chuàng)建矩形面1，命名為Rectangle1,長寬分別為L6、W1，坐標(biāo)原點（D2+W2,D1,SubH）:

B.?創(chuàng)建矩形面2，命名為Rectangle2,長寬分別為L3、W2，坐標(biāo)原點（D2,D1,SubH）:

C.?創(chuàng)建矩形面3，命名為Rectangle3,長寬分別為L6、W2，坐標(biāo)原點（D2+W2,D1+W1+D5,SubH）:

D.?創(chuàng)建矩形面4，命名為Rectangle4,長寬分別為L4、W2，坐標(biāo)原點（D2+W2,D1+W1+D5+W2+D6,SubH）:

E.?創(chuàng)建矩形面5，命名為Rectangle5,長寬分別為L5、W2，坐標(biāo)原點（D2+L4,D1+W1+D5+2*W2+D6,SubH）:

F.?創(chuàng)建矩形面6，命名為Rectangle6,長寬分別為L4、W2，坐標(biāo)原點（D2+W2,D1+W1+D5+2*W2+D6+L5,SubH）:

G.?創(chuàng)建矩形面7，命名為Rectangle7,長寬分別為L2、W2，坐標(biāo)原點（D2，D1+W1+D5+2*W2+D6+L5,SubH）:

H.?創(chuàng)建矩形面8，命名為Rectangle8,長寬分別為L4、W2，坐標(biāo)原點（D2+W2,D1+W1+D5+W2+D6+L5+L2,SubH）:

I.?創(chuàng)建矩形面9，命名為Rectangle9,長寬分別為L5、W2，坐標(biāo)原點（D2+L4,D1+W1+D5+2*W2+D6+L5+L2,SubH）:

J.?創(chuàng)建矩形面10，命名為Rectangle10,長寬分別為L4、W2，坐標(biāo)原點（D2+W2,D1+W1+D5+2*W2+D6+2*L5+L2,SubH）:

K.?創(chuàng)建矩形面11，命名為Rectangle11,長寬分別為L2、W2，坐標(biāo)原點（D2,D1+W1+D5+2*W2+D6+2*L5+L2,SubH）:

L.?創(chuàng)建矩形面12，命名為Rectangle12,長寬分別為L1、W2，坐標(biāo)原點（D2+W2,D1+W1+D5+W2+D6+2*L5+2*L2,SubH）:

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（8）創(chuàng)建天線與GND參考層連接面（替代過孔）

創(chuàng)建矩形面13，命名為Gnd_via，該平面在yoz平面，單擊工具欄上的下拉列表框，選擇XZ,創(chuàng)建該平面，其長度和寬度分別為SubH和W1;

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（9）合并以上天線及鏈接GND的平面，形成天線模型

按住Ctrl鍵，一次單擊操作歷史樹sheets下的Rectangle1-12和Gnd_Via,然后從主菜單欄中選擇Modeler-->Boolean-->Unite命令，或單擊工具欄上的按鈕，執(zhí)行合并操作。合并生成的新物體名稱為Antenna。

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（10）設(shè)置倒F天線模型為理想導(dǎo)體，選中sheets下的Antenna選項，右鍵單擊，選中Assign Boundary-->Perfect E命令，修改名稱為PerfE_Antenna,OK。

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2）設(shè)置激勵方式

因為天線的輸入端口位于模型的內(nèi)部，所以需要使用集總端口激勵。

在天線的饋線（即矩形面3 FeedLine）底端和接地板之間創(chuàng)建一個平行于yz平面的矩形面，將其作為天線的激勵端口面，如圖矩形面6，然后設(shè)置該激勵端口面的激勵方式為集總端口激勵。

確認(rèn)工作平面在yz平面，創(chuàng)建矩形面，命名為Feed_Port:

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設(shè)置激勵，在操作歷史樹sheets下單擊Feed_Port，選中矩形面，然后鼠標(biāo)右鍵，Assign-->Lumped Port命令，打開終端驅(qū)動求解類型下集總端口設(shè)置對話框。

Port Name 選項默認(rèn)為1，下面的Conductor選項設(shè)置端口參考地，這里選中GND對應(yīng)復(fù)選框，OK,完成集總端口激勵的設(shè)置，完成后，設(shè)置的集總端口名稱1會自動添加到工程樹Excitations下，1是集總端口激勵名稱，Antenna_T1是終端線名稱：雙擊Excitations節(jié)點下的端口激勵名稱1，打開Lumped Port 對話框，確認(rèn)端口阻抗為50Ω。雙擊終端線名稱Antenna_T1，打開Terminal對話框，名稱可以改為T1，確認(rèn)其歸一化阻抗也是50Ω。

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3）設(shè)置邊界條件

使用HFSS分析天線問題時，必須設(shè)置輻射邊界條件，且輻射表面和天線之間的距離需要不小于1/4個工作波長。2.4GHz天線波長為16mm。/125mm

在本設(shè)計中設(shè)置一個長方體模型的表面為輻射表面，首先創(chuàng)建一個長方體模型AirBox,該長方體模型各個表面和介質(zhì)層Substrate表面之間的距離都大約在1/2個工作波長，然后把該長方體模型的全部表面都設(shè)置為輻射邊界條件。（注：輻射表面到天線距離會影響仿真結(jié)果）

設(shè)置當(dāng)前工作平面為xy,創(chuàng)建Box，命名為AirBox:

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長方體模型AirBox創(chuàng)建好之后，右鍵單擊操作歷史樹Solids節(jié)點下的AirBox選項，Assign Boundary-->Radiation（輻射）命令，打開對話框，保持默認(rèn)設(shè)置不變，OK,即把長方體模型的表面設(shè)置為輻射邊界條件。

設(shè)置完成后，輻射邊界條件的默認(rèn)名稱Rad1會自動添加到工程樹的Boundaries節(jié)點下。

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4）求解設(shè)置

所設(shè)計的倒F天線工作于2.4GHz，中心頻率為2.44GHz,所以求解頻率可以設(shè)置為2.44GHz,同時添加1.8G-3.2GHz的掃頻設(shè)置，選擇插值（Interpolating）掃描類型，分析天線在1.8-3.2GHz頻段內(nèi)的回波損耗和輸入阻抗等性能。

A.求解頻率和網(wǎng)格剖析設(shè)置

右鍵單擊工程樹下的Analysis節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇Add Solution Setup-->Advanced命令，打開對話框，設(shè)置如下：

Maximum Number of Passes ：最大迭代次數(shù)。自適應(yīng)網(wǎng)格剖分細(xì)化的過程在滿足收斂誤差或者達(dá)到最大迭代次數(shù)時自動終止。

Maximum Delta S ：S 參數(shù)收斂誤差標(biāo)準(zhǔn)?

自適應(yīng)網(wǎng)格剖分過程中，每次網(wǎng)格細(xì)化后，HFSS 會將基于當(dāng)前網(wǎng)格計算出的S 參數(shù)（或者能量、頻率）結(jié)果和上一次的計算結(jié)果相比較，如果求出的誤差ΔS（或者ΔE、ΔF）小于設(shè)置的收斂標(biāo)準(zhǔn)，表示解已經(jīng)收斂，自適應(yīng)網(wǎng)格剖分計算完成。

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B.掃頻設(shè)置，展開Analysis 下Setup1，右鍵，選擇Add Frequency Sweep 命令，打開Edit Sweep對話框，設(shè)置如下：

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OK

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5）設(shè)計檢查和運(yùn)行仿真計算

HFSS-->Validation Check

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右鍵單擊Analysis，選擇Analysis All命令開始仿真計算。

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6）查看天線參數(shù)性能

仿真分析完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分能夠查看天線的各項性能參數(shù)。

A.通過查看天線的回波損耗（S11）,即可看出天線的諧振頻率。右鍵單擊工程樹Result節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇Create Terminal Solution Data Report-->Rectangular Plot 命令，打開報告對話框：

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核對對話框左側(cè)Solution 選項選的是Setup1：Sweep，在Gategory列表框中選中Terminal S Parameter 選項，在Quantity列表框中選中St(Antenna_T1, Antenna_T1),在Function列表框中選中dB選項。

然后單擊New Report,再單擊Close，即可生成下圖S11分析結(jié)果：

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右鍵添加mark點：

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從結(jié)果報告中可以看出，天線諧振頻率為2.42GHz,10dB帶寬約為168MHz，在2.45GHz時，S11=-18.4dB。

B.查看天線的輸入阻抗

在直角坐標(biāo)系下和Smith原圖下分別查看天線的輸入阻抗隨頻率的變化關(guān)系。

右鍵單擊工程樹下的Result節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇Create Terminal Solution Data Report-->Rectangular Polt 命令，打開報告設(shè)置對話框，Solution 同樣選擇Setup1：Sweep,在Category列表中選擇Terminal Z Parameter, Quantity 選擇Zt（Antenna_T1, Antenna_T1），F(xiàn)unction 中選擇im和re, 表示同時查看輸入阻抗的虛部（電抗部分）和實部（電阻部分）。

然后單擊New Report,再單擊Close，即生成天線輸入阻抗結(jié)果的報告：

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添加mark點：

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從報告中可以看出，在2.4GHz頻率上，天線的輸入阻抗為（45.4318-j12.8978）Ω，可見此時天線的輸入阻抗在2.4GHz時和50Ω匹配良好。在2.44GHz時阻抗已經(jīng)偏小；

再次右擊Result, Create Terminal Solution Data Report-->Smith Chart 打開設(shè)置對話框，Solution 同樣選擇Setup1：Sweep,在Category列表中選擇Terminal S Parameter, Quantity 選擇St（Antenna_T1, Antenna_T1），F(xiàn)unction 中選擇none。

然后單擊New Report,再單擊Close，即生成Smith圓圖顯示的天線輸入阻抗結(jié)果報告：

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報告中可以看出，在2.4GHz頻率上，天線的歸一化輸入阻抗為（0.9934-0.3401i）Ω。

C.查看天線的方向圖

這里查看天線的三維增益方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場區(qū)確定的，當(dāng)查看天線的遠(yuǎn)區(qū)場分析結(jié)果時，首先需要定義輻射表面。

右鍵工程樹下的Radiation節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇Insert Far Field Setup-->Infinite Sphere 命令，打開Far Field Radiation Sphere Setup 對話框，定義輻射表面：

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查看三維增益方向圖：右鍵單擊工程樹下的Result節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇Create Far Fields Report -->3D Polar Plot 命令，打開設(shè)置對話框，在Geometry選擇Infinite Sphere 3D，在Category列表中選擇Gain, Quantity 選擇GainTotal，F(xiàn)unction 中選擇dB。

然后單擊New Report,再單擊Close，即生成倒F天線的三維增益方向圖：

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天線參數(shù)：

Incident Power（輸入功率）：HFSS 中輸入功率是指定義的端口激勵功率

Acceptable Power（凈輸入功率）：指實際流入天線端口的輸入功率

Radiated Power（輻射功率）：輻射功率是指經(jīng)由天線輻射到自由空間里的電磁能量，天線的輻射功率可以用坡印廷矢量的曲面積分來計算

Radiation Effciency（輻射效率）：輻射效率是輻射功率和凈輸入功率的比值

Max U（最大輻射強(qiáng)度）：輻射強(qiáng)度U是指每單位立體角內(nèi)天線輻射出的功率，Max U是輻射強(qiáng)度的最大值

Peak Directivity（方向性系數(shù)）：天線的方向性系數(shù)是指在相同輻射功率和相同距離的情況下，天線在最大輻射方向上的輻射功率密度與無方向性天線在該方向上的輻射功率密度的比值

Gain（天線增益）：天線的增益是指在相同的凈輸入功率和相同距離的情況下，天線在最大輻射方向上的輻射功率密度與無方向性天線在該方向上的輻射功率密度的比值

Peak Realized Gain（最大實際增益）：天線的實際增 益是指在相同輸入功率和相同距離的情況下，天線在最大輻射方向上的輻射功率密度與無方向性天線在該方向上的輻射功率密度的比值

Front to back Ration（前后向比）：又稱為軸比(AxisRatio)，指方向圖中前后瓣的最大比值，代表天線的極化程度

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7）設(shè)置優(yōu)化模塊

在阻抗匹配報告中，中心頻率2.44GHz處的阻抗偏小，分析介質(zhì)層厚度SubH對阻抗匹配的影響；

添加介質(zhì)層厚度SubH為掃描變量，使用參數(shù)掃描分析功能仿真分析給出的變量在0.4mm到1.2mm變化時輸入阻抗的變化。

（1）、添加優(yōu)化參數(shù)變量

右鍵單擊工程樹下的Optimetrics節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇Add-->Parametric命令，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下拉列表中選擇變量L，選擇Linear step 單選按鈕，填寫其他參數(shù)，點擊Add按鈕，OK，依次確定完成添加參數(shù)掃描操作。

完成后參數(shù)掃描分析項的名稱會自動添加到工程Opetmetrics下，其默認(rèn)名稱為ParametricSetup1.

（2）、運(yùn)行參數(shù)掃描分析

右鍵單擊展開工程樹下Optimetrics節(jié)點下的ParametricSetup1選項，選擇Analyze 命令，運(yùn)行參數(shù)掃描分析，時間較長。

（3）、查看分析結(jié)果

右鍵Result節(jié)點，Great Terminal Solution Data Report-->Rectangular Plot 命令，在Category列表中選擇Terminal Z Parameter, Quantity 選擇Zt（Antenna_T1, Antenna_T1），F(xiàn)unction 中選擇im和re。

然后單擊New Report,再單擊Close，即生成一組輸入阻抗結(jié)果報告：

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當(dāng)介質(zhì)層厚度SubH為0.6mm,天線阻抗為（62.2542-j28.7801）Ω，已經(jīng)大于50Ω，可以分析出介質(zhì)層厚度對天線阻抗的影響，介質(zhì)層厚度在0.6-0.8mm之間較好，可以更好的匹配50Ω的阻抗。

8）優(yōu)化分析

優(yōu)化設(shè)置分析可以以此類推，優(yōu)化各種模型參數(shù)對天線性能的影響，比如輻射表面到天線的距離對S參數(shù)的影響等等；

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1、回波損耗：

回波損耗RL（Return Loss）指的是射頻輸入信號反射回來的功率與輸入信號功率的比值。是以db為單位，是一個負(fù)數(shù)。在理想情況下，天線與射頻電路的阻抗完全匹配，完全沒有反射功率，這時的回波損耗為無限小。但是在工程上阻抗不可能完全匹配，因此反射功率是一定存在的。最差的情況是輸入功率完全被反射，此時回波損耗為0。因此對回波損耗這個技術(shù)參數(shù)，數(shù)值越低表示天線性能越好。

對內(nèi)置天線來說，由于天線工作環(huán)境相對比較差，通常要求回波損耗達(dá)到-7.5以下，而達(dá)到-10以下為佳。對外置天線來說，由于天線工作環(huán)境比較好，回波損耗應(yīng)該達(dá)到-14以下。

2、駐波比：

駐波比 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)是電壓駐波比的簡稱，指的是反射波波幅與入射波波幅的比值。當(dāng)理想情況下阻抗完全匹配時，駐波比的值是1。在實際工程上，必然存在反射，此時的駐波比是大于1的，反射越大時駐波比也越大。因此對駐波比這個技術(shù)參數(shù)，數(shù)值越低越接近1越好。

對內(nèi)置天線來說，由于天線工作環(huán)境相對比較差，通常要求駐波比達(dá)到2.5以下，而達(dá)到2以下為佳。對外置天線來說，由于天線工作環(huán)境比較好，駐波比應(yīng)該達(dá)到1.5以下。