一、倒F天线概述
倒F天线是单极子天线的一种变形结构，其衍变发展的过程可以看成是从1/4波长单极子天线到倒L天线再到倒F天线的过程，如下图所示。首先，将单极子天线进行90°弯曲，就能得到倒L天线，其总长度仍然是约为1/4个波长，单极子天线做这一变形的目的是有效地减少天线的高度。然而对于倒L天线，其上半部分平行于地面，这样在减小高度的同时增加了天线的容性，为了保持天线的谐振特性，我们就需要增加天线的感性，通常是在天线的拐角处增加一个倒L形贴片，贴片的一端通过孔与地面相连，这样就形成如下图 © 所示的形状天线。由于其形状像一个面向地面的字母F，因此将此种类型的天线称为倒F天线。
倒F天线的结构如下图所示，由长为L的终端开路传输线和长为S的终端短路传输线并联而成。其中，开路端到馈点可以等效成电阻和电容的并联(相当于负载，谐振时开路)，短路端到馈点可以等效成电阻和电感的串联(谐振时短路)。当天线谐振时，电流主要分布在天线的水平部分和对地短路部分，而馈电支路基本无电流分布。
在进行倒F天线设计时，主要有3个结构参数决定着天线的输入阻抗、谐振频率和天线带宽等性能。这3个结构参数分别是天线的谐振长度L、天线的高度H以及两条竖直臂之间的距离S。
作为天线的谐振部分，天线水平支路长度L对天线的谐振频率和输入阻抗的影响最为直接。当长度L增加时，天线的谐振频率降低，输入阻抗减小，天线呈感性；反之，当长度L减小时，天线的谐振频率升高，输入阻抗变大，天线呈容性。通常，L和H的长度之和约为1/4个工作波长。而对于印制倒F天线，因为天线的辐射贴片是蚀刻在PCB介质层上的，所以L和H的长度之和一般介于1/4个自由空间工作波长和1/4个介质层导波波长之间。在设计过程中，通常可以由下面的经验公式给出其初始值，即:L + H ≈ λ 0 4 ( 1 + ε r ) / 2 L+H \approx \frac{\lambda_{0}}{4 \sqrt{\left(1+\varepsilon_{r}\right) / 2}}L+H≈4(1+εr)/2λ0
其中，ε r \varepsilon_{r}εr是介质板材的介电常数，λ 0 \lambda_{0}λ0是自由空间波长。
二、设计指标
- 中心频率：2.45GHz
- 10dB带宽：大于100MHz
- 介质板相对介电常数：4.4
- 介质板厚度：0.8mm
三、模型创建
设定变量如下表：
| 变量意义 | 变量名 | 变量初始值（单位：mm） |
|---|---|---|
| 天线的谐振长度 | L | 16.2 |
| 天线的高度 | H | 3.8 |
| 天线馈电点和接地点间的距离 | S | 5 |
| 天线的微带线宽度 | W | 1 |
| 介质层的厚度 | SubH | 0.8 |
| 接地板的长度 | GndY | 90 |
| 接地板的宽度 | GndX | 50 |
| 馈电点到坐标原点的横向距离 | Offset | 12 |
| 自由空间波长 | Lambda | 122.4 |
依照上表将各个变量添加进HFSS中的设计属性变量中如下
创建的模型如下
需要注意一个接地，一个馈电用的矩形，如下
四、仿真及分析
1、仿真结果
回波损耗
输入阻抗
Smith圆图
方向图
2、结构参数分析
- 谐振长度L和天线谐振频率、输入阻抗的关系
添加倒F天线的谐振长度变量L为扫描变量，使用参数扫描分析功能仿真分析给出当变量L在15.2mm~17.2mm变化时，天线谐振频率和输入阻抗的变化。添加扫描变量L如下
S参数扫描结果如下
从参数扫描分析结果中可以出，倒F天线的谐振频率随着天线谐振长度变量L的变大而降低。
输入阻抗扫描结果如下
从参数扫描分析结果中可以看出，在工作频率2. 45GHz附近，倒F天线输入阻抗的电阻值随着谐振长度L的增加而降低，电抗值随着谐振长度L的增加而增加，即电抗值随着谐振长度L的增加逐渐由容性变为感性。
Smith圆图扫描结果如下
2.高度H和天线谐振频率、输入阻抗的关系
添加倒F天线的馈线高度变量H为扫描变量，使用参数扫描分析功能仿真分析给出当变量H在2.8mm~4.8mm变化时，天线谐振频率和输入阻抗的变化。如下图所示
S参数扫描结果如下
从参数扫描分析结果中可以看出，倒F天线的谐振频率随着高度H的变大而降低。
输入阻抗扫描结果如下
从参数扫描分析结果中可以看出，在工作频率2.45GHz附近，倒F天线输人阻抗的电阻值随着高度H的增加而增加，电抗值也是随着高度H的增加而增加，即随着高度H的增加电抗部分逐渐由容性变为感性。
Smith圆图扫描结果如下
3.间距S和天线谐振频率、输入阻抗的关系
添加倒F天线两条竖直臂之间的距离S为扫描变量，使用参数扫描分析功能仿真分析给出当变量S在3mm~7mm范围内变化时，天线谐振频率和输入阻抗的变化。如下图所示
S参数扫描结果如下
从参数扫描分析结果中可以看出，对于倒F天线来说，两条竖直臂之间的距离S对谐振频率影响很小。但是，间距S的变化会影响天线的带宽，随着间距S的增大，天线的带宽也逐渐增大。
输入阻抗扫描结果如下
从参数扫描分析结果中可以看出，在工作频率2.45GHz附近，倒F天线输入阻抗的电阻和电抗部分都是随着间距S的增大而减小。
Smith圆图扫描结果如下
上述仿真分析结果验证了倒F天线的3个结构参数变量L、H和S的变化会影响天线的谐振频率和输人阻抗。因此，对于倒F天线来说，在设计中只要选取合适的结构参数，即可使其谐振频率在任意的频率上，同时使其输入阻抗接近50Ω \OmegaΩ负载匹配。
总结给出下表为倒F天线的结构参数L、H和S对天线的谐振频率和输入阻抗性能的影响。