RF仿真
IFA天线的ADS仿真及参数影响
IFA，是Inverted-F Antenna的缩写，因为其形状像一个倒置的字母F，因此被称为倒F天线。IFA天线是一种monopole（单极）天线的变形，在其上面增加了一个短路支节，用以改善单极天线阻抗匹配困难的问题，又保持了其长度较小的特性，因此一经被推出就获得很大关注，随后衍生出各种变形，包括现在手机中最常见的内置PIFA天线。
TI公司在其资料中也给出了用于2.4GHz的IFA的外形尺寸，在ADS的Layout界面画出图形（因为IFA结构较复杂，直接绘制往往不够精准，可以用其他软件绘制的Gerber、DXF/DWG、Candence PCB等格式导入）：
1. 理想情况下IFA天线的仿真：
IFA天线占用面积大约为30X8mm，比sniffer天线大一倍还多，当然会有更优越的性能。这里不再给出仿真的过程，只分析得出的结果。这是S11特性曲线及smith图：
可能是我绘制的IFA天线尺寸不够精确，或者是其他一些因素造成，其中心频率略偏离了2.4～2.5GHz，而为2.35GHz；反射系数也只有-13.5dB，相当于VSWR=1.5；VSWR<2的带宽为220MHz，相对带宽为9%。（因为这类线天线的相对带宽都较窄，所以对天线绘制的精确度要求较高，否则将偏离设计频率。）
从smith图中可以看出：在中心频率处，IFA天线接近纯阻，这正是增加了接地的短路支节获得的特性，但此时纯阻大于50Ohm（sniffer天线是小于50Ohm），约为Z0的1.56倍，因此反射系数较高，不够理想。如果精准调整相关参数，使其位于50Ohm上，就可以达到理想的优良特性，这正是IFA天线设计的关键点。
从以上2D辐射场的图形可以看出，其天线效率达到67.4%，而sniffer天线只有47%，但二者的场分布很接近。
从增益图可以看出，IFA天线在1V馈电时最高增益为11dBm（sniffer天线为7.6dBm），其增益最高点也偏离了0度，变为14度。
IFA天线的空间辐射场大致也为球形，也有变形和不对称性，更像一只在基板出被切成两半的苹果。一个凹入点（即空间辐射较弱的方向）在馈电方向，这里有较大的地平面。
如果计算远场，也会得到对应远场的S参数：
而远场的3D图如图：
从上图可以看出，IFA天线的远场辐射也接近全向天线，同样有两个方向辐射比较弱，一个是馈电点方向，这里有较大的敷地，对信号的辐射有影响；还有一处是在天线左上角，这里的用于阻抗匹配的支节对辐射有较大影响。
2. PCB板厚对天线特性的影响：
以上的仿真，是在特定FR4基板厚度状况下得到的，在此厚度下，0.5mm宽的微带线阻抗为50Ohm（未按TI资料上给出的0.46mm绘制，这也是仿真结果有些偏差的一个重要原因）。在sniffer天线的仿真中考虑了PCB加工的板厚误差对天线特性的影响，因为其相对带宽较窄，只有5.5%，加工误差稍大就会带来明显的影响，而IFA天线的相对带宽为9%，加工误差的影响就会小很多，基本可以不考虑。板厚较大会使中心频率偏低，而厚度较小会使中心频率偏高，这种现象是一致的。
这里主要是考虑使用较厚的廉价的双面PCB来制作IFA天线带来的影响。常用的双面FR4基板最薄的为0.6mm（再薄的很少使用），设定厚度值进行仿真，得到如下曲线：
可见，其中心频率变为2.2GHz，降低了约6%，而反射系数为-17.3dB，相当于VSWR为1.3，反而有所改善；相应的VSWR<2.0的带宽变为240MHz，相对带宽为10%，也变得更宽。
从smith图上可以看出，中心频率点的阻抗也非常接近纯阻，而且更接近阻抗匹配点，即阻抗有所降低，为Z0的1.3倍。因为在0.6mm厚的基板上，已难以做出50Ohm的微带线来馈电，因此必然还会引起馈电口的阻抗失配情况，这时的S11曲线变为：
中心频率只有很小的降低，基本未变，但反射系数反而改善了，达到-24，即VSWR=1.13，当然带宽也扩宽为340MHz，相对带宽为14%。如果看smith图，就清楚了：
中心频率处也基本为纯阻，但从匹配点的右侧转为左侧。因为设计的IFA的阻抗偏高，大于50Ohm，所以在馈电微带线为50Ohm时反而失配，而用高于50Ohm的微带线馈电反而失配更小，反射系数当然就更小了。（至于为何按TI提供的尺寸绘制的天线会与50Ohm微带线失配，或者有IFA绘制精度的问题，但更有可能是当初设计的IFA并不是用在FR4基板上，因为IFA天线的频带较宽，更适合WI-FI使用，而性能更好的WI-FI产品一般不会使用普通的FR4基板，当然一些参数就会有些差别，但TI的资料并未给出这方面的说明。）
上面是用0.6mm的FR4基板时的辐射场分布图及增益图，天线效率有59.6%，1V馈电情况下的增益最高点约为10dBm，只下降了1dB左右，效果还是不错的。虽然IFA的中心频率有所偏移，但因为相对带宽较宽，并没有使天线性能有明显的下降。
如果使用厚度达1.0mm的FR4基板，并考虑微带线的阻抗失配情况，S11曲线为：
这时，其中心频率为2.06GHz，在2.4GHz频带上反射系数只有-7dB左右，VSWR约为2.6，虽然天线性能有了明显下降，但因为IFA天线有较宽的频带，还是可以使用的。当然，最好的方法还是通过调整天线尺寸，使其中心频率回到2.4GHz频段上。
如果PCB厚度增加到1.6mm，并考虑微带线阻抗失配造成的影响，S11曲线变为：
中心频率降到1.9GHz，这时的反射系数为-9.3dB，VSWR已高于2，图上标识的是VSWR为3（即反射系数为-6dB）的点。这时的增益曲线为：
这时中心频率降低到2.09GHz，降低约4.5%，反射系数略有增大但影响有限，VSWR<2的带宽有约260MHz，有所减小。主要是2.4GHz频段的反射系数增大到-6dB左右，相当于VSWR为3，有所劣化，但在小功率应用情况下仍可以接受。
这时，因为地层的反射作用，辐射能量都在上半空间，无论天线效率还是增益都有所提高，实际天线的效果反而更好。当然，如果使天线的中心频率调整回2.4GHz频段就更好了。因为IFA的带宽较宽，即使中心频率略偏离2.4GHZ频段也不是严重问题，对性能的影响比较有限，这是相对于sniffer天线的优势，在PCB面积足够的情况下，应优选IFA。
可见，中心频率变化不大，但反射系数增加到-12.4dB，VSWR<2的带宽已很窄，图上标识的是VSWR<3的频率点，约有350MHz。
上图是距导电层减到10mm的S11曲线，中心频率略有提高，但反射系数达到-4.4dB，相当于VSWR=4；而在2.4GHz频段，反射系数大约在-3～-2dB之间，即VSWR在6～8之间，性能已明显劣化。如果看power曲线图：
天线效率从70%降低到62%，性能有了较明显降低。
如果距导电体距离只有5mm，上图仿真出IFA天线的S11曲线，反射系数只有-2dB了，而且还出现了另一个谐振点，2.4GHz频段的反射系数只有-1.2dB左右，VSWR>14。此时，看power曲线：
TI公司在其资料中也给出了用于2.4GHz的IFA的外形尺寸，在ADS的Layout界面画出图形（因为IFA结构较复杂，直接绘制往往不够精准，可以用其他软件绘制的Gerber、DXF/DWG、Candence PCB等格式导入）：
1. 理想情况下IFA天线的仿真：
IFA天线占用面积大约为30X8mm，比sniffer天线大一倍还多，当然会有更优越的性能。这里不再给出仿真的过程，只分析得出的结果。这是S11特性曲线及smith图：
可能是我绘制的IFA天线尺寸不够精确，或者是其他一些因素造成，其中心频率略偏离了2.4～2.5GHz，而为2.35GHz；反射系数也只有-13.5dB，相当于VSWR=1.5；VSWR<2的带宽为220MHz，相对带宽为9%。（因为这类线天线的相对带宽都较窄，所以对天线绘制的精确度要求较高，否则将偏离设计频率。）
从smith图中可以看出：在中心频率处，IFA天线接近纯阻，这正是增加了接地的短路支节获得的特性，但此时纯阻大于50Ohm（sniffer天线是小于50Ohm），约为Z0的1.56倍，因此反射系数较高，不够理想。如果精准调整相关参数，使其位于50Ohm上，就可以达到理想的优良特性，这正是IFA天线设计的关键点。
从以上2D辐射场的图形可以看出，其天线效率达到67.4%，而sniffer天线只有47%，但二者的场分布很接近。
从增益图可以看出，IFA天线在1V馈电时最高增益为11dBm（sniffer天线为7.6dBm），其增益最高点也偏离了0度，变为14度。
IFA天线的空间辐射场大致也为球形，也有变形和不对称性，更像一只在基板出被切成两半的苹果。一个凹入点（即空间辐射较弱的方向）在馈电方向，这里有较大的地平面。
如果计算远场，也会得到对应远场的S参数：
而远场的3D图如图：
从上图可以看出，IFA天线的远场辐射也接近全向天线，同样有两个方向辐射比较弱，一个是馈电点方向，这里有较大的敷地，对信号的辐射有影响；还有一处是在天线左上角，这里的用于阻抗匹配的支节对辐射有较大影响。
2. PCB板厚对天线特性的影响：
以上的仿真，是在特定FR4基板厚度状况下得到的，在此厚度下，0.5mm宽的微带线阻抗为50Ohm（未按TI资料上给出的0.46mm绘制，这也是仿真结果有些偏差的一个重要原因）。在sniffer天线的仿真中考虑了PCB加工的板厚误差对天线特性的影响，因为其相对带宽较窄，只有5.5%，加工误差稍大就会带来明显的影响，而IFA天线的相对带宽为9%，加工误差的影响就会小很多，基本可以不考虑。板厚较大会使中心频率偏低，而厚度较小会使中心频率偏高，这种现象是一致的。
这里主要是考虑使用较厚的廉价的双面PCB来制作IFA天线带来的影响。常用的双面FR4基板最薄的为0.6mm（再薄的很少使用），设定厚度值进行仿真，得到如下曲线：
可见，其中心频率变为2.2GHz，降低了约6%，而反射系数为-17.3dB，相当于VSWR为1.3，反而有所改善；相应的VSWR<2.0的带宽变为240MHz，相对带宽为10%，也变得更宽。
从smith图上可以看出，中心频率点的阻抗也非常接近纯阻，而且更接近阻抗匹配点，即阻抗有所降低，为Z0的1.3倍。因为在0.6mm厚的基板上，已难以做出50Ohm的微带线来馈电，因此必然还会引起馈电口的阻抗失配情况，这时的S11曲线变为：
中心频率只有很小的降低，基本未变，但反射系数反而改善了，达到-24，即VSWR=1.13，当然带宽也扩宽为340MHz，相对带宽为14%。如果看smith图，就清楚了：
中心频率处也基本为纯阻，但从匹配点的右侧转为左侧。因为设计的IFA的阻抗偏高，大于50Ohm，所以在馈电微带线为50Ohm时反而失配，而用高于50Ohm的微带线馈电反而失配更小，反射系数当然就更小了。（至于为何按TI提供的尺寸绘制的天线会与50Ohm微带线失配，或者有IFA绘制精度的问题，但更有可能是当初设计的IFA并不是用在FR4基板上，因为IFA天线的频带较宽，更适合WI-FI使用，而性能更好的WI-FI产品一般不会使用普通的FR4基板，当然一些参数就会有些差别，但TI的资料并未给出这方面的说明。）
上面是用0.6mm的FR4基板时的辐射场分布图及增益图，天线效率有59.6%，1V馈电情况下的增益最高点约为10dBm，只下降了1dB左右，效果还是不错的。虽然IFA的中心频率有所偏移，但因为相对带宽较宽，并没有使天线性能有明显的下降。
如果使用厚度达1.0mm的FR4基板，并考虑微带线的阻抗失配情况，S11曲线为：
这时，其中心频率为2.06GHz，在2.4GHz频带上反射系数只有-7dB左右，VSWR约为2.6，虽然天线性能有了明显下降，但因为IFA天线有较宽的频带，还是可以使用的。当然，最好的方法还是通过调整天线尺寸，使其中心频率回到2.4GHz频段上。
如果PCB厚度增加到1.6mm，并考虑微带线阻抗失配造成的影响，S11曲线变为：
中心频率降到1.9GHz，这时的反射系数为-9.3dB，VSWR已高于2，图上标识的是VSWR为3（即反射系数为-6dB）的点。这时的增益曲线为：
比最佳情况下的11dBm下降了不到3dB，也就是功率下降了不到一半，虽然性能已有明显劣化，但还是可以使用。所以IFA天线的性能在双层厚板使用的情况下，要比sniffer天线好很多，当然这是以占用更大PCB面积换取的。
3. 导电层对IFA天线性能的影响：
同样，考虑IFA天线下面有导电金属层对特性的影响。设定的参考是0.6mm厚的双面板，先看距离25mm有接地导电层的情况：
这时中心频率降低到2.09GHz，降低约4.5%，反射系数略有增大但影响有限，VSWR<2的带宽有约260MHz，有所减小。主要是2.4GHz频段的反射系数增大到-6dB左右，相当于VSWR为3，有所劣化，但在小功率应用情况下仍可以接受。
这时，因为地层的反射作用，辐射能量都在上半空间，无论天线效率还是增益都有所提高，实际天线的效果反而更好。当然，如果使天线的中心频率调整回2.4GHz频段就更好了。因为IFA的带宽较宽，即使中心频率略偏离2.4GHZ频段也不是严重问题，对性能的影响比较有限，这是相对于sniffer天线的优势，在PCB面积足够的情况下，应优选IFA。
上图为近场的3D图和1V馈电下2.4GHz的增益曲线，与2.1GHz下的增益相比，只小不到0.1dB，性能还是很好的。
下面看距导电层20mm的情况，仿真出的S11曲线为：
可见，中心频率变化不大，但反射系数增加到-12.4dB，VSWR<2的带宽已很窄，图上标识的是VSWR<3的频率点，约有350MHz。
上图是距导电层减到10mm的S11曲线，中心频率略有提高，但反射系数达到-4.4dB，相当于VSWR=4；而在2.4GHz频段，反射系数大约在-3～-2dB之间，即VSWR在6～8之间，性能已明显劣化。如果看power曲线图：
天线效率从70%降低到62%，性能有了较明显降低。
如果距导电体距离只有5mm，上图仿真出IFA天线的S11曲线，反射系数只有-2dB了，而且还出现了另一个谐振点，2.4GHz频段的反射系数只有-1.2dB左右，VSWR>14。此时，看power曲线：
天线效率降到41.6%，而在25mm距离时能到70%。
可见，为了不明显影响IFA天线的性能，下方的导电体最好应在20mm距离以上，否则就会明显影响天线的辐射。如果必须这样使用，需要按照这种情形做适当的参数调整，而且应当使用矢量网络分析仪进行测试确认。
可见，为了不明显影响IFA天线的性能，下方的导电体最好应在20mm距离以上，否则就会明显影响天线的辐射。如果必须这样使用，需要按照这种情形做适当的参数调整，而且应当使用矢量网络分析仪进行测试确认。
4. IFA天线的性能评价：
由以上仿真结果可以看出，IFA天线是一种性能非常好的天线，频带比较宽，受各种环境的影响较小，适合WI-FI这种需要较宽频带的2.4GHz应用场合。当然，这种性能的取得是用占用较大的面积来换取的，大约需要30X8mm，影响到缩小设备的体积。
（注：以上结果只是使用ADS仿真得到的，因为条件所限，并没有使用网络分析仪验证。）