天线的发明可以追溯到19世纪末，与无线电波的发现和应用密切相关。1894年，俄国科学家亚历山大·波波夫（Alexander Stepanovich Popov）在一次实验中，波波夫无意中发现将一根导线搭在金属屑检波器上时，接收机的检测电波距离突然增大。经过多次试验，他确认这根导线起到了增强信号传递距离的作用，从而发明了天线。
天线的种类众多，单从形状上分类就有：微带天线，偶极子天线，螺旋天线，环形天线，八木天线，锥形天线，喇叭天线，栅格天线等等。贴片天线具有体积小、重量轻、轮廓低、工艺简单、成本低廉的特点，便于批量集成到各种无线通信设备中。所以今天小禾君来说一下，半导体中最常用最简单的——贴片天线。
什么是贴片天线
贴片天线，又称为平板天线、面板天线或微带天线，是一种非常常见的天线类型，广泛应用于无线通信设备中。
贴片天线是一种由两个金属板（其中一个金属板比另一个大）叠加组成的饼状定向天线，中间夹有片状介电质。它也可以被视为一种印刷在介质基片上的金属贴片天线，通过微带线或同轴探针等方式进行馈电。
贴片天线通常由辐射贴片、介质基片和接地板三部分组成。辐射贴片是天线的主要辐射部分，其形状可以是矩形、圆形、多边形等；介质基片用于支撑辐射贴片并提供所需的电气性能；接地板则位于介质基片的另一侧，与辐射贴片形成电磁场。
贴片天线的原理
贴片天线的工作原理基于电磁感应定律和反射原理。当贴片天线接收到无线信号时，信号会在天线的导体上产生电流。这个电流会产生一个电场，进而产生一个磁场，从而形成一种电磁波。贴片天线的设计可以使得电磁波在天线的导体上反射和折射，从而增强或减弱信号的强度。这种设计可以根据不同的频率进行调整，以便在不同的频段内实现最佳的天线性能。
我们用电磁场的角度分析电磁波实在是有些繁琐，既然已经叫电磁波了，我们可以用波的概念，譬如声波，光波来阐述电磁波的传播。喇叭天线，顾名思义，其实就是个喇叭形状。电磁波通过馈线馈入到喇叭时，喇叭就把空气的振动转化成声波，并朝着喇叭开口的方向传送出去。
偶极子天线，也可以看成喇叭天线的剖面图，也是类似于喇叭的原理。
不过这个电磁场也很好分析，正常传输线，电场限制在两根线之。当上线逆时针旋转90°，下线顺时针旋转90°后，电场变为如下形状，根据电场磁场，传播方向相互垂直的关系，那么电磁波传播方向就是向右。
有了偶极子的分析，我们再来看一下微带线和贴片天线。只有在边缘的位置，还是依据电磁波传播方向垂直电场和磁场方向。所以微带贴片天线的原理与缝隙天线类似。
可以用水波的形式来类比，馈线相当于是注水管，传输线端口开路好比是一堵墙，遇到墙，水波会被弹回来。我们知道在墙的附近水波最高，也就是水波会在边缘处沿着Y轴的方向传播。
一般贴片的长度选择是λ/2这样正好在两个墙面入射和反射都是叠加，这类似于传输线的原理，传输线入射波和反射波叠加出现波峰和波谷，每λ/2个周期重复一次。也就是传输线经过λ/2个电长度，会绕着smith阻抗圆图绕一圈。当然3λ/2, 5λ/2.。。。。。这些电长度/尺寸，同样会是叠加效果，为什么偏偏选择λ/2呢？首先我们肯定希望尺寸越小越好，齐次，距离太远，虽然是叠加效果，但是电磁波和传输线里不一样，电磁波是向空间传播的，假设以辐射点为半径向周围传播，整体可以用球面面积公式：S=4πR²计算到。随着距离的变远，辐射强度以半径的平方的速度衰减。其实这些尺寸的天线都是可以应用的，不过如果尺寸太大，那么辐射就变弱了。看到这你是不是明白了一直刻在脑海中的一句话：当天线尺寸和波长相比拟的时候，就能把电磁波辐射出去。
这里我们采用完全不借助任何一个公式，来阐述贴片天线的原理。当然贴片天线的原理和计算其实是个很复杂的过程，也可以在教科书中找到推演过程。但内容过于枯燥。我们后面计算直接套用已有公式，然后仿真验证。
贴片天线的参数计算公式
为了在工作频带内，辐射最强，阻抗匹配最好，要求我们严格设计贴片天线的尺寸。我们以2.4G天线为目标，Rogers4003板材为基材。给一个50欧姆的PA当天线。表面铜线1/2Oz 镀层厚度1/2Oz。
主要参数有
>工作频率：2.4G
>端口阻抗：50
>基材介电常数：3.38
>基材损耗角：0.0027@10GHz （这个与能量损耗，带宽，方向性都相关）
>基材厚度：20mil(0.508mm)
>金属厚度：33um (影响增益和辐射效率，太厚也会增加成本)
>馈线宽度：通过调整馈线宽度来观察天线带宽、回波损耗、辐射效率等性能指标的变化，从而确定最佳的馈线宽度。
>馈线长度：馈线长度需要足够长以确保输入阻抗与传输线或系统阻抗（如50Ω）相匹配，馈线长度也会影响天线的辐射性能，如方向图、增益等。因此，在确定馈线长度时，需要综合考虑这些性能指标。
主要计算公式有
>贴片天线宽度计算公式：
>等效介电常数计算公式：
>贴片天线长度计算公式：
由于边缘场效应，需要在天线长度每边减去的部分。
最终长度：
介质板长度/宽度：介质板越大，带宽和增益一般越好。太大的介质板空间安装受限。根据经验接地板和天线的尺寸比通常为2:1或3:1，但这只是一个大致的参考范围，具体比例需要根据实际设计进行调整。
下面是用上面公式计算得到的W和L
HFSS建模
Ansys HFSS，CST，Sonnet都是常用的三维电磁场仿真软件，我们以HFSS为例讲解贴片天线建模和设置。
准备工作：建议下载安装正版软件，不建议去“吴川斌的博客”公众号下载破解版。
>启动软件
>新建HFSS工程
>创建模型，这里只需要创建长方体就可以啦。关于更多的操作可以找一些HFSS操作教程，这里不再赘述啦。
我们从下往上绘制，先绘制底板X=42mm，Y=40mm，Z=0.035mm。注：1OZ的Cu在一平方英尺的面积上，厚度大约就是35um。
>复制这块板，上移535um
>下层板X、Y扩大3倍。并且移动-42mm，-40mm。这样上下的两个板子就中心对齐啦。
>添加介质层
>仿真贴片的阻抗：先port贴近贴片看一下天线的情况。
注：L越大，谐振频率越低。W越大，阻抗越小。
>给图形赋予材料。
>添加port
>添加空气，设定radiation边界
>设定求解频率
>目前2.4G阻抗142欧姆，需要84欧姆的1/4 lamda传输线。
>在Y方向添加馈线，我们绘制馈线，尺寸为1.35mm。1/4 lamda长度为19.2mm，为了简单方便，我们这里按照20mm来计算。
加上馈线后的仿真结果：馈线根据仿真结果继续调节长度和宽度。
之后再接入50欧姆传输线，这里仿真先不加了。
这里看到有两个坑，有的设计会利用这一点设计双谐振的天线。
绘制结果
贴片天线主要的指标有：回波，带宽，我们这里仿真S11即可。这里带宽也就2.35~2.45G的样子。
>首先在Radiation上右键->Insert Farfield Setup->Infinite Sphere
>在result上右键->Create Far Fields Report->Radiation Pattern
>设置dB gain
可以看到截面增益
下面绘制3D增益。
>直接在菜单栏里找到3D polar。
>空白位置右键plot field，然后3D图就可以与贴片模型叠加显示啦。
这样一个贴片天线基本就设计完了。当然大多时候我们还会根据仿真结果来优化贴片天线的尺寸参数。
总结
贴片天线是一种具有小型化、易于制造、成本低廉和适用广泛等优点的天线类型。它在无线通信设备中发挥着重要作用，并随着技术的不断进步而不断发展壮大。
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参考资料：
【1】Antenna Theory——Analysis And Design(3rd Edition)
【2】微带天线，[加] I.J.鲍尔 P.布哈蒂亚
