judy_quan的博客

引言
    随着電子信息產業的迅猛發展,片式電感作为新型基礎无源器件,以其良好的性能價格比和便于高密度贴装等顯著优点,迅速得到了广泛應用,尤其在以移動手機为代表的通信终端設備中,片式電感获得了典型的高頻應用。由于RF電路的工作頻率不断提升,片式電感在應用方面的性能特点發生了明顯变化,已经开始顯现出低端微波頻段的工作特性。因此，为有效提升片式電感的電性參數，改善RF電路性能，必須进一步分析其低頻特性与高頻特性的不同规律。

    另一方面，不断推陳出新的通信系统(GSM、CDMA、PCS、3G…)使得片式電感的工作頻率逐步达到了2GHz甚至更高。因此，以傳统的集中參數電路理論对片式電感器件进行阻抗分析，则顯现出越来越明顯的局限性。探索適合高頻條件下的工程分析手段也已成为片式電感研發、生產、分析和應用的重要課題。

阻抗分析

    電感的物理意义是利用導電線圈储存交变磁場能量,而在實際電路應用中,電感器件的主要作用则是向電路提供所需的感性阻抗,在与其他相關元件配合下完成相應的電路功能(匹配、滤波、振荡等)。常見的片式電感器件包括叠层片式、绕線片式、光刻薄膜等形式，其生產工藝和内電極結構均有所不同。但在中低頻率條件下,由于信號波長远大于器件尺寸,器件的電路響應受内電極結構的影響較小,通常都可以采用集中參數等效模型(見圖一)对片式電感的阻抗特性予以近似分析。據此可推導出常用電性能參數的函數式。

導納函數

Y(j )=({1}\over{R_{O}}+{r}\over{r^{2}+ ^{2}L^{2}_{O}})+j( C_{O}-{ L_{O}}\over{r^{2}+ ^{2}L^{2}_{o}})

则阻抗函數

Z(j )={1}\over{Y(j )}=R( )+j ( )

可近似導出阻抗

Z( )=\sqrt{R^{2}( )+ ^{2}( )}={ L_{O}}\over\sqrt{({ L_{O}}\over{R_{O}}+{r}\over{ L_{O}})^{2}+(1-{ ^{2}}\over{SRF^{2}})^{2}}

電感量

L( )={ ( )}\over{ }={L_{O}(1-{ ^{2}}\over{SRF^{2}})}\over{({{ L_{O}}\over{R_{O}}+{r}\over{ L_{O}})^{2}+(1-{ ^{2}}\over{SRF^{2}})^{2}}

品质因素

Q( )={ ( )}\over{R( )}={(1-{ ^{2}}\over{SRF^{2}})}\over{({ L_{O}}\over{R_{O}}+{r}\over{ L_{o}})}

其中

SRF={1}\over{2 \sqrt{L_{O}C_{O}}}=2 F
由這些函數表达式不难归納出:

(1)在工作頻率低于自谐頻率SRF時，片式電感的阻抗特性非常接近理想電感而呈现較好的線性特性，品质因素Q也較高，因此通常以此确定電感的额定工作頻段；

(2)在電感量L0为额定值時，提高自谐頻率SRF的唯一方法是减小寄生電容C0；

(3)在低頻工作区,降低内電極電阻r将有效提升品质因素Q值，而在高頻工作区，减小電磁漏损(增大R0)对Q值的提高则更为顯著；

(4)當工作頻率 高于自谐頻率SRF時,片式電感呈现出容性阻抗特性。

通常應用中，利用阻抗分析仪检测片式電感端電極间的Z( )、L( )、Q( )等參數，即可準確反映出工作頻率下實際電路的響應特性，據此可进行準確的電路設計与器件選擇。作为比較，圖2中列出相同規格的高頻電感(SGHI1608H100N)与鐵氧体電感(SGMI1608M100N)的L(f)、Q(f)參數曲線，顯然高頻電感有更高的自谐頻率和線性工作頻段，而鐵氧体電感则有較高的Q值。


高頻分析

    當工作頻率較高(2GHz左右)時，信號波長逐渐可以与器件尺寸相比拟。片式電感的阻抗呈现出明顯的分布特性，即不同的参考位置存在不同阻抗。圖1所示的分析模型已不適合用以描述高頻工作的電感器件。在高頻條件下，器件的電路響應可随其尺寸和空间結構的不同而發生相應变化，常规的阻抗測量參數已不能準確反映實際電路中的響應特性。以某型號移動手機RF功放電路为例，其中两款用于阻抗匹配的高頻電感(工作頻率1.9GHz)均采用光刻薄膜式電感，若以相同規格及精度，但Q值明顯較高的叠层片式電感(測量仪器HP-4291B)予以取代，其結果却是電路傳輸增益下降近10％。说明電路匹配狀態下降，用低頻分析方法顯然无法準確解釋高頻應用問題，僅僅關注L( )和Q( )对片式電感的高頻分析是不適宜的，至少是不够的。

   電磁場理論在工程中常用来分析具有分布特性的高頻應用問題。通常在利用阻抗分析仪(HP-4291B)对片式電感进行的測量中，可通过夹具补偿和仪器校準等手段将測量精度提高到 0.1nH左右，理論上足以保證電路設計所需的精度要求。但不容忽視的問題是，此時的測量結果僅僅反映了匹配狀態下(測量夹具設計为精確匹配)電感器件端電極界面之间的參數性能，对電感器件的内部電磁分布情况和外部電磁环境要求却未能反映出来。相同測試參數的電感可能因内電極結構不同而存在完全不同的電磁分布狀態，在高頻條件下，片式電感的實際電路應用环境(近似匹配、密集贴装、PCB分布影響)与測試环境往往有差異，極易產生各種複雜的近場反射而發生實際響應參數(L、Q)的微量变化。对RF電路中的低感值電感，這種影響是不容忽視的，我们把這種影響称之为“分布影響”。

    高頻電路(包括高速數字電路)設計中，基于電路性能、器件選擇和電磁兼容等因素的考慮，通常是以网络散射分析(S參數)、信號完整性分析、電磁仿真分析、電路仿真分析等手段，来綜合考量實際電路系统的工作性能。针对片式電感器件的“分布影響”問題，一個可行的解决方案是对電感器件进行結構性電磁仿真并精確提取相應的SPICE電路模型參數，作为電路設計的依據，以此有效减小電感器件在高頻設計應用中的誤差影響。國外(日本)主要元器件企業的片式電感產品技术參數大多包含有S參數，通常可用于精確的高頻應用分析。

電路應用

    在高頻電路中比較常用的片式電感有光刻薄膜電感、片式绕線電感和叠层片式電感三種。由于内電極的結構特点有明顯不同，即使參數規格相同情况下，其電路響應却不尽相同。實際電路應用中对電感器件的選擇有一定规律和特点，在此可略作归納如下：

阻抗匹配：射頻電路(RF)通常由高放(LNA)、本振(LO)、混頻(MIX)、功放(PA)、滤波(BPF/LPF)等基本電路单元构成。在特性阻抗各不相同的单元電路之间，高頻信號需要低损耗耦合傳輸，阻抗匹配成为必不可少。典型方案是利用電感与電容组合为“倒L”或“T”型匹配電路，对其中的片式電感，匹配性能的好坏很大程度是取决于電感量L的精確度，其次才是品质因素Q的高低。在工作頻率較高時，往往使用光刻薄膜電感来确保高精度的L。其内電極集中于同一层面，磁場分布集中，能确保装贴后的器件參數变化不大。

谐振放大：典型的高頻放大電路通常采用谐振回路作为輸出负载。对其增益和信噪比等主要性能參數来说，片式電感的品质因素Q成为關键。L的少许誤差影響可由多種電路形式予以补偿和修正，因而多采用绕線片式電感和叠层片式電感，对工作頻率下的Q值要求較高。而薄膜片式電感无論是價格还是性能在此都不適合。

本地振荡：本振電路(LO)必須由含振荡回路的放大電路构成，通常是以VCO－PLL的形式向RF電路提供精確的参考頻率，因此本振信號的质量直接影響着電路系统的關键性能。振荡回路中的電感必須具有極高的Q值和稳定度，以确保本振信號的纯净、稳定。由于石英晶体具有相对較宽的阻抗動态补偿，此時对片式電感的L精度要求并不是首要指標，因此叠层片式電感和绕線片式電感多被用于VCO電路。

高頻滤波：低通滤波(LPF)常見于高頻電路的供電去耦回路，有效抑制高次谐波在供電回路的傳導，额定電流和可靠性是首要關注參數；而带通滤波(BPF)则多用于高頻信號的耦合，或同時兼有阻抗匹配的作用。此時插入衰减要尽量小，L、Q是此時的重点參數。綜合比較，叠层片式電感最適合這種應用。

結语

片式電感的應用日趋高頻化，并且已接近低端微波頻段。以電磁分析手段取代傳统的低頻阻抗分析方法值得我们进一步探索和完善，以適應高頻條件下的片式電感研發、生產与應用分析的需要；RF電路日趋模块化和集成化，片式電感的應用功能也随之更为明确和集中。片式電感的研發与設計需要针对高頻應用的不同要求与特点，突顯器件性能個性化。探索片式電感的高頻應用和發展之路，這是我们所需關注和思考的新問題。

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