探索片式電感的高頻應用

引言


隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,片式電感作為新型基礎無源器件,以其良好的性能價格比和便于高密度貼裝等顯著優(yōu)點,迅速得到了廣泛應用,尤其在以移動手機為代表的通信終端設備中,片式電感獲得了典型的高頻應用。由于RF電路的工作頻率不斷提升,片式電感在應用方面的性能特點發(fā)生了明顯變化,已經(jīng)開始顯現(xiàn)出低端微波頻段的工作特性。因此，為有效提升片式電感的電性參數(shù)，改善RF電路性能，必須進一步分析其低頻特性與高頻特性的不同規(guī)律。

另一方面，不斷推陳出新的通信系統(tǒng)(GSM、CDMA、PCS、3G…)使得片式電感的工作頻率逐步達到了2GHz甚至更高。因此，以傳統(tǒng)的集中參數(shù)電路理論對片式電感器件進行阻抗分析，則顯現(xiàn)出越來越明顯的局限性。探索適合高頻條件下的工程分析手段也已成為片式電感研發(fā)、生產(chǎn)、分析和應用的重要課題。


阻抗分析


電感的物理意義是利用導電線圈儲存交變磁場能量,而在實際電路應用中,電感器件的主要作用則是向電路提供所需的感性阻抗,在與其他相關(guān)元件配合下完成相應的電路功能(匹配、濾波、振蕩等)。常見的片式電感器件包括疊層片式、繞線片式、光刻薄膜等形式，其生產(chǎn)工藝和內(nèi)電極結(jié)構(gòu)均有所不同。但在中低頻率條件下,由于信號波長遠大于器件尺寸,器件的電路響應受內(nèi)電極結(jié)構(gòu)的影響較小,通常都可以采用集中參數(shù)等效模型(見圖一)對片式電感的阻抗特性予以近似分析。據(jù)此可推導出常用電性能參數(shù)的函數(shù)式。

導納函數(shù)

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}})

則阻抗函數(shù)

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}}

品質(zhì)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(shù)表達式不難歸納出:

(1)在工作頻率低于自諧頻率SRF時，片式電感的阻抗特性非常接近理想電感而呈現(xiàn)較好的線性特性，品質(zhì)因素Q也較高，因此通常以此確定電感的額定工作頻段；

(2)在電感量L0為額定值時，提高自諧頻率SRF的唯一方法是減小寄生電容C0；

(3)在低頻工作區(qū),降低內(nèi)電極電阻r將有效提升品質(zhì)因素Q值，而在高頻工作區(qū)，減小電磁漏損(增大R0)對Q值的提高則更為顯著；

(4)當工作頻率 高于自諧頻率SRF時,片式電感呈現(xiàn)出容性阻抗特性。

通常應用中，利用阻抗分析儀檢測片式電感端電極間的Z( )、L( )、Q( )等參數(shù)，即可準確反映出工作頻率下實際電路的響應特性，據(jù)此可進行準確的電路設計與器件選擇。作為比較，圖2中列出相同規(guī)格的高頻電感(SGHI1608H100N)與鐵氧體電感(SGMI1608M100N)的L(f)、Q(f)參數(shù)曲線，顯然高頻電感有更高的自諧頻率和線性工作頻段，而鐵氧體電感則有較高的Q值。


高頻分析


當工作頻率較高(2GHz左右)時，信號波長逐漸可以與器件尺寸相比擬。片式電感的阻抗呈現(xiàn)出明顯的分布特性，即不同的參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，器件的電路響應可隨其尺寸和空間結(jié)構(gòu)的不同而發(fā)生相應變化，常規(guī)的阻抗測量參數(shù)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功放電路為例，其中兩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(guī)格及精度，但Q值明顯較高的疊層片式電感(測量儀器HP-4291B)予以取代，其結(jié)果卻是電路傳輸增益下降近10％。說明電路匹配狀態(tài)下降，用低頻分析方法顯然無法準確解釋高頻應用問題，僅僅關(guān)注L( )和Q( )對片式電感的高頻分析是不適宜的，至少是不夠的。

電磁場理論在工程中常用來分析具有分布特性的高頻應用問題。通常在利用阻抗分析儀(HP-4291B)對片式電感進行的測量中，可通過夾具補償和儀器校準等手段將測量精度提高到 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(jié)果僅僅反映了匹配狀態(tài)下(測量夾具設計為精確匹配)電感器件端電極界面之間的參數(shù)性能，對電感器件的內(nèi)部電磁分布情況和外部電磁環(huán)境要求卻未能反映出來。相同測試參數(shù)的電感可能因內(nèi)電極結(jié)構(gòu)不同而存在完全不同的電磁分布狀態(tài)，在高頻條件下，片式電感的實際電路應用環(huán)境(近似匹配、密集貼裝、PCB分布影響)與測試環(huán)境往往有差異，極易產(chǎn)生各種復雜的近場反射而發(fā)生實際響應參數(shù)(L、Q)的微量變化。對RF電路中的低感值電感，這種影響是不容忽視的，我們把這種影響稱之為“分布影響”。

高頻電路(包括高速數(shù)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，通常是以網(wǎng)絡散射分析(S參數(shù))、信號完整性分析、電磁仿真分析、電路仿真分析等手段，來綜合考量實際電路系統(tǒng)的工作性能。針對片式電感器件的“分布影響”問題，一個可行的解決方案是對電感器件進行結(jié)構(gòu)性電磁仿真并精確提取相應的SPICE電路模型參數(shù)，作為電路設計的依據(jù)，以此有效減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(yè)的片式電感產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)大多包含有S參數(shù)，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、片式繞線電感和疊層片式電感三種。由于內(nèi)電極的結(jié)構(gòu)特點有明顯不同，即使參數(shù)規(guī)格相同情況下，其電路響應卻不盡相同。實際電路應用中對電感器件的選擇有一定規(guī)律和特點，在此可略作歸納如下：

阻抗匹配：射頻電路(RF)通常由高放(LNA)、本振(LO)、混頻(MIX)、功放(PA)、濾波(BPF/LPF)等基本電路單元構(gòu)成。在特性阻抗各不相同的單元電路之間，高頻信號需要低損耗耦合傳輸，阻抗匹配成為必不可少。典型方案是利用電感與電容組合為“倒L”或“T”型匹配電路，對其中的片式電感，匹配性能的好壞很大程度是取決于電感量L的精確度，其次才是品質(zhì)因素Q的高低。在工作頻率較高時，往往使用光刻薄膜電感來確保高精度的L。其內(nèi)電極集中于同一層面，磁場分布集中，能確保裝貼后的器件參數(shù)變化不大。

諧振放大：典型的高頻放大電路通常采用諧振回路作為輸出負載。對其增益和信噪比等主要性能參數(shù)來說，片式電感的品質(zhì)因素Q成為關(guān)鍵。L的少許誤差影響可由多種電路形式予以補償和修正，因而多采用繞線片式電感和疊層片式電感，對工作頻率下的Q值要求較高。而薄膜片式電感無論是價格還是性能在此都不適合。

本地振蕩：本振電路(LO)必須由含振蕩回路的放大電路構(gòu)成，通常是以VCO－PLL的形式向RF電路提供精確的參考頻率，因此本振信號的質(zhì)量直接影響著電路系統(tǒng)的關(guān)鍵性能。振蕩回路中的電感必須具有極高的Q值和穩(wěn)定度，以確保本振信號的純凈、穩(wěn)定。由于石英晶體具有相對較寬的阻抗動態(tài)補償，此時對片式電感的L精度要求并不是首要指標，因此疊層片式電感和繞線片式電感多被用于VCO電路。

高頻濾波：低通濾波(LPF)常見于高頻電路的供電去耦回路，有效抑制高次諧波在供電回路的傳導，額定電流和可靠性是首要關(guān)注參數(shù)；而帶通濾波(BPF)則多用于高頻信號的耦合，或同時兼有阻抗匹配的作用。此時插入衰減要盡量小，L、Q是此時的重點參數(shù)。綜合比較，疊層片式電感最適合這種應用。


結(jié)語


片式電感的應用日趨高頻化，并且已接近低端微波頻段。以電磁分析手段取代傳統(tǒng)的低頻阻抗分析方法值得我們進一步探索和完善，以適應高頻條件下的片式電感研發(fā)、生產(chǎn)與應用分析的需要；RF電路日趨模塊化和集成化，片式電感的應用功能也隨之更為明確和集中。片式電感的研發(fā)與設計需要針對高頻應用的不同要求與特點，突顯器件性能個性化。探索片式電感的高頻應用和發(fā)展之路，這是我們所需關(guān)注和思考的新問題。