高頻貼片電感在高頻電路中的應(yīng)用分析

貼片電感的應(yīng)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(jìn)一步探索和完善，以適應(yīng)高頻條件下的貼片電感研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用分析的需要；RF電路日趨模塊化和集成化，貼片電感的應(yīng)用功能也隨之更為明確和集中。貼片電感的研發(fā)與設(shè)計(jì)需要針對(duì)高頻應(yīng)用的不同要求與特點(diǎn)，突顯器件性能個(gè)性化。探索貼片電感的高頻應(yīng)用和發(fā)展之路，這是我們所需關(guān)注和思考的新問題。
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,貼片電感作為新型基礎(chǔ)無源器件,以其良好的性能價(jià)格比和便于高密度貼裝等顯著優(yōu)點(diǎn),迅速得到了廣泛應(yīng)用,尤其在以移動(dòng)手機(jī)為代表的通信終端設(shè)備中,貼片電感獲得了典型的高頻應(yīng)用。由于RF電路的工作頻率不斷提升,片式電感在應(yīng)用方面的性能特點(diǎn)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，為有效提升貼片電感的電性參數(shù)，改善RF電路性能，必須進(jìn)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…)使得貼片電感的工作頻率逐步達(dá)到了2GHz甚至更高。因此，以傳統(tǒng)的集中參數(shù)電路理論對(duì)貼片電感器件進(jìn)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貼片電感研發(fā)、生產(chǎn)、分析和應(yīng)用的重要課題。

阻抗分析
電感的物理意義是利用導(dǎo)電線圈儲(chǔ)存交變磁場(chǎng)能量,而在實(shí)際電路應(yīng)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(yīng)的電路功能(匹配、濾波、振蕩等)。常見的貼片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(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于器件尺寸,器件的電路響應(yīng)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(duì)貼片電感的阻抗特性予以近似分析。據(jù)此可推導(dǎo)出常用電性能參數(shù)的函數(shù)式。
導(dǎo)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(dǎo)出阻抗
Z()=sqrt{R^{2}()^{2}()}
={L_{O}}oversqrt{({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{2sqrt{L_{O}C_{O}}}
=2F
由這些函數(shù)表達(dá)式不難歸納出:
(1)在工作頻率低于自諧頻率SRF時(shí)，貼片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(shí)，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(duì)Q值的提高則更為顯著；
(4)當(dāng)工作頻率高于自諧頻率SRF時(shí),貼片電感呈現(xiàn)出容性阻抗特性。
通常應(yīng)用中，利用阻抗分析儀檢測(cè)貼片電感端電極間的Z()、L()、Q()等參數(shù)，即可準(zhǔn)確反映出工作頻率下實(shí)際電路的響應(yīng)特性，據(jù)此可進(jìn)行準(zhǔn)確的電路設(shè)計(jì)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(dāng)工作頻率較高(2GHz左右)時(shí)，信號(hào)波長(zhǎng)逐漸可以與器件尺寸相比擬。貼片電感的阻抗呈現(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(yīng)可隨其尺寸和空間結(jié)構(gòu)的不同而發(fā)生相應(yīng)變化，常規(guī)的阻抗測(cè)量參數(shù)已不能準(zhǔn)確反映實(shí)際電路中的響應(yīng)特性。以某型號(hào)移動(dòng)手機(jī)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值明顯較高的疊層貼片電感(測(cè)量?jī)x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(zhǔn)確解釋高頻應(yīng)用問題，僅僅關(guān)注L()和Q()對(duì)貼片電感的高頻分析是不適宜的，至少是不夠的。
高頻電路(包括高速數(shù)字電路)設(shè)計(jì)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(luò)散射分析(S參數(shù))、信號(hào)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(shí)際電路系統(tǒng)的工作性能。針對(duì)貼片電感器件的“分布影響”問題，一個(gè)可行的解決方案是對(duì)電感器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)性電磁仿真并精確提取相應(yīng)的SPICE電路模型參數(shù)，作為電路設(shè)計(jì)的依據(jù)，以此有效減小電感器件在高頻設(shè)計(jì)應(yīng)用中的誤差影響。國外(日本)主要元器件企業(yè)的貼片電感產(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(yīng)用分析。
電磁場(chǎng)理論在工程中常用來分析具有分布特性的高頻應(yīng)用問題。通常在利用阻抗分析儀(HP-4291B)對(duì)貼片電感進(jìn)行的測(cè)量中，可通過夾具補(bǔ)償和儀器校準(zhǔn)等手段將測(cè)量精度提高到0.1nH左右，理論上足以保證電路設(shè)計(jì)所需的精度要求。但不容忽視的問題是，此時(shí)的測(cè)量結(jié)果僅僅反映了匹配狀態(tài)下(測(cè)量夾具設(shè)計(jì)為精確匹配)電感器件端電極界面之間的參數(shù)性能，對(duì)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(cè)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，貼片電感的實(shí)際電路應(yīng)用環(huán)境(近似匹配、密集貼裝、PCB分布影響)與測(cè)試環(huán)境往往有差異，極易產(chǎn)生各種復(fù)雜的近場(chǎng)反射而發(fā)生實(shí)際響應(yīng)參數(shù)(L、Q)的微量變化。對(duì)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”。

電路應(yīng)用

在高頻電路中比較常用的貼片電感有光刻薄膜電感、片式繞線電感和疊層貼片電感三種。由于內(nèi)電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有明顯不同，即使參數(shù)規(guī)格相同情況下，其電路響應(yīng)卻不盡相同。實(shí)際電路應(yīng)用中對(duì)電感器件的選擇有一定規(guī)律和特點(diǎn)，在此可略作歸納如下：

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(dǎo)，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(hào)的耦合，或同時(shí)兼有阻抗匹配的作用。此時(shí)插入衰減要盡量小，L、Q是此時(shí)的重點(diǎn)參數(shù)。綜合比較，疊層貼片電感最適合這種應(yīng)用。
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(hào)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(duì)其中的貼片電感，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(shí)，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(chǎng)分布集中，能確保裝貼后的器件參數(shù)變化不大。
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(hào)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(hào)的純凈、穩(wěn)定。由于石英晶體具有相對(duì)較寬的阻抗動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，此時(shí)對(duì)貼片電感的L精度要求并不是首要指標(biāo)，因此疊層貼片電感和繞線貼片電感多被用于VCO電路。

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(fù)載。對(duì)其增益和信噪比等主要性能參數(shù)來說，貼片電感的品質(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(bǔ)償和修正，因而多采用繞線貼片電感和疊層貼片電感，對(duì)工作頻率下的Q值要求較高。而薄膜貼片電感無論是價(jià)格還是性能在此都不適合。