電子線路CAD在高頻電路分析中的挑戰(zhàn)

引言

　　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，為有效提升片式電感的電性參數(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…)使得片式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)片式電感器件進(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片式電感研發(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(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)片式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{2 sqrt{L_{O}C_{O}}}

　　=2 F

　　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)，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(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),片式電感呈現(xiàn)出容性阻抗特性。

　　通常應(yīng)用中，利用阻抗分析儀檢測(cè)片式電感端電極間的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。