在射頻電路中，電感是一種非常重要的無源設(shè)備，可以在射頻電路中實現(xiàn)匹配、濾波、諧振和除耦。下圖顯示了阻抗匹配、諧振負(fù)載、串聯(lián)負(fù)反饋和濾波電路的四個典型應(yīng)用[圖1]:

在手機(jī)應(yīng)用中，目前蜂窩移動通信設(shè)備的工作頻率一般在6GHz以下。該頻段常用的電感類型包括基板繞線電感、鍵合電感和貼片電感設(shè)備。

1、基板繞線電感是通過基板Layout走線形成的。這種電感的缺點(diǎn)是基板面積大，不適合設(shè)計大型電感。一般基板繞線感應(yīng)范圍在5nH以下；

2、鍵合線電感是利用芯片封裝時的鍵合線形成電感。這種電感的質(zhì)量因數(shù)很高(可達(dá)50甚至更高)，但電感值相對較小，一般在1nH以下，電感量受鍵合線精度影響，難以精確控制。經(jīng)驗上，1毫米長鍵合線的感值簡單估計為0.6nH；

3、貼片電感器件是將電感器件(SurfaceMountedDevices,SMD)用引腳直接焊接到PCB上，這種電感器件使用方便，感值范圍大，在標(biāo)準(zhǔn)尺寸下有不同感值、Q值和DC電阻值的設(shè)備可供選擇，在射頻系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。下圖顯示了射頻前端模塊PAMiD和手機(jī)PCBA中使用的電感器件[圖2]，圖中所有帶有藍(lán)色電感器件的電感器件。

在射頻電路中，一旦使用了電感，就是顯著影響射頻性能的重要位置。然而，貼紙設(shè)備的性能參數(shù)與包裝和工藝密切相關(guān)，電感的Q值也大不相同(10~40)。因此，有必要對貼紙電感元件的特性有深入的了解，以確保其正常使用。

本文首先介紹了射頻貼片電感的分類和特點(diǎn)，然后結(jié)合電感的典型應(yīng)用，介紹了射頻貼片電感選擇中需要考慮的主要因素。

射頻貼片電感的分類及特點(diǎn)

根據(jù)工藝方法的不同，射頻貼片電感可分為多層型、薄膜型和繞線型三類[圖3]，其特點(diǎn)和構(gòu)成方法如下：

從應(yīng)用的角度來看，射頻電感的選擇主要考慮以下因素：

• 尺寸選擇
• 電感量
• 自諧振頻率
• Q值
• 額定電流
• DDC電阻

射頻貼片電感尺寸對照表

貼片電感有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸和包裝形式，以確保在使用中可以靈活選擇和使用。對于無源設(shè)備，常用的標(biāo)稱名稱與尺寸之間的對照關(guān)系如下表所示。

值得注意的是，日常使用中的“0201”和“01005”名稱都是以inch為單位的EIA名(ElectronicIndustriesAlliance電子工業(yè)協(xié)會)，而不是以公制為單位的IEC名稱(InternationalElectricalCommission，國際電工委員會)。

對電感器件而言，一般尺寸越小，成本越高，Q值越低。在電感性能和尺寸之間是一對折中。

射頻貼片電感電感量

電感量是電感器的主要參數(shù)，也是射頻工程師選擇的主要參數(shù)。工程師將通過模擬和在板上驗證來確認(rèn)最終的電感值。電感制造商通常會在E系列優(yōu)先數(shù)系列(Eseriesofpreferrednumbers)下提供離散值[4]，感應(yīng)值從小到大呈指數(shù)關(guān)系。在使用過程中，需要根據(jù)需要選擇相近的合理感應(yīng)電感。

在選擇過程中，除了關(guān)注感應(yīng)值之外，還需要關(guān)注電感的容差值。電感的容差值在數(shù)據(jù)手冊中有標(biāo)稱，常見規(guī)格如下:

1、L≤4.2nH，電感容差±0.1nH或±0.2nH；

2、L>4.2nH，電感容差±3%或±5%。

需要注意的是，不同廠家的電感實現(xiàn)不同的技術(shù)方法，導(dǎo)致即使電感相同，電感的容差也可能不同，不能直接更換，更換后需要實際測試和驗證。

射頻貼片電感自諧振頻率

在實際電感的使用中，寄生電容和本征電感會因寄生電容的存在而產(chǎn)生自諧振。自諧振頻率稱為自諧振頻率(Self-ResonantFrequency,SRF)。實際電感的等效電路如下圖所示，分別使用和表示寄生電容和電阻，計算電感自諧振頻率的公式如下：

由于自諧振特性的存在，當(dāng)工作頻率低于諧振頻率時，電感器件表現(xiàn)出電感，阻抗隨著頻率的增加而增加；當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時，電感器件表現(xiàn)出電容性，阻抗隨著頻率的增加而降低。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)選擇電感諧振頻率點(diǎn)遠(yuǎn)高于工作頻率的電感。

根據(jù)經(jīng)驗值，電感的工作頻率一般在SRF1/10以下。此時電感寄生電容的影響較小，電感值相對準(zhǔn)確。

射頻貼片電感Q值

Q值即電感的質(zhì)量因數(shù)QualityFactor，是電感儲存功率與損耗功率之比。電感Q值的計算公式如下：

其中，是電感器的感抗，是電感器的實際阻抗。在射頻電感的使用中，最常見的應(yīng)用是參與阻抗匹配，電感的Q值直接影響匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗。下圖為簡單的L型匹配網(wǎng)絡(luò)示意圖，圖中串聯(lián)電感和并聯(lián)電容一起完成阻抗自到變換。

在匹配網(wǎng)絡(luò)中，一般電容器的Q值較高(>200)，而電感器的Q值較低(約30)，因此在匹配網(wǎng)絡(luò)損耗的計算中，主要考慮電感器的影響。對于上圖匹配網(wǎng)絡(luò)，計算傳輸過程中的損失。

根據(jù)上面的公式，匹配的網(wǎng)絡(luò)損耗與網(wǎng)絡(luò)Q成正比，與設(shè)備Q成反比。也就是說，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)變換比確定(網(wǎng)絡(luò)Q值確定)時，設(shè)備Q值越低，網(wǎng)絡(luò)損耗越大。

根據(jù)上面的公式，如果50Ohm阻抗匹配到5Ohm，不同Q值電感設(shè)備帶來的網(wǎng)絡(luò)損失如下表所示。可以看出，隨著電感Q值的降低，匹配網(wǎng)絡(luò)的損失逐漸增加。

射頻貼片電感Q值電感對應(yīng)損耗的變化不同

電感Q值取決于組件的制造工藝和材料。電感的寄生電阻越大，Q值越小。下圖是村田0201和01005系列電感的Q值對比。

1、包裝越小，Q值越低；

2、電感Q值隨頻率增加而增加；

3、HighQ系列的Q值高于TN/TQ系列電感；

4、與TN/TQ電感相比，繞線電感的Q值具有一定的優(yōu)勢，但是隨著設(shè)備制造商HighQ技術(shù)的提高，繞線結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢已被薄膜電感所取代。

5、一般而言，HighQ電感的價格也比較高，因此電感的Q值和價格也是一對折中。

射頻貼片電感額定電流和DC電阻

設(shè)備制造商數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)注的額定電流一般是指在室溫下通電流，逐漸將電流提高到產(chǎn)品表面溫度上升20℃的電流，在使用超過電流值時可能導(dǎo)致零件損壞和零件故障。

在PA等有源射頻電路中，射頻電感可以用來隔離交流(Choke)，將射頻信號與DC偏置和DC電源隔離。此時，Choke電感會通過更大的電流，這就需要更高的電感通流能力。在普通PA設(shè)計中，電感的電感值較小(約為nH量級)，基板繞線電感是首選。如果布局布線有限，在選擇貼片電感時，要注意電感的額定電流是否符合設(shè)計要求。

DCR(DCResistance)DC電阻與電感器件的額定電流大小成反比，DCR越高，額定電流越小。DCR是指在沒有交流信號的情況下測得的電阻[10]，主要由內(nèi)部電極的電阻決定，電阻的計算公式，其中電阻材料的電阻率為電阻長度，S為電阻截面積。對比了村田不同系列4.7nH電感的額定電流和DCR值：

• DCR越大，額定電流越小；
• HighQ電感的額定電流大于TN/TQ電感；
• 大型電感具有更大的額定電流和更小的DCR。
• 在實際選型中，額定電流應(yīng)該是電路中最大輸出電流的1.3倍以上，需要保留一定的余量來減少。
• 在電感極性上貼射頻表。
• 在使用貼片電感時，必須考慮極性(Polarity)。
• 與貼片電容不同，大多數(shù)貼片電感都有可識別的方向標(biāo)記。下圖為村田電感數(shù)據(jù)手冊中貼片電感方向的標(biāo)記。

在使用中，必須嚴(yán)格按照電感的方向進(jìn)行安裝。不同的電感方向會導(dǎo)致不同的感值。下圖顯示了村田將電感放置在八個不同的方向，以測試電感值的變化。可以看出，不同方向放置時，感值有5%的變化[9]。

造成感值變化的主要原因有兩個。改變線圈磁場方向。一般來說，電感是通過繞線線圈來實現(xiàn)的，電感是通過線圈產(chǎn)生的磁場來儲存能量的。不同的線圈放置方向?qū)е戮€圈產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，從而改變感值。下圖顯示了磁場變化的示意圖，當(dāng)電感放置在不同的方向。

此外，需要注意的是，電感產(chǎn)生的磁場變化不僅會影響自身電感的變化，還會影響周圍設(shè)備的電感變化。因此，在使用過程中，應(yīng)注意電感設(shè)備與其他設(shè)備的距離，并嚴(yán)格定義電感的放置方向。

射頻貼片電感電感器的不對稱特性

由于貼片電感是通過繞線實現(xiàn)的，所以不可能在物理上完全對稱。這種不對稱特性導(dǎo)致電感器件在某些寄生參數(shù)上不易互換。如下圖所示，電感在A點(diǎn)和B點(diǎn)有不同的寄生電容，導(dǎo)致電感器件無法左右交換，極性必須在使用中規(guī)定。

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