基于電子線路CAD設(shè)計高頻電路的局限性
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(chǔ)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(yīng)用,尤其在以移動手機(jī)為代表的通信終端設(shè)備中,片式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)電線圈儲存交變磁場能量,而在實際電路應(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,由于信號波長遠(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}}\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(dá)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(dāng)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(yīng)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(zhǔn)確反映出工作頻率下實際電路的響應(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，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(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)的阻抗測量參數(shù)已不能準(zhǔn)確反映實際電路中的響應(yīng)特性。以某型號移動手機(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(zhǔn)確解釋高頻應(yīng)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。
