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基于电子线路CAD设计高频电路的局限性

PCB资源网?? 2010年11月23日 ?? 收藏0

  引言

  随着电子信息产业的迅猛发展,片式电感作为新型基础无源器件,以其良好的性能价格比和便于高密度贴装等显著优点,迅速得到了广泛应用,尤其在以移动手机为代表的通信终端设备中,片式电感获得了典型的高频应用。由于RF电路的工作频率不断提升,片式电感在应用方面的性能特点发生了明显变化,已经开始显现出低端微波频段的工作特性。因此,为有效提升片式电感的电性参数,改善RF电路性能,必须进一步分析其低频特性与高频特性的不同规律。

  另一方面,不断推陈出新的通信系统(GSM、CDMA、PCS、3G…)使得片式电感的工作频率逐步达到了2GHz甚至更高。因此,以传统的集中参数电路理论对片式电感器件进行阻抗分析,则显现出越来越明显的局限性。探索适合高频条件下的工程分析手段也已成为片式电感研发、生产、分析和应用的重要课题。

  阻抗分析

  电感的物理意义是利用导电线圈储存交变磁场能量,而在实际电路应用中,电感器件的主要作用则是向电路提供所需的感性阻抗,在与其他相关元件配合下完成相应的电路功能(匹配、滤波、振荡等)。常见的片式电感器件包括叠层片式、绕线片式、光刻薄膜等形式,其生产工艺和内电极结构均有所不同。但在中低频率条件下,由于信号波长远大于器件尺寸,器件的电路响应受内电极结构的影响较小,通常都可以采用集中参数等效模型(见图一)对片式电感的阻抗特性予以近似分析。据此可推导出常用电性能参数的函数式。

  导纳函数

  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}})

  则阻抗函数

  Z(j )={1}\over{Y(j )}=R( )+j ( )

  可近似导出阻抗

  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}}

  电感量

  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}}

  品质因素

  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

  由这些函数表达式不难归纳出:

  (1)在工作频率低于自谐频率SRF时,片式电感的阻抗特性非常接近理想电感而呈现较好的线性特性,品质因素Q也较高,因此通常以此确定电感的额定工作频段;

  (2)在电感量L0为额定值时,提高自谐频率SRF的唯一方法是减小寄生电容C0;

  (3)在低频工作区,降低内电极电阻r将有效提升品质因素Q值,而在高频工作区,减小电磁漏损(增大R0)对Q值的提高则更为显著;

  (4)当工作频率 高于自谐频率SRF时,片式电感呈现出容性阻抗特性。

  通常应用中,利用阻抗分析仪检测片式电感端电极间的Z( )、L( )、Q()等参数,即可准确反映出工作频率下实际电路的响应特性,据此可进行准确的电路设计与器件选择。作为比较,图2中列出相同规格的高频电感(SGHI1608H100N)与铁氧体电感(SGMI1608M100N)的L(f)、Q(f)参数曲线,显然高频电感有更高的自谐频率和线性工作频段,而铁氧体电感则有较高的Q值。

  高频分析

  当工作频率较高(2GHz左右)时,信号波长逐渐可以与器件尺寸相比拟。片式电感的阻抗呈现出明显的分布特性,即不同的参考位置存在不同阻抗。图1所示的分析模型已不适合用以描述高频工作的电感器件。在高频条件下,器件的电路响应可随其尺寸和空间结构的不同而发生相应变化,常规的阻抗测量参数已不能准确反映实际电路中的响应特性。以某型号移动手机RF功放电路为例,其中两款用于阻抗匹配的高频电感(工作频率1.9GHz)均采用光刻薄膜式电感,若以相同规格及精度,但Q值明显较高的叠层片式电感(测量仪器 HP-4291B)予以取代,其结果却是电路传输增益下降近10%。说明电路匹配状态下降,用低频分析方法显然无法准确解释高频应用问题,仅仅关注L()和Q( )对片式电感的高频分析是不适宜的,至少是不够的。


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CAD? 高频电路?

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