电子线路CAD在高频电路分析中的挑战

　　引言

　　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}}oversqrt{({ 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。