射頻電路中印刷電感替代空心電感

胡志山（ 常州科然電子有限公司，江蘇 東臺(tái) 224249）

射頻電路中印刷電感替代空心電感

胡志山
（ 常州科然電子有限公司，江蘇 東臺(tái) 224249）

射頻電路信號(hào)頻率較高，正常在5～2000MHz范圍內(nèi)，較多使用低值電感，電感量通常在1 nH ～ 100 nH之間。過去我們多采用空心電感制作濾波器、分頻器等產(chǎn)品。如圖1所示，該產(chǎn)品為一款簡易型的衛(wèi)星電視信號(hào)和有線電視信號(hào)分頻器，過去一直用空心電感作為濾波元件，但是空心電感需要經(jīng)過繞制、引腳浸錫、插焊裝等人工工序，人工成本高關(guān)系到產(chǎn)品的價(jià)格競爭力。筆者經(jīng)過多年的探索，逐步開始應(yīng)用印刷電感替代低值空心電感。

圖1 信號(hào)分頻器

圖2 印刷螺旋電感

圖2中的印制板就是圖1產(chǎn)品的改進(jìn)型，在保證原產(chǎn)品性能參數(shù)的前提下，采用印刷螺旋電感替代空心電感后生產(chǎn)工序得到了根本的簡化，成倍的提高了生產(chǎn)效率，更具備了充足的市場競爭力。有很多諸如此類的射頻產(chǎn)品，同樣面臨著采用空心電感的改良。

印刷電感替代空心電感有絕對(duì)的優(yōu)勢，然而面臨的一個(gè)難題是如何設(shè)計(jì)印刷電感,？這方面未見有現(xiàn)成的教材資料可以借鑒，為此筆者將自己過去幾年來探索的方法和經(jīng)驗(yàn)提供給同道們參考。

印刷電感根據(jù)形狀主要有正方形、六邊形、八邊形、螺旋形四種（圖3），而這其中尤以螺旋形性能最佳，下文就以螺旋形為例介紹制作方法。通常印刷螺旋電感的電感量近似計(jì)算公式如下：

L=μn2dac1[ln(c2/ρ)+c3ρ+c4ρ2]/2

式中：μ為磁導(dǎo)率；n為圈數(shù)；da為內(nèi)外直徑的算術(shù)平均值；ρ=dout-din/(dout+din)表示電感的“空心”程度；c1～c4為形狀系數(shù)，通常取值為c1=1，c2=2.46，c3=0，c4=0.2，由該公式得出的電感量通常約有0.03誤差系數(shù)。

圖3 印刷電感形狀

制作印刷電感的設(shè)計(jì)通常方法，一種是根據(jù)傳統(tǒng)的近似公式計(jì)算后，設(shè)計(jì)線路板時(shí)對(duì)號(hào)入座，但是這種方法很慢而且容易出錯(cuò)。目前最可靠的方法是采用軟件仿真設(shè)計(jì)，這樣既準(zhǔn)確又快捷，在精確度要求不是很高的產(chǎn)品中可以采用國產(chǎn)小軟件，精確度要求很高時(shí)建議采用ADS2008仿真設(shè)計(jì)。

第一種方法是采用國產(chǎn)小軟件”電容電感設(shè)計(jì)師”來實(shí)現(xiàn)（如找不到該軟件，可聯(lián)系筆者），打開軟件后主頁面如圖4所示，點(diǎn)擊電感計(jì)算目錄下的射頻電路電感。

圖4 電容電感設(shè)計(jì)師主頁面

出現(xiàn)圖5頁面，選擇下邊的圓形，然后左上角出現(xiàn)螺旋形圖樣，對(duì)照?qǐng)D樣中的參數(shù)標(biāo)識(shí)，在下邊對(duì)應(yīng)的參數(shù)框內(nèi)填上你需要的參數(shù)數(shù)值，包括圈數(shù)、內(nèi)徑、外徑，數(shù)值輸入完畢后右下角就會(huì)自動(dòng)顯示出對(duì)應(yīng)的電感量。如果此電感量不符合你所需要，可以對(duì)剛剛輸入的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，直到出現(xiàn)你需要的電感量為止。但是需要提醒的是內(nèi)徑和外徑不是隨便設(shè)置的，要以實(shí)際線路板尺寸以及PCB工廠能加工的最窄線寬為依據(jù)。當(dāng)然軟件計(jì)算下來也許會(huì)有一點(diǎn)誤差，這就需要設(shè)計(jì)人員親自試驗(yàn)幾次，就會(huì)掌握這個(gè)誤差并可以在設(shè)計(jì)時(shí)給予恰當(dāng)?shù)男拚?/p>

圖5 軟件計(jì)算印刷電感

得到所需的印刷電感參數(shù)后，接下來就采用PROTEL99或者其它PCB制作軟件，根據(jù)參數(shù)設(shè)置線寬、圓弧半徑、線條間隔、圈數(shù)，制作螺旋電感，電感的圓心一端可以通過雙面板金屬化孔的方式連接到其它電路，倘若是單面板就需要用過橋線連接。外圈一端則可以直接和PCB線條相連接。需要說明的是，這種方法不牽涉板材和厚度。

第二種方法就是采用Agilent公司的ADS2008實(shí)現(xiàn)，只是ADS中的參數(shù)形式有所不同（如表1），去掉了外徑，增加了安全間距（S）這項(xiàng)參數(shù)，在其它條件不變的情況下，安全間距越大外徑就會(huì)隨之增大，也就是說和電容電感設(shè)計(jì)大師的根本原理相同。在使用ADS2008輔助設(shè)計(jì)印刷電感之前最好先了解下相關(guān)參數(shù)，按順序先后點(diǎn)擊Help、Topics and Index、DesignGuides、Passive Circuit、MSInd，這樣就打開了印刷螺旋電感的相關(guān)說明，仔細(xì)閱讀并對(duì)每項(xiàng)參數(shù)都熟悉后再開始后面的設(shè)計(jì)工作。打開ADS2008，創(chuàng)建項(xiàng)目頁面。

表1 ADS2008中的參數(shù)形式

打開ADS2008，創(chuàng)建項(xiàng)目頁面。再點(diǎn)擊菜單欄“DesignGuid”后出現(xiàn)新頁面。點(diǎn)擊Passive Circuit，出現(xiàn)新的窗口后點(diǎn)擊Microstrip Control Windows后又出現(xiàn)新頁面。點(diǎn)擊工具欄圈內(nèi)按鈕，出現(xiàn)圖6頁面。

圖6 ADS2008軟件印刷電感設(shè)計(jì)

選擇左側(cè)圖形中的螺旋形電感放入電路窗口內(nèi)，然后就可以根據(jù)你的要求設(shè)置參數(shù)并獲得你所需要的電感量，如果對(duì)電感量要求比較高，設(shè)計(jì)好后再利用ADS2008進(jìn)行仿真優(yōu)化。在ADS2008中輔助設(shè)計(jì)印刷電感時(shí)需要設(shè)置PCB板材、厚度以及銅膜的厚度等參數(shù)信息。最后同樣利用PCB制圖工具軟件畫圖制作印刷電感。需要說明的是無論軟件多精確，都不要過分依賴軟件，仍然要以實(shí)際出來的樣品測試結(jié)果為準(zhǔn)，并逐步積累經(jīng)驗(yàn)修正誤差，以便今后能一步到位的制作出所需的電感。

胡志山，電子工程師，高級(jí)技師，主要專業(yè)方向射頻寬帶電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試制。

Printed inductor alternative hollow inductor in RF circuit

HU Zhi-shan