基于电子线路CAD设计高频电路的局限性

　电子线路CAD模拟软件PSPICE具有很强的功能，在电子线路设计中具有广阔的应用前景，但由于它对中高频下的电路复杂参数无法准确地描述，从而也就给高频电路的分析带来较在的困难。

　　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。

电磁场理论在工程中常用来分析具有分布特性的高频应用问题。通常在利用阻抗分析仪（HP-4291B）对片式电感进行的测量中，可通过夹具补偿和仪器校准等手段将测量精度提高到 0.1nH左右，理论上足以保证电路设计所需的精度要求。但不容忽视的问题是，此时的测量结果仅仅反映了匹配状态下（测量夹具设计为精确匹配）电感器件