射频印刷电感替代低值空心电感的探索

摘要：本文在多年工作经验的基础上运用现代电子仿真技术，进行印刷电感替代空心电感的尝试，得出射频电路中100nH以下的电感完全可以实现印刷化的结论，并提供了具体的射频仿真软件模拟设计印刷电感的方法实例，掌握这些软件的使用方法，对今后设计印刷电感有至关重要的作用。

引言

在经济转型升级的大背景下，众多企业面临着“招工难”的棘手问题，这在无形中给射频工程师们提出了一个更高的要求，要把新的工艺技术充实到产品中去，用技术的手段来减少人工工序。过去有过一些关于印刷电感设计制作类的文章，但是文章过多引用学科理论公式，应用型的技术论文变成了理论研究报告，对实际的设计工作没有太大的推进作用。本文一改过去理论公式化说教的模式，通俗易懂地介绍了运用仿真软件实现印刷电感的方法。

由于射频电路信号频率较高，正常在5-2000MHz范围内，故较多使用低值电感，电感量通常不超过100nH。过去我们多采用空心电感制作滤波器、分频器等产品，但是在人工成本日趋倍增的今天，已经很难适应市场竞争环境。如图1所示，该产品为一款简易型的卫星电视信号和有线电视信号混合器，过去一直用空心电感作为滤波元件，但是空心电感需要经过绕制、引脚浸锡、插焊装等人工工序，而投入更多的人工已经成为众多厂家最头痛的问题，不但牵涉到招工难，还关乎到产品的价格竞争力。笔者经过多年的探索，逐步开始应用印刷电感替代低值空心电感的尝试。

　　图2中的印制板就是图1产品的改进型，在保证原产品性能参数的前提下，采用印刷螺旋电感替代空心电感后生产工序得到了根本的简化，成倍地提高了生产效率，更具备了充足的市场竞争力。在射频领域，有很多诸如此类大量采用空心电感(如图3)的产品都同样面临着改良。

既然印刷电感替代空心电感有绝对的优势，自然就对产品开发人员提出了一个难题，因为以往并没有这方面现成的教材资料可以借鉴，仅凭几个零散的近似公式或者个别样品很难实现改进计划。印刷电感根据形状主要有正方形、六边形、八边形、螺旋形四种，而这其中尤以螺旋形性能最佳，下文就以螺旋形为例介绍制作方法。通常印刷螺旋电感的电感量近似计算公式如下：

L=µn²dac1[ln(c2/ρ)+c3ρ+c4ρ²]/2

式中：µ为磁导率、n为圈数;da为内外直径的算术平均值。

ρ=dout-din/( dout+din)表示电感的“空心”程度，c1～c4为形状系数，通常取值为c1=1、c2=2.46、c3=0、c4=0.2，由该公式得出的电感量通常约有0.03的误差系数。

制作印刷电感通常有两种方法：一种是根据传统的近似公式计算后，设计线路板时对号入座，但是这种方法很慢而且容易出错;目前最可靠的方法是采用软件仿真设计，这样既准确又快捷，在精确度要求不是很高的产品中可以采用国产小软件，精确度要求很高时建议采用ADS2008仿真设计。

1 国产小软件制作印刷电感

采用国产小软件电容电感设计大师来实现，打开软件后主页面如图5所示，点击电感计算目录下的射频电路电感， 出现图6页面，选择下边的圆形，然后左上角出现螺旋形图样，对照图样中的参数标识，在下边对应的参数框内填上你需要的参数数值，包括圈数、内径、外径，数值输入完毕后右下角就会自动显示出对应的电感量，如果电感不是你所需要的，可以对刚刚输入的三个参数进行修改，直到出现你需要的电感量为止。但是需要提醒的是内径和外径不是随便设置，要以实际线路板尺寸以及PCB工厂能加工的最窄线宽为依据。当然软件计算下来也许会有一点误差，这就需要设计人员亲自试验几次，就会掌握这个误差并可以在设计时给予恰当的修正。

得到所需的印刷电感参数后，接下来就采用PROTEL99或者其它PCB制作软件，根据参数设置线宽、圆弧半径、线条间隔、圈数，制作螺旋电感，电感的圆心一端可以通过双面板金属化孔的方式连接到其它电路，倘若是单面板就需要用过桥线连接。外圈一端则可以直接和PCB线条相连接。需要说明的是，这种方法不牵涉板材和厚度。

2 ADS2008仿真设计印刷电感

采用国际知名Agilent公司的ADS2008实现，只是ADS中的参数形式有所不同(如表1)，去掉了外径，增加了安全间距(S)这项参数，在其它条件不变的情况下，安全间距越大外径就会随之增大，也就是说和电容电感设计大师的根本原理相同。在使用ADS2008辅助设计印刷电感之前最好先了解下相关参数，按顺序先后点击Help、Topics and Index、DesignGuides、Passive Circuit、MSInd，这样就打开了印刷螺旋电感的相关说明，仔细阅读并