电子线路CAD模拟软件在高频电路分析中的应用

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}}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。

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)电感器件端电极界面之间的参数性能，对电感器件的内部电磁分布情况和外部电磁环境要求却未能反映出来。相同测试参数的电感可能因内电极结构不同而存在完全不同的电磁分布状态，在高频条件下，片式电感的实