射頻貼片電感在選型與使用中的注意要點(diǎn)

在射頻電路中，電感是非常重要的無(wú)源器件，在射頻電路中可以實(shí)現(xiàn)匹配、濾波、諧振及去耦等作用。下圖為射頻電感的四種典型應(yīng)用，分別為阻抗匹配、諧振負(fù)載、串聯(lián)負(fù)反饋以及濾波電路[1]：

圖：電感器件的典型應(yīng)用

在手機(jī)應(yīng)用中，目前蜂窩移動(dòng)通信設(shè)備工作的頻率一般在6GHz以下頻段，此頻段常用的電感類型有基板繞線電感、鍵合線電感和表貼電感器件。

基板繞線電感是通過(guò)基板Layout走線形成電感，這類電感的缺點(diǎn)是占用基板面積較大，不適用于設(shè)計(jì)大電感，一般基板繞線感值范圍在5nH以下；
鍵合線電感是利用芯片封裝時(shí)的鍵合線來(lái)形成電感，這類電感的品質(zhì)因數(shù)很高（可以到50甚至以上），但電感值比較小，一般在1nH以下，并且電感量受鍵合線精度影響，難以精確控制。經(jīng)驗(yàn)上，1mm長(zhǎng)鍵合線的感值以0.6nH簡(jiǎn)單估計(jì)；
表貼電感器件是將電感表貼器件（Surf ace Mounted Devices，SMD）使用引腳直接焊到PCB上，這類電感使用方便，感值范圍大，標(biāo)準(zhǔn)尺寸下有不同感值、Q值及DC 電阻值的器件可供選擇，在射頻系統(tǒng)中使用廣泛。下圖為表貼電感器件在射頻前端模組PAMiD及手機(jī)PCBA的使用，圖中帶有藍(lán)色的表貼器件均為電感。

及手機(jī)PCBA中的使用

在射頻電路中，電感一旦被使用，均是在對(duì)射頻性能影響明顯的重要位置。而表貼器件的性能參數(shù)與封裝、工藝有很大關(guān)聯(lián)，電感的Q值也有較大差異（10～40）。所以需要對(duì)表貼電感元件的特性有深入的認(rèn)識(shí)，確保正常使用。

本文首先介紹射頻表貼電感的分類和特征，然后結(jié)合電感的典型應(yīng)用，對(duì)射頻表貼電感的選型中需要考慮的主要因素進(jìn)行介紹。

射頻表貼電感的分類和特征

射頻表貼電感根據(jù)工藝方法不同，可以分為多層型、薄膜型和繞線型3類[3]，其特點(diǎn)與構(gòu)成方式如下：

圖：射頻表貼電感三種實(shí)現(xiàn)類型

從應(yīng)用的角度，射頻電感的選型主要從以下幾個(gè)因素考慮：

尺寸選擇
電感量
自諧振頻率
Q值
額定電流
DC電阻

尺寸選擇

表貼器件有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸和封裝形式，確保在使用中可以靈活選取使用。對(duì)于無(wú)源器件，常用的標(biāo)稱名稱與尺寸間的對(duì)照關(guān)系如下表。

需要注意的是，日常使用中的“0201”、“01005”名稱是 以inch為單位的EIA名稱 （Electronic Industries Alliance 電子工業(yè)協(xié)會(huì)），而不是以公制為單位的IEC名稱（International Electrical Commission，國(guó)際電工委員會(huì)）。

表：表貼器件的尺寸選擇

對(duì)于電感器件，一般情況下尺寸越小成本越高、Q值更低。電感性能和尺寸之間是一對(duì)折中。

電感量

電感量是電感器的最主要參數(shù)，也是射頻工程師選型的首要參數(shù)。工程師會(huì)通過(guò)仿真及在板驗(yàn)證確認(rèn)最終電感值。

在表貼電感感值提供上，電感廠商一般提供E系列優(yōu)先數(shù)系（E series of preferred numbers）下的離散數(shù)值，感值從小到大呈指數(shù)關(guān)系。使用中需要根據(jù)需求，選擇接近的合理感值電感。

在選型過(guò)程中，除了關(guān)注感值外，還需重點(diǎn)關(guān)注電感量的容差值。電感的容差值在數(shù)據(jù)手冊(cè)中有標(biāo)稱，常見(jiàn)的規(guī)格有：

L≤4.2nH，電感容差值±0.1nH或±0.2nH；
L＞4.2nH，電感容差值±3%或±5%。

需要注意的是，不同廠商的電感器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方式不同，造成即使電感量相同，電感量的容差值可能不同，不可做直接替換，在替換后需要實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

自諧振頻率

在實(shí)際電感使用中，由于寄生電容的存在，寄生電容與本征電感會(huì)發(fā)生自諧振。發(fā)生自諧振的頻率叫自諧振頻率（Self-Resonant Frequency，SRF）。實(shí)際電感的等效電路如下圖所示，寄生電容和電阻分別用和表示，電感器的自諧振頻率計(jì)算公式為：

圖：電感的等效電路[5]

由于自諧振特性的存在，當(dāng)工作頻率低于諧振頻率時(shí)，電感器件表現(xiàn)出電感性，阻抗隨著頻率的升高而增大；當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時(shí)，電感器件表現(xiàn)出電容性，阻抗隨著頻率的升高而減小。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選擇電感諧振頻率點(diǎn)遠(yuǎn)高于工作頻率的電感。

圖：電感的自諧振特性

按照經(jīng)驗(yàn)值，電感的工作頻率一般選擇為SRF 1/10以下，此時(shí)的電感受寄生電容影響較小，電感值相對(duì)來(lái)說(shuō)更精確。

Q值

Q值即電感的品質(zhì)因數(shù)Quality Factor，是電感儲(chǔ)存功率與損耗功率之比。電感Q值的計(jì)算公式為：

其中，為電感器的感抗，為電感器的實(shí)阻抗。

在射頻電感使用中，最常見(jiàn)的應(yīng)用是參與阻抗匹配，電感的Q值對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗有直接影響。下圖為簡(jiǎn)單的L型匹配網(wǎng)絡(luò)示意圖，圖中串聯(lián)電感與并聯(lián)電容共同完成阻抗自到的變換。

圖：L型電感電容匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換

在匹配網(wǎng)絡(luò)中，一般電容的Q值較高（>200），而電感的Q值較低（約30），所以在匹配網(wǎng)絡(luò)損耗計(jì)算中，主要考慮電感的影響。對(duì)于上圖匹配網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算傳輸中的損耗如下：

如[6]，定義網(wǎng)絡(luò)Q值為：

能量的有效傳輸效率為：

即網(wǎng)絡(luò)的損耗為：

根據(jù)上式，匹配網(wǎng)絡(luò)損耗與網(wǎng)絡(luò)Q成正比，與器件Q成反比。即在網(wǎng)絡(luò)變換比確定（網(wǎng)絡(luò)Q值一定）的情況下，器件Q值越低，網(wǎng)絡(luò)損耗越大。

根據(jù)上式，若將50 Ohm阻抗匹配至5 Ohm，不同Q值電感器件帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)損耗如下表?？梢钥吹?，隨著電感Q值的降低，匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗逐漸增加。

圖：50 Ohm到5 Ohm變換時(shí)

不同Q值電感對(duì)應(yīng)損耗的變化

電感Q值的大小取決于元件的制作工藝、制作材料等，電感的寄生電阻越大，Q值越小。下圖為村田0201和01005系列電感的Q值對(duì)比[8]。

圖：不同類型電感Q值隨頻率變化的關(guān)系

圖：不同系列電感的Q值對(duì)比

從圖中可以看出：

封裝越小，Q值越低；
隨著頻率變高，電感的Q值越高；
High Q系列比TN/TQ系列電感的Q值高；
繞線型電感的Q值較TN/TQ電感有一定優(yōu)勢(shì)，但隨著器件廠家High Q技術(shù)的提升，繞線結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被薄膜電感替代。

一般High Q電感價(jià)格也更高，所以電感的Q值和價(jià)格之間也是一對(duì)折中。

額定電流與DC電阻

器件廠家數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)注的額定電流一般指在室溫下通電流，逐步提升電流至產(chǎn)品表面溫度上升20℃的電流，超出該電流值使用時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致元件破損及組件故障。

在PA等有源射頻電路中，射頻電感可用于隔離交流（Choke），將射頻信號(hào)與直流偏置和直流電源隔離，此時(shí)Choke電感將通過(guò)較大電流，對(duì)此電感的通流能力要求較高。通常的PA設(shè)計(jì)中該電感的電感值較?。s為nH量級(jí)），用基板繞線電感是首選，若布局布線受限，表貼電感的選取需要注意電感的額定電流是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖：5G PA的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

電感器件額定電流的大小與其DCR（DC Resistance）直流電阻呈反比關(guān)系，DCR越高，額定電流越小。DCR指在無(wú)交流信號(hào)下測(cè)得的電阻[10]，主要由內(nèi)電極的電阻決定，電阻的計(jì)算公式：

其中為電阻材料的電阻率，為電阻的長(zhǎng)度，S為電阻的截面積。

下表為村田不同系列4.7nH電感的額定電流與DCR值對(duì)比：

可以看到：

DCR越大，額定電流越??；
High Q電感額定電流比TN/TQ電感大；
大尺寸電感有更大額定電流及更小DCR。

實(shí)際選型中，額定電流應(yīng)是電路中最大輸出電流的1.3倍以上，需要留有一定的余量降額使用。

射頻表貼電感的極性

表貼電感在使用中必須要考慮極性（Polarity）。

與表貼電容不同，大部分表貼電感帶有可辨別方向性的標(biāo)記。下圖為村田電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中對(duì)貼片電感方向的標(biāo)識(shí)。

圖：村田電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中對(duì)于電感方向性的標(biāo)識(shí)

在使用中，必須要嚴(yán)格按照電感的方向性進(jìn)行貼裝使用，電感方向性的不同會(huì)造成感值的不同。下圖為村田將電感按8個(gè)不同方向進(jìn)行放置，測(cè)試電感值的變化。可以看到，在不同方向放置時(shí)，感值存在5%的變化[9]。

圖：貼片電感不同方向放置時(shí)感值的變化

產(chǎn)生感值變化的原因主要有兩個(gè)

線圈磁場(chǎng)方向的改變

電感一般通過(guò)繞線線圈實(shí)現(xiàn)，電感依靠線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)儲(chǔ)存能量。線圈放置方向的不同，造成線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而使感值發(fā)生變化。下圖為不同方向放置電感時(shí)磁場(chǎng)變化示意圖。