叠层片式微波电感器的设计制造与应用

    内容摘要：  文章阐述叠层片式微波电感器的工作原理，介绍其结构设计、材料选用和制造工艺以及它们对电感器性能的影响。还简要叙述了叠层片式微波电感器的应用领域。

       1 引言
    以蜂窝通信系统中的手机和便携式电脑为典型代表的小型化电子设备的快速发展，使得微小型化、数字化、多功能化以及高功率密度成为当代电子设备发展的潮流。再有表面贴装技术的成熟，要求电子元器件向小、薄、轻的方向发展。对于电感器来说，就是小型化、片式化、集成化、高频化以及高性能、高精度、高效率。
2 叠层片式微波电感器的等效电路与工作参数模型
2.1 等效电路
众所周知，电感器就是一个储能线圈。而叠层片式微波电感器就是以一定工艺程序制成的多层叠装的片状结构的线圈，其等效电路示于图1。图中，Lo为理想条件下的电感量；Co为寄生电容的总和；r为内电极的直流电阻值；Ro是电损耗和磁损耗的总等效电阻值。
2.2 片式电感器的工作参数
根据集中参数模型，片式电感器的导纳——频率的函数关系表达式为：
            (1)
式(1)阐述了电感器的主要性能函数为电阻值Z、电感量L、品质因数Q值以及自谐振频率fSR。
a. 阻抗Z值由下式(2)求解：
                          (2)
b. 电感器的电感值L由下式(3)求解：

                    (3)

    c. 品质因数Q值的求解示于式(4)：

                              (4)

    d. 自谐振频率fSR由下式(5)求出：
                                (5)
以上式中，ω=2πf。
在微波电感器设计中，人们定位于具有较高的自谐振频率，并且在高频下工作时具有稳定的电感值和高的品质因数Q值；对于表面贴装工艺采用的片式电感器而言，绕线电感器和用光刻技术制造的电感器具有以上三方面的优势，也就是说，叠层片式电感器也可以达到这些目的。
3 哪些因素影响微波电感器的性能
对于使用于高频微波状态下的微波电感器，影响其性能的因素比较多且比较复杂，为此，有许多文章论述过。以下仅从结构设计，器件的材料选用和印制法成型工艺技术等方面给予分析。
3.1 电感线圈形状对电感器性能的影响
叠层片式电感器线圈结构。一般设计成三种形状：矩形、椭圆形和圆形。
现在，我们用这三种形状的线圈所包围的面积和线条宽度完全相同，同时，采用完全相同的材料和制造工艺，生产出三种形状的1608型22nH感量的电感器，以进行形状对性能影响的比较，见表1所示（表中的Q值和fSR值分别使用HP4291和HP8753E仪器测量）。
表 1  线圈形状对微波电感器性能的影响
形状 Q (100MHz) Q (900MHz) Q (1700MHz) fSR (GHz)
矩形 (3/4) 16.8 45 11 1.95
椭圆形 (1/2) 15.6 43 33 2.45
圆形 15.1 41 47 2.85

    从表1中，我们可以看到，圆形结构微波电感器的高频性能明显优于矩形结构和椭圆形结构的性能。这是由于矩形和椭圆形结构在高频情况下的涡流损耗较大的原因。

    3.2 高频微波材料的选用对电感器性能的影响
叠层片式电感器使用的主要材料是陶瓷。由于受低温共烧工艺的限制，所以基本上都选用能与银共烧的高频微波陶瓷材料。所用材料的性能对片式电感器的性能影响很大，其中最主要的影响是材料的介电常数&epSILon;以及材料的损耗因子tanδ。
表2列出了两种材料制作的1608型56nH电感器的性能。表中列出了fSR和品质因数Q值，L与Q值用HP4291测试仪测量，fSR用HP8753E测量。
由表2的数据我们可以看到，材料的性能对微波电感器性能的影响是很大的，例如，材料的介电常数小，可以减小电感器的寄生电容值，提高自谐振频率；而材料的损耗因子tanδ小，则可以减少电感器的电磁损耗，尤其是在微波频率下减少损耗。
3.3 印制电路工艺对微波电感器性能的影响
印制电路工艺对微波电感器性能中的品质因数Q值的影响最明显。但我们发现，影响电感器性能的印制电路工艺因素主要发生在生产过程中的实际操作上。在高频情况下，印刷出的电极质量对Q值的影响较大，如果生产过程中印制成的电极圆润而饱满，则高频下的Q值将明显提高，并且可一定程度上提高自谐振频率。此外，印制的次数对微波电感器的性能也有较大影响。因为增加印制次数，可以增加线条的厚度而减小电感器的电阻值，从而提高产品的品质因数Q值。然而，在实际生产过程中，增加印制次数是受到限制的，一般只有2次到3次印制。
我们注意到，印制电路工艺与内电极用的材料，与生产用的丝网、机器设备以及操作者的技能水平有着很大关系，生产工艺保证产品优良性能必须具备适用的工具设备以及精心的操控。
以上我们对影响叠层片式微波电感器性能的因素进行了多方面的理论分析，同时作了必要的测量对比，从而选择了比较合理的设计方案，选择了性能较好的微波高频陶瓷材料以及适合的制造工艺技术，生产出了一系列性能优良的微波电感器，如举例的1608型10nH电感器，其自谐振频率fSR超过6GHz。表3所列是用不同方法设计生产的1608型22nH微波电感器与PanasonIC公司用光刻法生产的电感器以及传统的绕线型片式电感器性能比较。
表 3  用不同方法生产的1608/22nH电感器性能比较
电感器类型 Q(100MHz) Q(900MHz) Q(1700MH) fSR/GHz
光刻法电感器 16 46 54 4.05
绕线片式电感器 25 70 69 3.60
传统叠层电感器 16 44 29 2.50
本题叠层电感器 15 42 56 4.60

    从表3我们可以看到，本课题设计生产的叠层片式微波电感器已达到Panasonic公司的光刻电感器的性能水平，其高频性能甚至更好。如果进一步改善优化工艺技术，其性能可以进一步提高。
4 叠层片式微波电感器的应用
当前，微波领域的电子产品不断涌现，故微波电感器的应用也就越来越广泛。例如，微波电感器在CDMA、TDMA、PHS、GSM手机等通信产品的射频电路中已广泛应用；在无线网卡、蓝牙模块、计算机通讯、功率放大模块、雷达探测领域等等的应用也非常普遍，图2、图3和图4是微波电感器在VCO谐振电路、PA电路和滤波电路中的应用实例示图，其功能分别是谐振、阻抗匹配和滤波等。
5 小结
微波电感器的线圈结构形状对其性能的影响很大，圆形结构的微波电感器有利于提高电感器的微波性能。
微波电感器片式叠层材料的选择对其性能的影响也很大，材料的介电常数ε和损耗因子tanδ的值越小，对提高电感器的微波性能越有利。
印制电路工艺技术对电感器的微波性能有较大的影响，故在实际生产过程中要严格掌控，同时提供优良的工具和制造装备。

    参考文献
[1] Shuml Kumagal, etc. TDK Corporation, United States Patent [P] 2000.11
[2] Osamu Takahashi, etc. Taiyo Yuden Co., Ltd, United States Patent [P] 2001.11
[3] 电子元器件应用 2003.8

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