疊層片式微波電感器的設計制造與應用

摘要：  文章闡述疊層片式微波電感器的工作原理，介紹其結構設計、材料選用和制造工藝以及它們對電感器性能的影響。還簡要敘述了疊層片式微波電感器的應用領域。

1 引言
以蜂窩通信系統中的手機和便攜式電腦為典型代表的小型化電子設備的快速發(fā)展，使得微小型化、數字化、多功能化以及高功率密度成為當代電子設備發(fā)展的潮流。再有表面貼裝技術的成熟，要求電子元器件向小、薄、輕的方向發(fā)展。對于電感器來說，就是小型化、片式化、集成化、高頻化以及高性能、高精度、高效率。
2 疊層片式微波電感器的等效電路與工作參數模型
2.1 等效電路
眾所周知，電感器就是一個儲能線圈。而疊層片式微波電感器就是以一定工藝程序制成的多層疊裝的片狀結構的線圈，其等效電路示于圖1。圖中，Lo為理想條件下的電感量；Co為寄生電容的總和；r為內電極的直流電阻值；Ro是電損耗和磁損耗的總等效電阻值。
2.2 片式電感器的工作參數
根據集中參數模型，片式電感器的導納——頻率的函數關系表達式為：
            (1)
式(1)闡述了電感器的主要性能函數為電阻值Z、電感量L、品質因數Q值以及自諧振頻率fSR。
a. 阻抗Z值由下式(2)求解：
                           (2)
b. 電感器的電感值L由下式(3)求解：

                (3)

c. 品質因數Q值的求解示于式(4)：

                          (4)

d. 自諧振頻率fSR由下式(5)求出：
                                (5)
以上式中，ω=2πf。
在微波電感器設計中，人們定位于具有較高的自諧振頻率，并且在高頻下工作時具有穩(wěn)定的電感值和高的品質因數Q值；對于表面貼裝工藝采用的片式電感器而言，繞線電感器和用光刻技術制造的電感器具有以上三方面的優(yōu)勢，也就是說，疊層片式電感器也可以達到這些目的。
3 哪些因素影響微波電感器的性能
對于使用于高頻微波狀態(tài)下的微波電感器，影響其性能的因素比較多且比較復雜，為此，有許多文章論述過。以下僅從結構設計，器件的材料選用和印制法成型工藝技術等方面給予分析。
3.1 電感線圈形狀對電感器性能的影響
疊層片式電感器線圈結構。一般設計成三種形狀：矩形、橢圓形和圓形。
現在，我們用這三種形狀的線圈所包圍的面積和線條寬度完全相同，同時，采用完全相同的材料和制造工藝，生產出三種形狀的1608型22nH感量的電感器，以進行形狀對性能影響的比較，見表1所示（表中的Q值和fSR值分別使用HP4291和HP8753E儀器測量）。
表 1  線圈形狀對微波電感器性能的影響
形狀 Q (100MHz) Q (900MHz) Q (1700MHz) fSR (GHz)
矩形 (3/4) 16.8 45 11 1.95
橢圓形 (1/2) 15.6 43 33 2.45
圓形 15.1 41 47 2.85

從表1中，我們可以看到，圓形結構微波電感器的高頻性能明顯優(yōu)于矩形結構和橢圓形結構的性能。這是由于矩形和橢圓形結構在高頻情況下的渦流損耗較大的原因。

3.2 高頻微波材料的選用對電感器性能的影響
疊層片式電感器使用的主要材料是陶瓷。由于受低溫共燒工藝的限制，所以基本上都選用能與銀共燒的高頻微波陶瓷材料。所用材料的性能對片式電感器的性能影響很大，其中最主要的影響是材料的介電常數ε以及材料的損耗因子tanδ。
表2列出了兩種材料制作的1608型56nH電感器的性能。表中列出了fSR和品質因數Q值，L與Q值用HP4291測試儀測量，fSR用HP8753E測量。
由表2的數據我們可以看到，材料的性能對微波電感器性能的影響是很大的，例如，材料的介電常數小，可以減小電感器的寄生電容值，提高自諧振頻率；而材料的損耗因子tanδ小，則可以減少電感器的電磁損耗，尤其是在微波頻率下減少損耗。
3.3 印制電路工藝對微波電感器性能的影響
印制電路工藝對微波電感器性能中的品質因數Q值的影響最明顯。但我們發(fā)現，影響電感器性能的印制電路工藝因素主要發(fā)生在生產過程中的實際操作上。在高頻情況下，印刷出的電極質量對Q值的影響較大，如果生產過程中印制成的電極圓潤而飽滿，則高頻下的Q值將明顯提高，并且可一定程度上提高自諧振頻率。此外，印制的次數對微波電感器的性能也有較大影響。因為增加印制次數，可以增加線條的厚度而減小電感器的電阻值，從而提高產品的品質因數Q值。然而，在實際生產過程中，增加印制次數是受到限制的，一般只有2次到3次印制。
我們注意到，印制電路工藝與內電極用的材料，與生產用的絲網、機器設備以及操作者的技能水平有著很大關系，生產工藝保證產品優(yōu)良性能必須具備適用的工具設備以及精心的操控。
以上我們對影響疊層片式微波電感器性能的因素進行了多方面的理論分析，同時作了必要的測量對比，從而選擇了比較合理的設計方案，選擇了性能較好的微波高頻陶瓷材料以及適合的制造工藝技術，生產出了一系列性能優(yōu)良的微波電感器，如舉例的1608型10nH電感器，其自諧振頻率fSR超過6GHz。表3所列是用不同方法設計生產的1608型22nH微波電感器與Panasonic公司用光刻法生產的電感器以及傳統的繞線型片式電感器性能比較。
表 3  用不同方法生產的1608/22nH電感器性能比較
電感器類型 Q(100MHz) Q(900MHz) Q(1700MH) fSR/GHz
光刻法電感器 16 46 54 4.05
繞線片式電感器 25 70 69 3.60
傳統疊層電感器 16 44 29 2.50
本題疊層電感器 15 42 56 4.60

從表3我們可以看到，本課題設計生產的疊層片式微波電感器已達到Panasonic公司的光刻電感器的性能水平，其高頻性能甚至更好。如果進一步改善優(yōu)化工藝技術，其性能可以進一步提高。
4 疊層片式微波電感器的應用
當前，微波領域的電子產品不斷涌現，故微波電感器的應用也就越來越廣泛。例如，微波電感器在CDMA、TDMA、PHS、GSM手機等通信產品的射頻電路中已廣泛應用；在無線網卡、藍牙模塊、計算機通訊、功率放大模塊、雷達探測領域等等的應用也非常普遍，圖2、圖3和圖4是微波電感器在VCO諧振電路、PA電路和濾波電路中的應用實例示圖，其功能分別是諧振、阻抗匹配和濾波等。
5 小結
微波電感器的線圈結構形狀對其性能的影響很大，圓形結構的微波電感器有利于提高電感器的微波性能。
微波電感器片式疊層材料的選擇對其性能的影響也很大，材料的介電常數ε和損耗因子tanδ的值越小，對提高電感器的微波性能越有利。
印制電路工藝技術對電感器的微波性能有較大的影響，故在實際生產過程中要嚴格掌控，同時提供優(yōu)良的工具和制造裝備。

參考文獻
[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] 電子元器件應用 2003.8