射频表贴电感的分类、特征及其选型

在射频电路中，电感是非常重要的无源器件，在射频电路中可以实现匹配、滤波、谐振及去耦等作用。下图为射频电感的四种典型应用，分别为阻抗匹配、谐振负载、串联负反馈以及滤波电路[1]：
 

 

图：电感器件的典型应用

 

在手机应用中，目前蜂窝移动通信设备工作的频率一般在6GHz以下频段，此频段常用的电感类型有基板绕线电感、键合线电感和表贴电感器件。

 

基板绕线电感是通过基板Layout走线形成电感，这类电感的缺点是占用基板面积较大，不适用于设计大电感，一般基板绕线感值范围在5nH以下；

 

键合线电感是利用芯片封装时的键合线来形成电感，这类电感的品质因数很高（可以到50甚至以上），但电感值比较小，一般在1nH以下，并且电感量受键合线精度影响，难以精确控制。经验上，1mm长键合线的感值以0.6nH简单估计；

 

表贴电感器件是将电感表贴器件（Surface Mounted Devices，SMD）使用引脚直接焊到PCB上，这类电感使用方便，感值范围大，标准尺寸下有不同感值、Q值及DC电阻值的器件可供选择，在射频系统中使用广泛。

 

在射频电路中，电感一旦被使用，均是在对射频性能影响明显的重要位置。而表贴器件的性能参数与封装、工艺有很大关联，电感的Q值也有较大差异（10～40）。所以需要对表贴电感元件的特性有深入的认识，确保正常使用。

 

本文首先介绍射频表贴电感的分类和特征，然后结合电感的典型应用，对射频表贴电感的选型中需要考虑的主要因素进行介绍。

 

 射频表贴电感的分类和特征 

 

射频表贴电感根据工艺方法不同，可以分为多层型、薄膜型和绕线型3类[3]，其特点与构成方式如下：

 

图：射频表贴电感三种实现类型

 

从应用的角度，射频电感的选型主要从以下几个因素考虑：

尺寸选择

电感量

自谐振频率

Q值

额定电流

DC电阻

 

尺寸选择

表贴器件有标准的尺寸和封装形式，确保在使用中可以灵活选取使用。对于无源器件，常用的标称名称与尺寸间的对照关系如下表。

 

需要注意的是，日常使用中的“0201”、“01005”名称是以inch为单位的EIA名称（Electronic Industries Alliance 电子工业协会），而不是以公制为单位的IEC名称（International Electrical Commission，国际电工委员会）。

 

表：表贴器件的尺寸选择
 

 

 

对于电感器件，一般情况下尺寸越小成本越高、Q值更低。电感性能和尺寸之间是一对折中。

 

电感量

电感量是电感器的最主要参数，也是射频工程师选型的首要参数。工程师会通过仿真及在板验证确认最终电感值。

 

在表贴电感感值提供上，电感厂商一般提供E系列优先数系（E series of preferred numbers）下的离散数值[4]，感值从小到大呈指数关系。使用中需要根据需求，选择接近的合理感值电感。

 

在选型过程中，除了关注感值外，还需重点关注电感量的容差值。电感的容差值在数据手册中有标称，常见的规格有：

L≤4.2nH，电感容差值±0.1nH或±0.2nH；

L＞4.2nH，电感容差值±3%或±5%。

 

需要注意的是，不同厂商的电感器实现的技术方式不同，造成即使电感量相同，电感量的容差值可能不同，不可做直接替换，在替换后需要实测验证。

 

自谐振频率

在实际电感使用中，由于寄生电容的存在，寄生电容与本征电感会发生自谐振。发生自谐振的频率叫自谐振频率（Self-Resonant Frequency，SRF）。实际电感的等效电路如下图所示，寄生电容和电阻分别用

和

表示，电感器的自谐振频率计算公式为：

 

 

图：电感的等效电路[5]
 

 

由于自谐振特性的存在，当工作频率低于谐振频率时，电感器件表现出电感性，阻抗随着频率的升高而增大；当工作频率高于谐振频率时，电感器件表现出电容性，阻抗随着频率的升高而减小。因此在实际应用中，应选择电感谐振频率点远高于工作频率的电感。

图：电感的自谐振特性 [5]

 

按照经验值，电感的工作频率一般选择为SRF 1/10以下，此时的电感受寄生电容影响较小，电感值相对来说更精确。

 

Q值

Q值即电感的品质因数Quality Factor，是电感储存功率与损耗功率之比。电感Q值的计算公式为：

 

 

其中，为电感器的感抗，为电感器的实阻抗。

在射频电感使用中，最常见的应用是参与阻抗匹配，电感的Q值对匹配网络的损耗有直接影响。下图为简单的L型匹配网络示意图，图中串联电感

与并联电容

共同完成阻抗自

到

的变换。

 

 

图：L型电感电容匹配网络的阻抗变换

 

在匹配网络中，一般电容的Q值较高（>200），而电感的Q值较低（约30），所以在匹配网络损耗计算中，主要考虑电感的影响。对于上图匹配网络，计算传输中的损耗如下：

如[6]，定义网络Q值

为：

 

 

能量的有效传输效率为：

 

 

即网络的损耗为：

 

 

根据上式，匹配网络损耗与网络Q成正比，与器件Q成反比。即在网络变换比确定（网络Q值一定）的情况下，器件Q值越低，网络损耗越大。

 

根据上式，若将50 Ohm阻抗匹配至5 Ohm，不同Q值电感器件带来的网络损耗如下表。可以看到，随着电感Q值的降低，匹配网络的损耗逐渐增加。

 

图：50 Ohm到5 Ohm变换时

不同Q值电感对应损耗的变化
 

 

电感Q值的大小取决于元件的制作工艺、制作材料等，电感的寄生电阻越大，Q值越小。下图为村田0201和01005系列电感的Q值对比[8]。

 

图：不同类型电感Q值随频率变化的关系
 

 

图：不同系列电感的Q值对比

 

从图中可以看出：

封装越小，Q值越低；

随着频率变高，电感的Q值越高；

High Q系列比TN/TQ系列电感的Q值高；

绕线型电感的Q值较TN/TQ电感有一定优势，但随着器件厂家High Q技术的提升，绕线结构上的优势已经被薄膜电感替代。

 

一般High Q电感价格也更高，所以电感的Q值和价格之间也是一对折中。

 

额定电流与DC电阻

器件厂家数据手册中标注的额定电流一般指在室温下通电流，逐步提升电流至产品表面温度上升20℃的电流，超出该电流值使用时可能会导致元件破损及组件故障。

 

在PA等有源射频电路中，射频电感可用于隔离交流（Choke），将射频信号与直流偏置和直流电源隔离，此时Choke电感将通过较大电流，对此电感的通流能力要求较高。通常的PA设计中该电感的电感值较小（约为nH量级），用基板绕线电感是首选，若布局布线受限，表贴电感的选取需要注意电感的额定电流是否满足设计要求。

 

图：5G PA的输出匹配网络
 

 

电感器件额定电流的大小与其DCR（DC Resistance）直流电阻呈反比关系，DCR越高，额定电流越小。DCR指在无交流信号下测得的电阻[10]，主要由内电极的电阻决定，电阻的计算公式：

 

其中ρ为电阻材料的电阻率， l为电阻的长度，S为电阻的截面积。

 

下表为村田不同系列4.7nH电感的额定电流与DCR值对比：

 

可以看到：

DCR越大，额定电流越小；

High Q电感额定电流比TN/TQ电感大；

大尺寸电感有更大额定电流及更小DCR。

 

实际选型中，额定电流应是电路中最大输出电流的1.3倍以上，需要留有一定的余量降额使用。

 

 射频表贴电感的极性 

 

表贴电感在使用中必须要考虑极性（Polarity）。

 

与表贴电容不同，大部分表贴电感带有可辨别方向性的标记。下图为村田电感数据手册中对贴片电感方向的标识。

 

图：村田电感数据手册中对于电感方向性的标识

 

在使用中，必须要严格按照电感的方向性进行贴装使用，电感方向性的不同会造成感值的不同。下图为村田将电感按8个不同方向进行放置，测试电感值的变化。可以看到，在不同方向放置时，感值存在5%的变化[9]。

 

图：贴片电感不同方向放置时感值的变化

 

产生感值变化的原因主要有两个

 

线圈磁场方向的改变

电感一般通过绕线线圈实现，电感依靠线圈产生的磁场来储存能量。线圈放置方向的不同，造成线圈产生的磁场发生变化，进而使感值发生变化。下图为不同方向放置电感时磁场变化示意图。

 

图：不同方向放置电感时磁场的变化
 

 

另外需要注意的是，电感产生的磁场的变化不仅会影响到自身电感的变化，还会影响到周围器件的电感变化。所以在使用中要注意电感器件与其他器件之间的距离，并对电感的摆放方向做严格定义。

 

电感的非对称特性

由于表贴电感采用绕线方式实现，在物理上不可能完全对称。这种不对称特性造成了电感器件在一些寄生参数上的左右不互易。如下图所示，电感在A点与B点有不同的到地寄生电容，造成电感器件不能左右互换，在使用中必须规定极性。

 

图：表贴电感的非对称特性

                                                                   

 

   总   结   

 

电感是射频电路中经常使用的无源器件，小小的电感元件，如果使用不当将会对射频性能造成极大的影响。以上就是射频贴片电感在选型与使用中的注意要点。

来源：慧智微电子