射頻印刷電感替代低值空心電感的探索

　　摘要：本文在多年工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上運(yùn)用現(xiàn)代電子仿真技術(shù)，進(jìn)行印刷電感替代空心電感的嘗試，得出射頻電路中100nH以下的電感完全可以實(shí)現(xiàn)印刷化的結(jié)論，并提供了具體的射頻仿真軟件模擬設(shè)計(jì)印刷電感的方法實(shí)例，掌握這些軟件的使用方法，對(duì)今后設(shè)計(jì)印刷電感有至關(guān)重要的作用。

　　引言

　　在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大背景下，眾多企業(yè)面臨著“招工難”的棘手問題，這在無形中給射頻工程師們提出了一個(gè)更高的要求，要把新的工藝技術(shù)充實(shí)到產(chǎn)品中去，用技術(shù)的手段來減少人工工序。過去有過一些關(guān)于印刷電感設(shè)計(jì)制作類的文章，但是文章過多引用學(xué)科理論公式，應(yīng)用型的技術(shù)論文變成了理論研究報(bào)告，對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)工作沒有太大的推進(jìn)作用。本文一改過去理論公式化說教的模式，通俗易懂地介紹了運(yùn)用仿真軟件實(shí)現(xiàn)印刷電感的方法。

　　由于射頻電路信號(hào)頻率較高，正常在5-2000MHz范圍內(nèi)，故較多使用低值電感，電感量通常不超過100nH。過去我們多采用空心電感制作濾波器、分頻器等產(chǎn)品，但是在人工成本日趨倍增的今天，已經(jīng)很難適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。如圖1所示，該產(chǎn)品為一款簡(jiǎn)易型的衛(wèi)星電視信號(hào)和有線電視信號(hào)混合器，過去一直用空心電感作為濾波元件，但是空心電感需要經(jīng)過繞制、引腳浸錫、插焊裝等人工工序，而投入更多的人工已經(jīng)成為眾多廠家最頭痛的問題，不但牽涉到招工難，還關(guān)乎到產(chǎn)品的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。筆者經(jīng)過多年的探索，逐步開始應(yīng)用印刷電感替代低值空心電感的嘗試。

　　圖2中的印制板就是圖1產(chǎn)品的改進(jìn)型，在保證原產(chǎn)品性能參數(shù)的前提下，采用印刷螺旋電感替代空心電感后生產(chǎn)工序得到了根本的簡(jiǎn)化，成倍地提高了生產(chǎn)效率，更具備了充足的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在射頻領(lǐng)域，有很多諸如此類大量采用空心電感(如圖3)的產(chǎn)品都同樣面臨著改良。

　　既然印刷電感替代空心電感有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，自然就對(duì)產(chǎn)品開發(fā)人員提出了一個(gè)難題，因?yàn)橐酝]有這方面現(xiàn)成的教材資料可以借鑒，僅憑幾個(gè)零散的近似公式或者個(gè)別樣品很難實(shí)現(xiàn)改進(jìn)計(jì)劃。印刷電感根據(jù)形狀主要有正方形、六邊形、八邊形、螺旋形四種，而這其中尤以螺旋形性能最佳，下文就以螺旋形為例介紹制作方法。通常印刷螺旋電感的電感量近似計(jì)算公式如下：

　　L=µn²dac1[ln(c2/ρ)+c3ρ+c4ρ²]/2

　　式中：µ為磁導(dǎo)率、n為圈數(shù);da為內(nèi)外直徑的算術(shù)平均值。

　　ρ=dout-din/( dout+din)表示電感的“空心”程度，c1～c4為形狀系數(shù)，通常取值為c1=1、c2=2.46、c3=0、c4=0.2，由該公式得出的電感量通常約有0.03的誤差系數(shù)。

　　制作印刷電感通常有兩種方法：一種是根據(jù)傳統(tǒng)的近似公式計(jì)算后，設(shè)計(jì)線路板時(shí)對(duì)號(hào)入座，但是這種方法很慢而且容易出錯(cuò);目前最可靠的方法是采用軟件仿真設(shè)計(jì)，這樣既準(zhǔn)確又快捷，在精確度要求不是很高的產(chǎn)品中可以采用國產(chǎn)小軟件，精確度要求很高時(shí)建議采用ADS2008仿真設(shè)計(jì)。

　　1 國產(chǎn)小軟件制作印刷電感

　　采用國產(chǎn)小軟件電容電感設(shè)計(jì)大師來實(shí)現(xiàn)，打開軟件后主頁面如圖5所示，點(diǎn)擊電感計(jì)算目錄下的射頻電路電感， 出現(xiàn)圖6頁面，選擇下邊的圓形，然后左上角出現(xiàn)螺旋形圖樣，對(duì)照?qǐng)D樣中的參數(shù)標(biāo)識(shí)，在下邊對(duì)應(yīng)的參數(shù)框內(nèi)填上你需要的參數(shù)數(shù)值，包括圈數(shù)、內(nèi)徑、外徑，數(shù)值輸入完畢后右下角就會(huì)自動(dòng)顯示出對(duì)應(yīng)的電感量，如果電感不是你所需要的，可以對(duì)剛剛輸入的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，直到出現(xiàn)你需要的電感量為止。但是需要提醒的是內(nèi)徑和外徑不是隨便設(shè)置，要以實(shí)際線路板尺寸以及PCB工廠能加工的最窄線寬為依據(jù)。當(dāng)然軟件計(jì)算下來也許會(huì)有一點(diǎn)誤差，這就需要設(shè)計(jì)人員親自試驗(yàn)幾次，就會(huì)掌握這個(gè)誤差并可以在設(shè)計(jì)時(shí)給予恰當(dāng)?shù)男拚?br />

　　得到所需的印刷電感參數(shù)后，接下來就采用PROTEL99或者其它PCB制作軟件，根據(jù)參數(shù)設(shè)置線寬、圓弧半徑、線條間隔、圈數(shù)，制作螺旋電感，電感的圓心一端可以通過雙面板金屬化孔的方式連接到其它電路，倘若是單面板就需要用過橋線連接。外圈一端則可以直接和PCB線條相連接。需要說明的是，這種方法不牽涉板材和厚度。