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)驗的基礎上運用現代電子仿真技術(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)現印刷化的結論，并提供了具體的射頻仿真軟件模擬設計印刷電感的方法實(shí)例，掌握這些軟件的使用方法，對今后設計印刷電感有至關(guān)重要的作用。

　　引言

　　在經(jīng)濟轉型升級的大背景下，眾多企業(yè)面臨著(zhù)“招工難”的棘手問(wèn)題，這在無(wú)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(lái)減少人工工序。過(guò)去有過(guò)一些關(guān)于印刷電感設計制作類(lèi)的文章，但是文章過(guò)多引用學(xué)科理論公式，應用型的技術(shù)論文變成了理論研究報告，對實(shí)際的設計工作沒(méi)有太大的推進(jìn)作用。本文一改過(guò)去理論公式化說(shuō)教的模式，通俗易懂地介紹了運用仿真軟件實(shí)現印刷電感的方法。

　　由于射頻電路信號頻率較高，正常在5-2000MHz范圍內，故較多使用低值電感，電感量通常不超過(guò)100nH。過(guò)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)很難適應市場(chǎng)競爭環(huán)境。如圖1所示，該產(chǎn)品為一款簡(jiǎn)易型的衛星電視信號和有線(xiàn)電視信號混合器，過(guò)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(guò)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(chǎng)家最頭痛的問(wèn)題，不但牽涉到招工難，還關(guān)乎到產(chǎn)品的價(jià)格競爭力。筆者經(jīng)過(guò)多年的探索，逐步開(kāi)始應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)競爭力。在射頻領(lǐng)域，有很多諸如此類(lèi)大量采用空心電感(如圖3)的產(chǎn)品都同樣面臨著(zhù)改良。

　　既然印刷電感替代空心電感有絕對的優(yōu)勢，自然就對產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員提出了一個(gè)難題，因為以往并沒(méi)有這方面現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)現改進(jìn)計劃。印刷電感根據形狀主要有正方形、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算公式如下：

　　L=µn²dac1[ln(c2/ρ)+c3ρ+c4ρ²]/2

　　式中：µ為磁導率、n為圈數;da為內外直徑的算術(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，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。

　　制作印刷電感通常有兩種方法：一種是根據傳統的近似公式計算后，設計線(xiàn)路板時(shí)對號入座，但是這種方法很慢而且容易出錯;目前最可靠的方法是采用軟件仿真設計，這樣既準確又快捷，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仿真設計。

　　1 國產(chǎn)小軟件制作印刷電感

　　采用國產(chǎn)小軟件電容電感設計大師來(lái)實(shí)現，打開(kāi)軟件后主頁(yè)面如圖5所示，點(diǎn)擊電感計算目錄下的射頻電路電感， 出現圖6頁(yè)面，選擇下邊的圓形，然后左上角出現螺旋形圖樣，對照圖樣中的參數標識，在下邊對應的參數框內填上你需要的參數數值，包括圈數、內徑、外徑，數值輸入完畢后右下角就會(huì )自動(dòng)顯示出對應的電感量，如果電感不是你所需要的，可以對剛剛輸入的三個(gè)參數進(jìn)行修改，直到出現你需要的電感量為止。但是需要提醒的是內徑和外徑不是隨便設置，要以實(shí)際線(xiàn)路板尺寸以及PCB工廠(chǎng)能加工的最窄線(xiàn)寬為依據。當然軟件計算下來(lái)也許會(huì )有一點(diǎn)誤差，這就需要設計人員親自試驗幾次，就會(huì )掌握這個(gè)誤差并可以在設計時(shí)給予恰當的修正。

　　得到所需的印刷電感參數后，接下來(lái)就采用PROTEL99或者其它PCB制作軟件，根據參數設置線(xiàn)寬、圓弧半徑、線(xiàn)條間隔、圈數，制作螺旋電感，電感的圓心一端可以通過(guò)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(guò)橋線(xiàn)連接。外圈一端則可以直接和PCB線(xiàn)條相連接。需要說(shuō)明的是，這種方法不牽涉板材和厚度。