射頻貼片電感在選型與使用中的注意要點

在射頻電路中，電感是非常重要的無源器件，在射頻電路中可以實現匹配、濾波、諧振及去耦等作用。下圖為射頻電感的四種典型應用，分別為阻抗匹配、諧振負載、串聯負反饋以及濾波電路[1]：

圖：電感器件的典型應用

在手機應用中，目前蜂窩移動通信設備工作的頻率一般在6GHz以下頻段，此頻段常用的電感類型有基板繞線電感、鍵合線電感和表貼電感器件。

基板繞線電感是通過基板Layout走線形成電感，這類電感的缺點是占用基板面積較大，不適用于設計大電感，一般基板繞線感值范圍在5nH以下；
鍵合線電感是利用芯片封裝時的鍵合線來形成電感，這類電感的品質因數很高（可以到50甚至以上），但電感值比較小，一般在1nH以下，并且電感量受鍵合線精度影響，難以精確控制。經驗上，1mm長鍵合線的感值以0.6nH簡單估計；
表貼電感器件是將電感表貼器件（Surf ace Mounted Devices，SMD）使用引腳直接焊到PCB上，這類電感使用方便，感值范圍大，標準尺寸下有不同感值、Q值及DC 電阻值的器件可供選擇，在射頻系統中使用廣泛。下圖為表貼電感器件在射頻前端模組PAMiD及手機PCBA的使用，圖中帶有藍色的表貼器件均為電感。

及手機PCBA中的使用

在射頻電路中，電感一旦被使用，均是在對射頻性能影響明顯的重要位置。而表貼器件的性能參數與封裝、工藝有很大關聯，電感的Q值也有較大差異（10～40）。所以需要對表貼電感元件的特性有深入的認識，確保正常使用。

本文首先介紹射頻表貼電感的分類和特征，然后結合電感的典型應用，對射頻表貼電感的選型中需要考慮的主要因素進行介紹。

射頻表貼電感的分類和特征

射頻表貼電感根據工藝方法不同，可以分為多層型、薄膜型和繞線型3類[3]，其特點與構成方式如下：

圖：射頻表貼電感三種實現類型

從應用的角度，射頻電感的選型主要從以下幾個因素考慮：

尺寸選擇
電感量
自諧振頻率
Q值
額定電流
DC電阻

尺寸選擇

表貼器件有標準的尺寸和封裝形式，確保在使用中可以靈活選取使用。對于無源器件，常用的標稱名稱與尺寸間的對照關系如下表。

需要注意的是，日常使用中的“0201”、“01005”名稱是 以inch為單位的EIA名稱 （Electronic Industries Alliance 電子工業協會），而不是以公制為單位的IEC名稱（International Electrical Commission，國際電工委員會）。

表：表貼器件的尺寸選擇

對于電感器件，一般情況下尺寸越小成本越高、Q值更低。電感性能和尺寸之間是一對折中。

電感量

電感量是電感器的最主要參數，也是射頻工程師選型的首要參數。工程師會通過仿真及在板驗證確認最終電感值。

在表貼電感感值提供上，電感廠商一般提供E系列優先數系（E series of preferred numbers）下的離散數值，感值從小到大呈指數關系。使用中需要根據需求，選擇接近的合理感值電感。

在選型過程中，除了關注感值外，還需重點關注電感量的容差值。電感的容差值在數據手冊中有標稱，常見的規格有：

L≤4.2nH，電感容差值±0.1nH或±0.2nH；
L＞4.2nH，電感容差值±3%或±5%。

需要注意的是，不同廠商的電感器實現的技術方式不同，造成即使電感量相同，電感量的容差值可能不同，不可做直接替換，在替換后需要實測驗證。

自諧振頻率

在實際電感使用中，由于寄生電容的存在，寄生電容與本征電感會發生自諧振。發生自諧振的頻率叫自諧振頻率（Self-Resonant Frequency，SRF）。實際電感的等效電路如下圖所示，寄生電容和電阻分別用和表示，電感器的自諧振頻率計算公式為：

圖：電感的等效電路[5]

由于自諧振特性的存在，當工作頻率低于諧振頻率時，電感器件表現出電感性，阻抗隨著頻率的升高而增大；當工作頻率高于諧振頻率時，電感器件表現出電容性，阻抗隨著頻率的升高而減小。因此在實際應用中，應選擇電感諧振頻率點遠高于工作頻率的電感。

圖：電感的自諧振特性

按照經驗值，電感的工作頻率一般選擇為SRF 1/10以下，此時的電感受寄生電容影響較小，電感值相對來說更精確。

Q值

Q值即電感的品質因數Quality Factor，是電感儲存功率與損耗功率之比。電感Q值的計算公式為：

其中，為電感器的感抗，為電感器的實阻抗。

在射頻電感使用中，最常見的應用是參與阻抗匹配，電感的Q值對匹配網絡的損耗有直接影響。下圖為簡單的L型匹配網絡示意圖，圖中串聯電感與并聯電容共同完成阻抗自到的變換。

圖：L型電感電容匹配網絡的阻抗變換

在匹配網絡中，一般電容的Q值較高（>200），而電感的Q值較低（約30），所以在匹配網絡損耗計算中，主要考慮電感的影響。對于上圖匹配網絡，計算傳輸中的損耗如下：

如[6]，定義網絡Q值為：

能量的有效傳輸效率為：

即網絡的損耗為：

根據上式，匹配網絡損耗與網絡Q成正比，與器件Q成反比。即在網絡變換比確定（網絡Q值一定）的情況下，器件Q值越低，網絡損耗越大。

根據上式，若將50 Ohm阻抗匹配至5 Ohm，不同Q值電感器件帶來的網絡損耗如下表。可以看到，隨著電感Q值的降低，匹配網絡的損耗逐漸增加。

圖：50 Ohm到5 Ohm變換時

不同Q值電感對應損耗的變化

電感Q值的大小取決于元件的制作工藝、制作材料等，電感的寄生電阻越大，Q值越小。下圖為村田0201和01005系列電感的Q值對比[8]。

圖：不同類型電感Q值隨頻率變化的關系

圖：不同系列電感的Q值對比

從圖中可以看出：

封裝越小，Q值越低；
隨著頻率變高，電感的Q值越高；
High Q系列比TN/TQ系列電感的Q值高；
繞線型電感的Q值較TN/TQ電感有一定優勢，但隨著器件廠家High Q技術的提升，繞線結構上的優勢已經被薄膜電感替代。

一般High Q電感價格也更高，所以電感的Q值和價格之間也是一對折中。

額定電流與DC電阻

器件廠家數據手冊中標注的額定電流一般指在室溫下通電流，逐步提升電流至產品表面溫度上升20℃的電流，超出該電流值使用時可能會導致元件破損及組件故障。

在PA等有源射頻電路中，射頻電感可用于隔離交流（Choke），將射頻信號與直流偏置和直流電源隔離，此時Choke電感將通過較大電流，對此電感的通流能力要求較高。通常的PA設計中該電感的電感值較小（約為nH量級），用基板繞線電感是首選，若布局布線受限，表貼電感的選取需要注意電感的額定電流是否滿足設計要求。