射频贴片电感如何选型及使用方法

在射频电路中，电感是一种非常重要的无源设备，可以在射频电路中实现匹配、滤波、谐振和除耦。下图显示了阻抗匹配、谐振负载、串联负反馈和滤波电路的四个典型应用[图1]:

在手机应用中，目前蜂窝移动通信设备的工作频率一般在6GHz以下。该频段常用的电感类型包括基板绕线电感、键合电感和贴片电感设备。

1、基板绕线电感是通过基板Layout走线形成的。这种电感的缺点是基板面积大，不适合设计大型电感。一般基板绕线感应范围在5nH以下；

2、键合线电感是利用芯片封装时的键合线形成电感。这种电感的质量因数很高(可达50甚至更高)，但电感值相对较小，一般在1nH以下，电感量受键合线精度影响，难以精确控制。经验上，1毫米长键合线的感值简单估计为0.6nH；

3、贴片电感器件是将电感器件(SurfaceMountedDevices,SMD)用引脚直接焊接到PCB上，这种电感器件使用方便，感值范围大，在标准尺寸下有不同感值、Q值和DC电阻值的设备可供选择，在射频系统中应用广泛。下图显示了射频前端模块PAMiD和手机PCBA中使用的电感器件[图2]，图中所有带有蓝色电感器件的电感器件。

在射频电路中，一旦使用了电感，就是显著影响射频性能的重要位置。然而，贴纸设备的性能参数与包装和工艺密切相关，电感的Q值也大不相同(10~40)。因此，有必要对贴纸电感元件的特性有深入的了解，以确保其正常使用。

本文首先介绍了射频贴片电感的分类和特点，然后结合电感的典型应用，介绍了射频贴片电感选择中需要考虑的主要因素。

射频贴片电感的分类及特点

根据工艺方法的不同，射频贴片电感可分为多层型、薄膜型和绕线型三类[图3]，其特点和构成方法如下：

从应用的角度来看，射频电感的选择主要考虑以下因素：

• 尺寸选择
• 电感量
• 自谐振频率
• Q值
• 额定电流
• DDC电阻

射频贴片电感尺寸对照表

贴片电感有标准的尺寸和包装形式，以确保在使用中可以灵活选择和使用。对于无源设备，常用的标称名称与尺寸之间的对照关系如下表所示。

值得注意的是，日常使用中的“0201”和“01005”名称都是以inch为单位的EIA名(ElectronicIndustriesAlliance电子工业协会)，而不是以公制为单位的IEC名称(InternationalElectricalCommission，国际电工委员会)。

对电感器件而言，一般尺寸越小，成本越高，Q值越低。在电感性能和尺寸之间是一对折中。

射频贴片电感电感量

电感量是电感器的主要参数，也是射频工程师选择的主要参数。工程师将通过模拟和在板上验证来确认最终的电感值。电感制造商通常会在E系列优先数系列(Eseriesofpreferrednumbers)下提供离散值[4]，感应值从小到大呈指数关系。在使用过程中，需要根据需要选择相近的合理感应电感。

在选择过程中，除了关注感应值之外，还需要关注电感的容差值。电感的容差值在数据手册中有标称，常见规格如下:

1、L≤4.2nH，电感容差±0.1nH或±0.2nH；

2、L>4.2nH，电感容差±3%或±5%。

需要注意的是，不同厂家的电感实现不同的技术方法，导致即使电感相同，电感的容差也可能不同，不能直接更换，更换后需要实际测试和验证。

射频贴片电感自谐振频率

在实际电感的使用中，寄生电容和本征电感会因寄生电容的存在而产生自谐振。自谐振频率称为自谐振频率(Self-ResonantFrequency,SRF)。实际电感的等效电路如下图所示，分别使用和表示寄生电容和电阻，计算电感自谐振频率的公式如下：

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，阻抗随着频率的增加而增加；当工作频率高于谐振频率时，电感器件表现出电容性，阻抗随着频率的增加而降低。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。

根据经验值，电感的工作频率一般在SRF1/10以下。此时电感寄生电容的影响较小，电感值相对准确。

射频贴片电感Q值

Q值即电感的质量因数QualityFactor，是电感储存功率与损耗功率之比。电感Q值的计算公式如下：

其中，是电感器的感抗，是电感器的实际阻抗。在射频电感的使用中，最常见的应用是参与阻抗匹配，电感的Q值直接影响匹配网络的损耗。下图为简单的L型匹配网络示意图，图中串联电感和并联电容一起完成阻抗自到变换。

在匹配网络中，一般电容器的Q值较高(>200)，而电感器的Q值较低(约30)，因此在匹配网络损耗的计算中，主要考虑电感器的影响。对于上图匹配网络，计算传输过程中的损失。

根据上面的公式，匹配的网络损耗与网络Q成正比，与设备Q成反比。也就是说，当网络变换比确定(网络Q值确定)时，设备Q值越低，网络损耗越大。

根据上面的公式，如果50Ohm阻抗匹配到5Ohm，不同Q值电感设备带来的网络损失如下表所示。可以看出，随着电感Q值的降低，匹配网络的损失逐渐增加。

射频贴片电感Q值电感对应损耗的变化不同

电感Q值取决于组件的制造工艺和材料。电感的寄生电阻越大，Q值越小。下图是村田0201和01005系列电感的Q值对比。

1、包装越小，Q值越低；

2、电感Q值随频率增加而增加；

3、HighQ系列的Q值高于TN/TQ系列电感；

4、与TN/TQ电感相比，绕线电感的Q值具有一定的优势，但是随着设备制造商HighQ技术的提高，绕线结构的优势已被薄膜电感所取代。

5、一般而言，HighQ电感的价格也比较高，因此电感的Q值和价格也是一对折中。

射频贴片电感额定电流和DC电阻

设备制造商数据手册中标注的额定电流一般是指在室温下通电流，逐渐将电流提高到产品表面温度上升20℃的电流，在使用超过电流值时可能导致零件损坏和零件故障。

在PA等有源射频电路中，射频电感可以用来隔离交流(Choke)，将射频信号与DC偏置和DC电源隔离。此时，Choke电感会通过更大的电流，这就需要更高的电感通流能力。在普通PA设计中，电感的电感值较小(约为nH量级)，基板绕线电感是首选。如果布局布线有限，在选择贴片电感时，要注意电感的额定电流是否符合设计要求。

DCR(DCResistance)DC电阻与电感器件的额定电流大小成反比，DCR越高，额定电流越小。DCR是指在没有交流信号的情况下测得的电阻[10]，主要由内部电极的电阻决定，电阻的计算公式，其中电阻材料的电阻率为电阻长度，S为电阻截面积。对比了村田不同系列4.7nH电感的额定电流和DCR值：

• DCR越大，额定电流越小；
• HighQ电感的额定电流大于TN/TQ电感；
• 大型电感具有更大的额定电流和更小的DCR。
• 在实际选型中，额定电流应该是电路中最大输出电流的1.3倍以上，需要保留一定的余量来减少。
• 在电感极性上贴射频表。
• 在使用贴片电感时，必须考虑极性(Polarity)。
• 与贴片电容不同，大多数贴片电感都有可识别的方向标记。下图为村田电感数据手册中贴片电感方向的标记。

在使用中，必须严格按照电感的方向进行安装。不同的电感方向会导致不同的感值。下图显示了村田将电感放置在八个不同的方向，以测试电感值的变化。可以看出，不同方向放置时，感值有5%的变化[9]。

造成感值变化的主要原因有两个。改变线圈磁场方向。一般来说，电感是通过绕线线圈来实现的，电感是通过线圈产生的磁场来储存能量的。不同的线圈放置方向导致线圈产生的磁场发生变化，从而改变感值。下图显示了磁场变化的示意图，当电感放置在不同的方向。

此外，需要注意的是，电感产生的磁场变化不仅会影响自身电感的变化，还会影响周围设备的电感变化。因此，在使用过程中，应注意电感设备与其他设备的距离，并严格定义电感的放置方向。

射频贴片电感电感器的不对称特性

由于贴片电感是通过绕线实现的，所以不可能在物理上完全对称。这种不对称特性导致电感器件在某些寄生参数上不易互换。如下图所示，电感在A点和B点有不同的寄生电容，导致电感器件无法左右交换，极性必须在使用中规定。

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