基于LCP 基板的平面螺旋电感设计与实现

刘维红,陈 元,黄 倩

(西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安 710121)

液晶高分子聚合物(Liquid Crystal Polymer,LCP)以其成型温度低、介电损耗小、适用频率范围大、强度高和可弯曲等诸多优点[1],成为射频毫米波通信系统制造的关键材料。电感作为电子系统中重要的元器件,在电路中通常发挥着储能、滤波和阻抗匹配等重要作用。为了适应电子系统小型化需求,平面螺旋电感被广泛应用于低噪声放大器、滤波器和压控振荡器设计中[2-4]。因此,基于LCP 材料基板进行平面螺旋电感的相关设计研究具有重要的工程意义。

目前,国内外研究者们在平面螺旋电感设计研究方面取得了诸多成果。文献[5]基于低成本塑料基体制作柔性平面螺旋电感,电感有效值为6.2 nH,电感品质因数最大值Qmax为14.2,而且电感自谐振频率达到9.2 GHz。文献[6]采用垂直集成喷墨印刷技术,基于柔性LCP 基板制作了10 nH 和25 nH 的平面螺旋电感,该电感在1 GHz 处品质因数可达到20。文献[7]通过在平面螺旋电感线圈周围配置参考地,研究“参考地” 对电感有效值和Q值的影响规律,从而实现射频集成电路中平面螺旋电感的优化设计。综上所述,如何提高平面螺旋电感的有效值、Q值和自谐振频率是目前的研究焦点。因此设计出具有大感值、更高Q值、更高自谐振频率的平面螺旋电感具有重要研究意义。

本文采用100 μm 厚度的双面覆铜LCP 基板设计制作了一系列平面螺旋电感,分别研究了线圈匝数、形状和线宽对平面螺旋电感有效感值及Q值的影响规律。为了进一步提高平面螺旋电感的电感有效值和Q值,通过在平面螺旋电感接地面引入缺陷地结构,减小了接地面对电感磁通量的束缚,从而在电感线圈尺寸不变时,极大提升了电感有效值和Q值,为后续高性能电感设计提供了设计依据。

1 平面螺旋电感等效模型分析

为了后续进行平面螺旋电感有效感值以及Q值分析,本文借鉴片上射频集成平面螺旋电感等效电路模型,对其进行合理优化,推广到LCP 基板的平面螺旋电感等效电路模型分析。图1 给出了一端接地的片上射频集成平面螺旋电感等效电路模型[8],其中,Rs为等效串联电阻,表示电感元件的能量损耗,Ls为电感有效值,Cs为电感层与终端引出层之间的电容,CSi为硅衬底寄生电容,RSi为硅衬底寄生电阻,表示硅衬底能量损耗,Cox为电感线圈与衬底之间的氧化物电容[9]。

由于LCP 为绝缘体,对应的衬底寄生电阻为无穷大,因此图1 中硅衬底寄生电阻RSi和寄生电容CSi不再适用,故考虑将其省略,而电感线圈与衬底之间的氧化物电容Cox则对应LCP 基板电感的对地寄生电容C1,Rs为等效串联电阻,表示电感元件的能量损耗,Ls为电感的有效电感值,Cs为电感金属线圈之间的耦合电容,最终优化后的等效电路结构如图2 所示。

图1 平面螺旋电感等效电路模型[8]Fig.1 Equivalent circuit model of the planar spiral inductor[8]

图2 简化的平面螺旋电感等效电路模型Fig.2 Simplified equivalent circuit model of the planar spiral inductor

采用微波网络参数导纳公式可以计算出等效电路中各个集总参量的数值[10],计算公式如下:

式中:Y11(ω)为导纳;ω为角频率;ωPRF是Ls与Cs构成的并联谐振单元的谐振角频率;ε0为真空介电常数;εr为介质的相对介电常数;S为电感线圈的面积;d为电感线圈到接地面的距离。

为了验证平面螺旋电感等效电路模型的准确性,在ADS 软件中对该模型仿真结果与电感实测数据进行了数据拟合。在模型拟合过程中,首先在ADS 中建立集总参数等效电路模型,并对该模型中的各个集总参量进行提取[11-12],具体参数值如表1 所示,然后将电感测试数据导入ADS 软件进行数据拟合,图3 为电感等效电路模型仿真结果与测试数据拟合曲线,由曲线可以看出,模型仿真结果与测试数据良好吻合,证明该模型可以准确表征平面螺旋电感的特性,并为LCP基板上的平面螺旋电感的设计与应用提供指导依据。

表1 平面螺旋电感等效电路模型的参数Tab.1 Parameters of an equivalent circuit model of the planar spiral inductor

图3 电感等效电路模型仿真结果与测试数据拟合曲线Fig.3 Simulation results and measured data fitting curves of an equivalent circuit model for planar spiral inductor

2 平面螺旋电感制作与测试

本文选用松下R-F705S 型双面覆铜LCP 基板作为加工基材,其相对介电常数为2.9,损耗角正切tanδ为0.0025[13],基板整体厚度为136 μm,其中LCP 介质厚度为100 μm,上下铜层厚度均为18 μm。采用LCP 基板制作了一系列平面螺旋电感,并通过矢量网络分析仪(R&S ZVA50) 和射频探针台(Cascade EPS150RF)对其进行实物性能测试。将平面螺旋电感实测数据导入ADS 软件,通过公式(1)和公式(2)计算并导出电感有效值和电感Q值变化曲线。

2.1 线圈匝数变化对电感特性影响

为了研究金属线圈匝数变化对电感有效值和品质因数Q值的影响规律,基于LCP 基板制作了三款不同匝数的正方形平面螺旋电感如图4 所示,其中,平面螺旋电感线宽固定为0.2 mm,金属通孔的直径大小为0.15 mm,线圈匝数N分别设置为3,4,5 圈。

图4 不同匝数的正方形平面螺旋电感Fig.4 The square planar spiral inductor with different number of turns

图5 为不同匝数正方形电感有效值的变化曲线,可以看出,电感线圈匝数为3,4,5 圈的自谐振频率分别为2.1,1.3,0.87 GHz,在0.3 GHz 时电感有效值分别为6.5,11.1,17.9 nH,随着线圈匝数增加,电感线长度增加,电感有效值增大,电感自谐振频率减小。

图5 不同匝数的正方形电感有效值变化曲线Fig.5 Variation curves of the effective value of inductance for square inductor with different number of turns

图6 为不同匝数正方形电感的Q值变化曲线,可以看出,电感线圈匝数N分别为3,4,5 圈时,在0.3 GHz 处电感Q值分别为15.5,15.9,16.9,电感品质因数最大值Qmax分别为34.3,21.7,18.6。随着线圈匝数增加,低频率时电感Q值增大,而电感品质因数最大值Qmax减小。

图6 不同匝数正方形电感的Q 值变化曲线Fig.6 Variation curves of Q value of square inductor with different number of turns

2.2 线宽变化对电感特性影响

为了研究金属线宽变化对电感有效值和品质因数Q值的影响规律,基于LCP 基板制作了三款不同金属线宽的正方形平面螺旋电感如图7 所示,其中正方形平面螺旋电感的线圈匝数固定为5 圈,金属通孔的直径大小为0.15 mm,金属线圈宽度w分别设置为0.15,0.2,0.25 mm。

图7 不同金属线宽的正方形平面螺旋电感Fig.7 The square planar spiral inductor with different metal wire widths

图8 为不同金属线宽正方形电感有效值的变化曲线,可以看出,电感线宽为0.15,0.2,0.25 mm 的自谐振频率都在0.8 GHz,在0.3 GHz 处电感数值分别为21.7,18.9,17.2 nH。随着金属线宽增加,电感线间距减小,电感有效值减小,自谐振频率保持不变。

图8 不同金属线宽正方形电感有效值的变化曲线Fig.8 Variation curves of the effective value of square inductance with different metal wire widths

图9 为不同金属线宽正方形电感的Q值变化曲线,可以看出,电感线宽分别为0.15,0.2,0.25 mm时,在0.3 GHz 处电感Q值分别为12.9,16.7,18.8,电感品质因数最大值Qmax分别为16.2,18.9,20.8。随着金属线宽增加,电感品质因数Q值增大,电感品质因数最大值Qmax增大。

图9 不同金属线宽正方形电感的Q 值变化曲线Fig.9 Variation curves of Q value of square inductors with different metal wire widths

2.3 线圈形状变化对电感特性影响

为了研究线圈形状变化对电感有效值和Q值的影响,基于LCP 基板制作了三款不同形状的平面螺旋电感如图10 所示,其中电感线圈匝数固定为5 圈,金属线宽为0.2 mm,金属通孔的直径大小为0.15 mm,线圈形状分别设置为正方形、六边形和八边形。

图10 不同形状的平面螺旋电感Fig.10 The planar spiral inductor with different geometries

图11 为不同形状电感有效值的变化曲线,可以看出,电感线圈形状为正方形、六边形和八边形的自谐振频率分别为0.85,0.81,0.61 GHz,在0.3 GHz 处电感有效值分别为17.9,20.4,28.6 nH。随着电感线圈形状边数增加,自谐振频率减小,电感有效值增大。

图11 不同形状电感有效值的变化曲线Fig.11 Variation curves of the effective value of inductance with different geometry

图12 为不同形状平面螺旋电感的Q值变化曲线,可以看出,电感线圈形状为正方形、六边形和八边形时,在0.3 GHz 处电感Q值分别为16.8,16,13.6,电感品质因数最大值Qmax分别为18.6,18,14.1,随着电感线圈形状边数增加,电感Q值减小,电感品质因数最大值Qmax减小。

图12 不同形状电感的Q 值变化曲线Fig.12 Variation curves of Q value of inductors with different geometries

2.4 缺陷地结构对电感特性影响

根据上述测试结果分析,改变电感的物理结构尺寸能够对自身性能产生影响,无论电感的物理尺寸如何变化,其本质是改变电感的磁通量,进而改变电感的有效值[14]。而考虑到接地面对电感磁通量的束缚以及射频电路中接地面的重要作用,本文在接地面上引入缺陷地结构来增加电感磁通量,从而提升电感性能。

正方形平面螺旋电感缺陷地结构如图13 所示,表2 为相关结构尺寸。通过仿真分析,当缺陷地结构外侧边框与电感最外圈间距D为1 mm,且结构中间保留的接地面部分宽度w2为0.6 mm 时,电感品质因数最佳。

图13 正方形平面螺旋电感缺陷地结构图Fig.13 Geometrical structure of the square planar spiral inductor with defective ground structures

表2 缺陷地结构正方形电感相关结构尺寸Tab.2 Structural parameters of the square inductor with defective ground structures

图14 为基于LCP 基板制作的三款带有缺陷地结构不同线圈形状平面螺旋电感,其中线圈匝数固定为5 圈,金属线宽为0.2 mm,通孔直径大小为0.15 mm,线圈形状分别设置为正方形、六边形和八边形。

图14 带有缺陷地结构的不同形状平面螺旋电感Fig.14 The planar spiral inductors with defective ground structures

图15 为具有缺陷地结构的不同形状电感有效值变化曲线,可以看出,引入缺陷地结构后,电感线圈形状为正方形、六边形和八边形的自谐振频率分别为0.82,0.74,0.54 GHz,在0.3 GHz 处电感数值分别为68.7,88.3,143.6 nH。随着电感线圈形状边数增加,自谐振频率减小,电感有效值增大。

图15 具有缺陷地结构的不同形状电感有效值变化曲线Fig.15 Variation curves of the effective value of inductance with different geometry and defective ground structures

图16 为具有缺陷地结构不同形状电感的Q值变化曲线,可以看出,电感线圈形状为正方形、六边形和八边形时,在0.3 GHz 处电感Q值分别为23.9,37.5,40.2,电感品质因数最大值Qmax分别为42.5,40.7,52.5。相较于无缺陷地结构,电感Q值和Qmax值均有较大提升。

图16 具有缺陷地结构不同形状电感的Q 值变化曲线Fig.16 Variation curves of Q value of inductors with different geometry and defective ground structures

表3 列出了本文制作的缺陷地结构平面螺旋电感与一些已发表文献中制作的电感在线圈匝数N、形状、电感有效值Ls和品质因数最大值Qmax方面的参数对比。结果表明,本文通过缺陷地结构的引入极大提升了平面螺旋电感性能,缺陷地结构电感设计更能适应器件小型化、高性能发展需求。

表3 与其他文献制作平面螺旋电感特性参数对比Tab.3 Comparison of characteristic parameters of inductors with other literatures

3 结论

本文基于100 μm 双面覆铜LCP 基板设计制作了一系列平面螺旋电感,系统研究了改变电感线圈匝数、金属线宽和线圈形状以及在电感接地面引入缺陷地结构对电感的有效电感值、品质因数和自谐振频率的影响规律。实物测试结果表明,增加电感线圈匝数,电感有效值增大,品质因数和自谐振频率有一定的减小;增加金属线宽,电感品质因数增大,电感有效值和自谐振频率减小;改变线圈形状从正方形到六边形再到八边形,电感有效值增大,品质因数和自谐振频率减小;在电感接地面引入缺陷地结构后,电感在物理结构尺寸不变的情况下,电感有效值和品质因数都得到了极大的提升,而自谐振频率能够基本保持不变。因此,在平面螺旋电感设计中通过在接地面引入缺陷地结构来达到小型化、高性能要求是具有重要意义的。