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1、LTCC 埋置电感设计原理与方法 一、LTCC 埋置电感的性能指标 表征电感性能的指标主要有三个：品质因数(Q 值)、有效电感量(Leff)、自谐振频率 (SRF)。 Q 值主要是表征电感的储能和耗能情况。常用的 Q 值定义有三种，一是从相对带宽 来定义 Q 值，二是从阻抗来定义，三是从相位来定义。在设计 LTCC 埋置电感主要是从 阻抗来定义， Q 值可由单端口网络输入阻抗的虚部与实部之比得到。电感的 Q 值跟电感的 长度、 匝数、形状、 寄生电容、 金属厚度和导电率、基板的介电常数和导电率等有直接关系。 有效电感量(Leff)是从电感的输入端口看进去总的电感量，可由输入阻抗的虚部与角频 率
2、之比得到。 自谐振频率(SRF)是由于寄生参量导致电感的输入阻抗从感性变化到容性的转折频率 点。 它决定电感的可用频率范围。 自谐振频率受到电感每匝之间的分布寄生电容耦合和电感 与接地面之间的寄生电容影响。 电感每匝之间的分布寄生电容耦合主要是跟每匝之间的距离 和基板的介电常数有关。 电感与接地面之间形成的寄生电容主要与电感的导体线宽、 匝数和 基板的介电常数有关。 二、LTCC 电感等效电路模型 无论是采用全波电磁仿真软件还是通过测试得到 LTCC 埋置电感的散射参量 （S 参量） 都需要建立等效电路模型来判别 LTCC 埋置电感的性能好坏。并且方便用于电路设计。一 般 LTCC 埋置电感的
3、等效电路模型都是采用集中参数 RLC 网络来等效，其中 R 主要是 表示电感的损耗，L主要是表示电感中磁场的变化，C 主要是表示电感中电场的变化。常 见的 LTCC 埋置电感等效电路模型有两类：模型和 T 模型。 其中模型又分为单模型和双模型。 单模型没有完全考虑到电路中的趋肤效应和邻近 效应(proximity effect)。趋肤深度与工作频率的平方根成反比。随着工作频率的升高 AC 电 流集中分布在导体表面很薄的一层中。 除了趋肤效应影响电流分布外， 邻近导线产生的磁场 会进一步影响电流的分布，使金属导线边缘产生更高的电流密度，这就是所谓邻近效应 (proximity effect)。在
4、螺旋电感的设计中邻近效应使电感的电阻升高、Q 值降低，其影响比 趋肤效应所产生的影响还要大。 单模型只能应用在低于自谐振频率的频率范围。 但很多实 际的应用中需要每个元件的宽带特性，从而要求元件的模型覆盖所需的谐波频率范围。双 模型是在单模型的基础上进行改进的一种模型， 这种模型可以应用到第一自谐振频率以上， 具有较宽的带宽。 T 模型除常见的 T 模型外，还有一种以传输线理论为基础从传输线的导纳矩阵推导出 的改进型 T 模型。该种改进型T模型的适用带宽更宽，模型中的元件值可以从实测的 S 参数中直接提取。 三、LTCC 埋置电感设计流程 针对不同用途的 LTCC 埋置电感， 在设计过程中的侧
5、重点不同， 其设计方法有很多种。 本文设计 LTCC 埋置电感的基本思路如下： 首先，根据所需电感的有效电感量、品质因数、自谐振频率和电感所占面积要求等指标 来确定 LTCC 埋置电感类型。例如:有效电感量比较小的可以选择单层平面式电感，对自谐 振频率要求比较高的电感可以选择多层螺旋式电感等。 再在三维电磁仿真软件中建立电感仿真模型，提取电感三维模型的 S 参数。根据设计 要求和所选电感类型确定电感的等效电路。例如:如果只需要对电感的窄带特性进行研究可 以选用简单的单模型，可以减少设计时间。 如果需要对电感的宽带特性进行研究，则需要 选取双模型或者改进型 T 模型。 然后根据三维电磁仿真软件中
6、提取的 S 参数，在电路仿真软件中对等效电路模型进行 拟图 4-4 LTCC 埋置电感设计流程图合，得出 等效电路中 RLC 参数。 通过所得到的 RLC 的 参数计算出所设计的 LTCC 埋置电感的 Q 值、Leff、SRF 等值。最后跟设计目标对比看 是否满足要求，如果不满足目标要求就需要对 三维电感模型进行修正和调整，使其满足设计 要求。LTCC 埋置电感设计 流程图如图所示。 四电感解析算法 内埋置电感感值大小的解析计算法是基于 Greenhouse算法提出的，是将电感分成一系 列相互连接的导线段， 再分别计算每一段导线的自感及相互间的互感， 最后将各部分求和得 到电感线圈的总电感量，
7、总电感量可以由（4-1） 、 （4-2）式表示，在式中当 i=j，Lij=Lii 为 第 i 段导线的自感；当ij，Lij=Mij 为第i、j 段导线间的互感。 其中，ia 、ja 分别为细导线段i与j的截面面积，iV、jV为其体积，0il、0jl分别 为细导线段的单位轴向向量，ijr 为两个细导线段微元 idv 和 jdv 之间的距离。矩形螺旋电 感中长度为 li 单元的自感计算如式（2-3） ，式中 w 为金属导线宽，t 为金属导线厚度。 图 4-5 中是长度分别为 j 和 m 的两条平行导线，它们间的总互感为， 二： LTCC 电感的设计与分析 电感模型参数提取 螺旋电感的电长度较大，
8、则单电感模型拓扑结构中寄生多种分布参数， 其局限性变得 更为明显；而采用双电感模型拓扑结构能够更精确地提取螺旋电感各种参数，如图 4-7 所 示。则图 2-5 所示的二端口网络导纳矩阵各参数如下： 三：LTCC 平面螺旋电感的设计与分析 下图 4-13(a)是该电感的 S11 和 S21 曲线，4.13(b)是其的有效电感值，4.13(c) 是其 Q 值。 由 S 曲线可以看出，第一自谐振频率出现在 0.88GHz 处，有效电感值和 0.5mm 线宽 电感相差很小，而 Q 值最大也出现在 0.35GHz 处，约为 120。 LTCC 平面螺旋电感版图 我们本来预计一共加工了 6 个 LTCC 电感，0.3mm 线宽和 0.5mm 线宽各 3 个。但 是由于对方单位时间的关系， 最终无法及时得到样品进行测试和分析， 所以仅将其 CAD 版 图展示如下。
