一種平面微帶電感線圈及其製作方法

2023-09-16 06:59:40 1

專利名稱：一種平面微帶電感線圈及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電感線圈，特別涉及一種設置在PCB板上的平面微帶電感線圈及其製作方法。

背景技術：
目前，當需要使用低值精確電感時，行業通行的做法主要是一.使用標稱值最接近當前需求值的電感半導體晶片；二是使用蝕刻在印刷線路板上的蛇形微帶線來實現微電感。上述第一種方案的首要缺點是是成本偏高，同時需要消耗多量的原材料。微值電感作為射頻信號電路設計中最主要元件，使用相當廣泛且用量很大。如果都使用電感晶片，產品成本會相當高昂並消耗大量半導體原材料。其次是由於固化在半導體晶片中的電感感值都是確定的，也就是說，不能根據實際工程技術提供感值完全符合實際需求的電感，而只能選擇使用感值最接近的替代。如果在設計中反覆使用近似感值的電感晶片，會造成產品最終技術參數指標大大偏離原先設計且很難調試。採用上述第二種方案成本被大大降低了，但是隨之帶來的問題是佔用線路板的面積過大。通常設計的微值電感需要繞比較長的微帶線，如果使用蛇形線，勢必設計的蛇形線會比較長。在目前電子產品設計越來越緊湊的今天，如果僅僅就一個電感的設計就需要佔用PCB板上超過一顆單片機晶片的面積，就其設計的經濟性、產品的美觀性而言顯然是不能被接受的。同時由於蛇形線的設計方式，射頻信號在蛇形線中上下兩層的信號流向正好相反，當射頻信號在微帶線中流動時，會產生比較大的互感效應，造成微帶線的電感設計值與實際值出現較大背離，造成嚴重調試困難。


發明內容
本發明的目的是克服現有技術的缺陷，提供一種佔用面積小、製作成本低、電感值精確的蝕刻在印刷線路板上的平面微帶電感線圈，以及這種電感線圈的製作方法。
實現上述發明目的的技術方案是一種平面微帶電感線圈，包括印刷電路板和敷銅帶，所述平面微帶電感線圈為敷銅帶環繞成若干圈圓形平面螺旋線形狀附在印刷電路板上。
本發明通過將微值電感設計成螺旋線圈的方式蝕刻在PCB線路板上，以非常小的設計面積，達到高效微帶電感的功能，同時由於螺旋線的環形原理，射頻信號在流動時的互感效應被大大降低了。並且螺旋式微帶電感是蝕刻在PCB板上的敷銅帶，在實際生產中幾乎沒有增加成本並避免了原材料的大量消耗，是一種低成本、高效率和精確的微帶電感。
本發明的平面微帶電感線圈的製作方法包括下列步驟 (1)對於需要的微帶線的特徵阻抗值Z0，選擇PCB板材，確定PCB板的介電常數εr，按照公式 得出係數A的值， 根據 得到微帶線特徵阻抗圖確定近似的

比值， 根據 得到有效介電常數εeff； 其中，w是微帶線的寬度，h是PCB基片厚度，εr是PCB板的介電常數，t是銅箔厚度，是在自由空間的波阻抗； (2)根據 獲得

的比值，進而求出敷銅帶的寬度w； (3)根據獲得的有效介電常數εeff計算出帶狀線的相速度vp和波長λ；其中 c是光速，f是工作頻率； (4)在計算機中確定某個特定的相鄰敷銅帶的間距後將此敷銅帶拉長並繞圈，得到一個長度與寬度不變的基準螺旋形敷銅線圈； (5)將此螺旋敷銅線圈蝕刻於的PCB板上，通過實際測量得到其真實的特徵阻抗和其感值； (6)根據上一步驟得到的特徵阻抗倒推並修正近似計算公式和得到所選PCB板材的螺旋形微帶線圈的精確感值和特徵阻抗的基準計算公式SNC*，並根據公式SNC*重新計算出敷銅帶的寬度w和波長λ； (7)將螺旋形微帶線圈直接通過計算機軟體布於所選PCB板上，蝕刻出來。
作為本發明的進一步改進，步驟(6)中進一步包括下列步驟將射頻電路設計中常用感值的大部分電感根據公式SNC*蝕刻成PCB板上的螺旋形微帶線圈，通過歸納法驗證SNC*的準確性並做進一步修正。
對於本發明的方法說明如下我們假定已成形的線路導體的厚度t與基片的厚度h相比可以忽略(t/h＜0.005)，在這種情況下，我們能夠利用只與線路尺寸(w和h)和介電常數εr有關的經驗公式。對於我們使用的窄的帶狀線w/h＜1，我們得到特徵阻抗 其中是在自由空間的波阻抗，εeff是由下式給出的有效介電常數 上面公式給出的特徵阻抗只是近似值，而且在整個

範圍內不是連續的函數。圖2和圖3給出了用前面的表達式計算的特徵阻抗和有效介電常數。圖中Z0和εeff描繪成

和εr的函數，

和εr的參量選擇在典型的實際相關電路值的範圍內。
在前面的公式中，有效介電常數是看作為充滿線路周圍空間均勻介質的介電常數，均勻介質替代了介質基片和周圍的空氣。用有效介電常數可以計算帶狀線的相速度並導出波長的表示式 其中，c是光速，f是工作頻率。基於設計的目的，可以根據給定的特徵阻抗Z0和基片的介電常數εr計算

的比值。假定線路導體無限薄，可以得到以下 其中，係數A為 通過上述介紹的方法，我們可以得出需要達到某個數值的特徵阻抗的敷銅帶的寬度和長度λ(單位mil)。我們在計算機中確定某個特定的相鄰敷銅帶的間距後將此敷銅帶拉長並繞圈，得到一個長度與寬度不變的基準螺旋形敷銅線圈。我們將此螺旋敷銅線圈蝕刻於的PCB板上，通過實際測量得到其真實的特徵阻抗和其感值。進而倒推並修正上文提到的近似計算公式(a)和(b)，得到了基於所選PCB板材的螺旋形微帶線圈的精確感值和特徵阻抗的基準計算公式SNC*。然後，我們將射頻電路設計中常用感值的大部分電感根據公式SNC*蝕刻成PCB板上的螺旋形微帶線圈，通過歸納法驗證SNC*的準確性並做進一步修正。而後利用計算機上的PROTEL99軟體，建立已知基於所選PCB板上的螺旋形微帶線圈的感值庫，便於在日後產品設計中隨時使用。至此，我們得到了射頻電路設計中基於所選PCB板材的螺旋形微帶線圈的特徵感值庫和對應的計算公式。將感值符合需要的螺旋形微帶線圈直接通過計算機PROTELL99布於所選PCB板上，由PCB洗板公司直接蝕刻出來，便得到了符合需要的平面微帶電感線圈。



圖1是本發明中敷銅帶和印刷電路板的參數表示圖 圖2是本發明中微帶線特性阻抗與w/h的關係圖 圖3是本發明中不同介電常數的有效介電常數與w/h的關係圖 圖4是本發明實施例中平面微帶電感線圈的結構示意圖
具體實施例方式 下面結合具體實施例做進一步說明。
實施例1 一個實際的射頻電路需要具有50Ω的特徵阻抗，選用的PCB板材為低成本的FR-4型，敷銅帶2和印刷電路板3的尺寸參數表示如圖1所示，印刷電路板3的相對介電常數εr為4.6，厚度t為40mil，敷銅帶2的寬度為w。我們需要得到敷銅帶的寬度w，相速度vp和在2GHz時的波長λ的值。具體方法如下 根據微帶線特徵阻抗圖(圖2)確定近似的

比值選擇對應於εr＝4.6的曲線，找出Z0＝50Ω，

的近似值為1.9。由此我們可以導出 將結果帶入，可得 有效介電常數 由此我們可以獲得

的比值，進而求出敷銅帶的寬度w＝73.9mil， 根據 得到微帶線的相速度為1.61×108m/s以及在2GHz的有效波長為80.67mm。嚴格來說，上述算法僅僅是對於集中在無限長的單個敷銅帶。事實上，在實際應用中可以進一步通過RF/MW計算機輔助設計程序中計算出相鄰和彎曲有限長度的敷銅帶的實際情況。
我們在計算機中確定某個特定的相鄰敷銅帶的間距後將此敷銅帶拉長並繞圈，得到一個長度與寬度不變的基準螺旋形敷銅線圈，將此螺旋敷銅線圈蝕刻於FR-4的PCB板上，通過實際測量得到其真實的特徵阻抗和其感值。
根據上一步驟得到的特徵阻抗倒推並修正上文提到的近似計算公式(a)和(b)，再得到基於FR-4PCB板材的螺旋形微帶線圈的精確感值和特徵阻抗的基準計算公式SNC* 將射頻電路設計中常用感值的大部分電感根據公式SNC*蝕刻成FR-4型PCB板上的螺旋形微帶線圈，通過歸納法驗證SNC*的準確性並做進一步修正。
利用計算機上的PROTEL99軟體，建立已知基於FR-4 PCB板上的螺旋形微帶線圈的感值庫，便於在日後產品設計中隨時使用。至此，我們得到了射頻電路設計中基於FR-4型PCB板材的螺旋形微帶線圈的特徵感值庫和對應的計算公式。在產品的實際設計中，我們將感值符合需要的螺旋形微帶線圈直接通過計算機PROTELL99布於FR-4型PCB板上，由PCB洗板公司直接蝕刻出來，便得到了符合需要的平面微帶電感線圈如圖4所示，平面微帶電感線圈1由環繞成若干圈的圓形平面螺旋線敷銅帶2蝕刻在印刷電路板3構成。在FR-4 PCB印刷線路板上得微帶螺旋線圈參數取決於不同的線寬、線距、長度和繞圈方式。微帶螺旋電感在PROTEL99軟體中的繞圈方式 1、打開Protel 99SE軟體，新建一個庫文件L.LIB； 2、雙擊L.LIB進入庫文件編輯界面； 3、點擊菜單欄Place下拉菜單中Arc(Any Angle)命令，開始畫半圓弧，大弧的終點是相應小弧的起點； 4、雙擊半圓弧，可以編輯弧的相關特性，如線寬、半徑、起始角度等； 5、根據仿真軟體計算出的線寬、圈數、間隙等來編輯半圓弧的特性，切記所有半圓弧的圓心都是在同一條直線上，依次類推，便可以畫出所需要的螺旋形狀。
在設計射頻數字式可調全頻段可編程濾波放大器NTP8510/NTP8610時，會用到上百個具有特定特徵阻抗的電感，我們利用了螺旋形微帶線圈來實現，成本低，線圈佔用面積小。對於感值在我們建立的特徵感值庫中的，我們可以直接拿來通過計算機PROTELL99布在虛擬PCB上，對於那些感值不在庫中的，我們通過基準計算公式SNC*倒推出此電感基於基準螺旋形微帶電感的繞線圈數，而後同樣布於另外的實驗板上並測試其真實值，然後驗證並反覆修正得到需要的微帶線圈，爾後放入特徵感值庫供以後參考。同時用於產品電路設計。反覆上述試驗設計步驟得到設計完成的基於計算機PROTELL99軟體的射頻電子線路板，交由PCB洗板公司蝕刻出來，得到最終產品的FR-4型的PCB線路板。
權利要求
1、一種平面微帶電感線圈，包括印刷電路板和敷銅帶，其特徵是，所述平面微帶電感線圈為敷銅帶環繞成若干圈圓形的平面螺旋線形狀附在印刷電路板上。
2、一種平面微帶電感線圈的製作方法，其特徵是，作方法包括下列步驟
(1)對於需要的微帶線的特徵阻抗值Z0，選擇PCB板材，確定PCB板的介電常數εr，按照公式
得出係數A的值，
根據
得到微帶線特徵阻抗圖確定近似的
比值，
根據
得到有效介電常數εeff；
其中，w是微帶線的寬度，h是PCB基片厚度，εr是PCB板的介電常數，t是銅箔厚度，是在自由空間的波阻抗；
(2)根據獲得的
比值，進而求出敷銅帶的寬度w；
(3)根據獲得的有效介電常數εeff計算出帶狀線的相速度vp和波長λ；其中
c是光速，f是工作頻率；
(4)在計算機中確定某個特定的相鄰敷銅帶的間距後將此敷銅帶拉長並繞圈，得到一個長度與寬度不變的基準螺旋形敷銅線圈；
(5)將此螺旋敷銅線圈蝕刻於的PCB板上，通過實際測量得到其真實的特徵阻抗和其感值；
(6)根據上一步驟得到的特徵阻抗倒推並修正近似計算公式和得到所選PCB板材的螺旋形微帶線圈的精確感值的特徵阻抗的基準計算公式SNC*，並根據公式SNC*重新得出敷銅帶的寬度w和波長λ；
(7)將螺旋形微帶線圈直接通過計算機軟體布於所選PCB板上，蝕刻出來。
3、根據權利要求2所述的平面微帶電感線圈，其特徵是，所述步驟(6)中進一步包括下列步驟將射頻電路設計中常用感值的大部分電感根據公式SNC*蝕刻成PCB板上的螺旋形微帶線圈，通過歸納法驗證SNC*的準確性並做進一步修正。
4、根據權利要求2所述的平面微帶電感線圈，其特徵是，所述PCB板為FR-4型PCB板。
5、根據權利要求2所述的平面微帶電感線圈，其特徵是，所述(7)中的計算機軟體為PROTELL99。
6、根據權利要求2所述的平面微帶電感線圈，其特徵是，所述(7)中螺旋形微帶線圈的布圖方法包括螺旋線圈由若干半圓弧組成，大弧的終點是相應小弧的起點，所有半圓弧的圓心都是在同一條直線上。
7、根據權利要求4所述的平面微帶電感線圈，其特徵是，所述螺旋形微帶線圈的精確感值的特徵阻抗的基準計算公式SNC*為
全文摘要
本發明涉及一種平面微帶電感線圈及其製作方法，目的是提供一種佔用面積小、製作成本低、電感值精確的平面微帶電感線圈及製作方法。一種平面微帶電感線圈，包括印刷電路板和敷銅帶，所述平面微帶電感線圈為敷銅帶環繞成若干圈圓形平面螺旋線形狀附在印刷電路板上。製作方法包括對於需要的微帶線的特徵阻抗值Z0，選擇PCB板材，確定介電常數εr，計算出帶狀線的相速度vp和波長λ；在計算機中確定基準螺旋形敷銅線圈，並蝕刻於的PCB板上，測量其真實的特徵阻抗和感值；從特徵阻抗倒推並修正，得到精確感值和特徵阻抗的基準計算公式，根據公式重新計算出敷銅帶的寬度w和波長λ；將螺旋形微帶線圈布於所選PCB板上，蝕刻出來。
文檔編號H05K1/16GK101593612SQ20091002924
公開日2009年12月2日 申請日期2009年4月3日 優先權日2009年4月3日
發明者超 陳 申請人:江蘇蘇美達機電有限公司