專利名稱：一種平面微帶電感線圈及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電感線圈，特別涉及一種設(shè)置在PCB板上的平面微帶電感線圈及其制作方法。

背景技術(shù)：
目前，當(dāng)需要使用低值精確電感時(shí)，行業(yè)通行的做法主要是一.使用標(biāo)稱值最接近當(dāng)前需求值的電感半導(dǎo)體芯片；二是使用蝕刻在印刷線路板上的蛇形微帶線來實(shí)現(xiàn)微電感。上述第一種方案的首要缺點(diǎn)是是成本偏高，同時(shí)需要消耗多量的原材料。微值電感作為射頻信號(hào)電路設(shè)計(jì)中最主要元件，使用相當(dāng)廣泛且用量很大。如果都使用電感芯片，產(chǎn)品成本會(huì)相當(dāng)高昂并消耗大量半導(dǎo)體原材料。其次是由于固化在半導(dǎo)體芯片中的電感感值都是確定的，也就是說，不能根據(jù)實(shí)際工程技術(shù)提供感值完全符合實(shí)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(shè)計(jì)中反復(fù)使用近似感值的電感芯片，會(huì)造成產(chǎn)品最終技術(shù)參數(shù)指標(biāo)大大偏離原先設(shè)計(jì)且很難調(diào)試。采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占用線路板的面積過大。通常設(shè)計(jì)的微值電感需要繞比較長(zhǎng)的微帶線，如果使用蛇形線，勢(shì)必設(shè)計(jì)的蛇形線會(huì)比較長(zhǎng)。在目前電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來越緊湊的今天，如果僅僅就一個(gè)電感的設(shè)計(jì)就需要占用PCB板上超過一顆單片機(jī)芯片的面積，就其設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、產(chǎn)品的美觀性而言顯然是不能被接受的。同時(shí)由于蛇形線的設(shè)計(jì)方式，射頻信號(hào)在蛇形線中上下兩層的信號(hào)流向正好相反，當(dāng)射頻信號(hào)在微帶線中流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較大的互感效應(yīng)，造成微帶線的電感設(shè)計(jì)值與實(shí)際值出現(xiàn)較大背離，造成嚴(yán)重調(diào)試?yán)щy。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種占用面積小、制作成本低、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制作方法。
實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)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(huán)繞成若干圈圓形平面螺旋線形狀附在印刷電路板上。
本發(fā)明通過將微值電感設(shè)計(jì)成螺旋線圈的方式蝕刻在PCB線路板上，以非常小的設(shè)計(jì)面積，達(dá)到高效微帶電感的功能，同時(shí)由于螺旋線的環(huán)形原理，射頻信號(hào)在流動(dòng)時(shí)的互感效應(yīng)被大大降低了。并且螺旋式微帶電感是蝕刻在PCB板上的敷銅帶，在實(shí)際生產(chǎn)中幾乎沒有增加成本并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(fā)明的平面微帶電感線圈的制作方法包括下列步驟 (1)對(duì)于需要的微帶線的特征阻抗值Z0，選擇PCB板材，確定PCB板的介電常數(shù)εr，按照公式 得出系數(shù)A的值， 根據(jù) 得到微帶線特征阻抗圖確定近似的

比值， 根據(jù) 得到有效介電常數(shù)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(shù)，t是銅箔厚度，是在自由空間的波阻抗； (2)根據(jù) 獲得

的比值，進(jìn)而求出敷銅帶的寬度w； (3)根據(jù)獲得的有效介電常數(shù)εeff計(jì)算出帶狀線的相速度vp和波長(zhǎng)λ；其中 c是光速，f是工作頻率； (4)在計(jì)算機(jī)中確定某個(gè)特定的相鄰敷銅帶的間距后將此敷銅帶拉長(zhǎng)并繞圈，得到一個(gè)長(zhǎng)度與寬度不變的基準(zhǔn)螺旋形敷銅線圈； (5)將此螺旋敷銅線圈蝕刻于的PCB板上，通過實(shí)際測(cè)量得到其真實(shí)的特征阻抗和其感值； (6)根據(jù)上一步驟得到的特征阻抗倒推并修正近似計(jì)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征阻抗的基準(zhǔn)計(jì)算公式SNC*，并根據(jù)公式SNC*重新計(jì)算出敷銅帶的寬度w和波長(zhǎng)λ； (7)將螺旋形微帶線圈直接通過計(jì)算機(jī)軟件布于所選PCB板上，蝕刻出來。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(6)中進(jìn)一步包括下列步驟將射頻電路設(shè)計(jì)中常用感值的大部分電感根據(jù)公式SNC*蝕刻成PCB板上的螺旋形微帶線圈，通過歸納法驗(yàn)證SNC*的準(zhǔn)確性并做進(jìn)一步修正。
對(duì)于本發(fā)明的方法說明如下我們假定已成形的線路導(dǎo)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(shù)εr有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)于我們使用的窄的帶狀線w/h＜1，我們得到特征阻抗 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(shù) 上面公式給出的特征阻抗只是近似值，而且在整個(gè)

范圍內(nèi)不是連續(xù)的函數(shù)。圖2和圖3給出了用前面的表達(dá)式計(jì)算的特征阻抗和有效介電常數(shù)。圖中Z0和εeff描繪成

和εr的函數(shù)，

和εr的參量選擇在典型的實(shí)際相關(guān)電路值的范圍內(nèi)。
在前面的公式中，有效介電常數(shù)是看作為充滿線路周圍空間均勻介質(zhì)的介電常數(shù)，均勻介質(zhì)替代了介質(zhì)基片和周圍的空氣。用有效介電常數(shù)可以計(jì)算帶狀線的相速度并導(dǎo)出波長(zhǎng)的表示式 其中，c是光速，f是工作頻率?；谠O(shè)計(jì)的目的，可以根據(jù)給定的特征阻抗Z0和基片的介電常數(shù)εr計(jì)算

的比值。假定線路導(dǎo)體無限薄，可以得到以下 其中，系數(shù)A為 通過上述介紹的方法，我們可以得出需要達(dá)到某個(gè)數(shù)值的特征阻抗的敷銅帶的寬度和長(zhǎng)度λ(單位mil)。我們?cè)谟?jì)算機(jī)中確定某個(gè)特定的相鄰敷銅帶的間距后將此敷銅帶拉長(zhǎng)并繞圈，得到一個(gè)長(zhǎng)度與寬度不變的基準(zhǔn)螺旋形敷銅線圈。我們將此螺旋敷銅線圈蝕刻于的PCB板上，通過實(shí)際測(cè)量得到其真實(shí)的特征阻抗和其感值。進(jìn)而倒推并修正上文提到的近似計(jì)算公式(a)和(b)，得到了基于所選PCB板材的螺旋形微帶線圈的精確感值和特征阻抗的基準(zhǔn)計(jì)算公式SNC*。然后，我們將射頻電路設(shè)計(jì)中常用感值的大部分電感根據(jù)公式SNC*蝕刻成PCB板上的螺旋形微帶線圈，通過歸納法驗(yàn)證SNC*的準(zhǔn)確性并做進(jìn)一步修正。而后利用計(jì)算機(jī)上的PROTEL99軟件，建立已知基于所選PCB板上的螺旋形微帶線圈的感值庫(kù)，便于在日后產(chǎn)品設(shè)計(jì)中隨時(shí)使用。至此，我們得到了射頻電路設(shè)計(jì)中基于所選PCB板材的螺旋形微帶線圈的特征感值庫(kù)和對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式。將感值符合需要的螺旋形微帶線圈直接通過計(jì)算機(jī)PROTELL99布于所選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(fā)明中敷銅帶和印刷電路板的參數(shù)表示圖 圖2是本發(fā)明中微帶線特性阻抗與w/h的關(guān)系圖 圖3是本發(fā)明中不同介電常數(shù)的有效介電常數(shù)與w/h的關(guān)系圖 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中平面微帶電感線圈的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合具體實(shí)施例做進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1 一個(gè)實(shí)際的射頻電路需要具有50Ω的特征阻抗，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(shù)表示如圖1所示，印刷電路板3的相對(duì)介電常數(shù)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(shí)的波長(zhǎng)λ的值。具體方法如下 根據(jù)微帶線特征阻抗圖(圖2)確定近似的

比值選擇對(duì)應(yīng)于εr＝4.6的曲線，找出Z0＝50Ω，

的近似值為1.9。由此我們可以導(dǎo)出 將結(jié)果帶入，可得 有效介電常數(shù) 由此我們可以獲得

的比值，進(jìn)而求出敷銅帶的寬度w＝73.9mil， 根據(jù) 得到微帶線的相速度為1.61×108m/s以及在2GHz的有效波長(zhǎng)為80.67mm。嚴(yán)格來說，上述算法僅僅是對(duì)于集中在無限長(zhǎng)的單個(gè)敷銅帶。事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中可以進(jìn)一步通過RF/MW計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序中計(jì)算出相鄰和彎曲有限長(zhǎng)度的敷銅帶的實(shí)際情況。
我們?cè)谟?jì)算機(jī)中確定某個(gè)特定的相鄰敷銅帶的間距后將此敷銅帶拉長(zhǎng)并繞圈，得到一個(gè)長(zhǎng)度與寬度不變的基準(zhǔn)螺旋形敷銅線圈，將此螺旋敷銅線圈蝕刻于FR-4的PCB板上，通過實(shí)際測(cè)量得到其真實(shí)的特征阻抗和其感值。
根據(jù)上一步驟得到的特征阻抗倒推并修正上文提到的近似計(jì)算公式(a)和(b)，再得到基于FR-4PCB板材的螺旋形微帶線圈的精確感值和特征阻抗的基準(zhǔn)計(jì)算公式SNC* 將射頻電路設(shè)計(jì)中常用感值的大部分電感根據(jù)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(yàn)證SNC*的準(zhǔn)確性并做進(jìn)一步修正。
利用計(jì)算機(jī)上的PROTEL99軟件，建立已知基于FR-4 PCB板上的螺旋形微帶線圈的感值庫(kù)，便于在日后產(chǎn)品設(shè)計(jì)中隨時(shí)使用。至此，我們得到了射頻電路設(shè)計(jì)中基于FR-4型PCB板材的螺旋形微帶線圈的特征感值庫(kù)和對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式。在產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們將感值符合需要的螺旋形微帶線圈直接通過計(jì)算機(jī)PROTELL99布于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(huán)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(gòu)成。在FR-4 PCB印刷線路板上得微帶螺旋線圈參數(shù)取決于不同的線寬、線距、長(zhǎng)度和繞圈方式。微帶螺旋電感在PROTEL99軟件中的繞圈方式 1、打開Protel 99SE軟件，新建一個(gè)庫(kù)文件L.LIB； 2、雙擊L.LIB進(jìn)入庫(kù)文件編輯界面； 3、點(diǎn)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(diǎn)是相應(yīng)小弧的起點(diǎn)； 4、雙擊半圓弧，可以編輯弧的相關(guān)特性，如線寬、半徑、起始角度等； 5、根據(jù)仿真軟件計(jì)算出的線寬、圈數(shù)、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(shè)計(jì)射頻數(shù)字式可調(diào)全頻段可編程濾波放大器NTP8510/NTP8610時(shí)，會(huì)用到上百個(gè)具有特定特征阻抗的電感，我們利用了螺旋形微帶線圈來實(shí)現(xiàn)，成本低，線圈占用面積小。對(duì)于感值在我們建立的特征感值庫(kù)中的，我們可以直接拿來通過計(jì)算機(jī)PROTELL99布在虛擬PCB上，對(duì)于那些感值不在庫(kù)中的，我們通過基準(zhǔn)計(jì)算公式SNC*倒推出此電感基于基準(zhǔn)螺旋形微帶電感的繞線圈數(shù)，而后同樣布于另外的實(shí)驗(yàn)板上并測(cè)試其真實(shí)值，然后驗(yàn)證并反復(fù)修正得到需要的微帶線圈，爾后放入特征感值庫(kù)供以后參考。同時(shí)用于產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)。反復(fù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟得到設(shè)計(jì)完成的基于計(jì)算機(jī)PROTELL99軟件的射頻電子線路板，交由PCB洗板公司蝕刻出來，得到最終產(chǎn)品的FR-4型的PCB線路板。
權(quán)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，其特征是，所述平面微帶電感線圈為敷銅帶環(huán)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制作方法，其特征是，作方法包括下列步驟
(1)對(duì)于需要的微帶線的特征阻抗值Z0，選擇PCB板材，確定PCB板的介電常數(shù)εr，按照公式
得出系數(shù)A的值，
根據(jù)
得到微帶線特征阻抗圖確定近似的
比值，
根據(jù)
得到有效介電常數(shù)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(shù)，t是銅箔厚度，是在自由空間的波阻抗；
(2)根據(jù)獲得的
比值，進(jìn)而求出敷銅帶的寬度w；
(3)根據(jù)獲得的有效介電常數(shù)εeff計(jì)算出帶狀線的相速度vp和波長(zhǎng)λ；其中
c是光速，f是工作頻率；
(4)在計(jì)算機(jī)中確定某個(gè)特定的相鄰敷銅帶的間距后將此敷銅帶拉長(zhǎng)并繞圈，得到一個(gè)長(zhǎng)度與寬度不變的基準(zhǔn)螺旋形敷銅線圈；
(5)將此螺旋敷銅線圈蝕刻于的PCB板上，通過實(shí)際測(cè)量得到其真實(shí)的特征阻抗和其感值；
(6)根據(jù)上一步驟得到的特征阻抗倒推并修正近似計(jì)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征阻抗的基準(zhǔn)計(jì)算公式SNC*，并根據(jù)公式SNC*重新得出敷銅帶的寬度w和波長(zhǎng)λ；
(7)將螺旋形微帶線圈直接通過計(jì)算機(jī)軟件布于所選PCB板上，蝕刻出來。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面微帶電感線圈，其特征是，所述步驟(6)中進(jìn)一步包括下列步驟將射頻電路設(shè)計(jì)中常用感值的大部分電感根據(jù)公式SNC*蝕刻成PCB板上的螺旋形微帶線圈，通過歸納法驗(yàn)證SNC*的準(zhǔn)確性并做進(jìn)一步修正。
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面微帶電感線圈，其特征是，所述PCB板為FR-4型PCB板。
5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面微帶電感線圈，其特征是，所述(7)中的計(jì)算機(jī)軟件為PROTELL99。
6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面微帶電感線圈，其特征是，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(diǎn)是相應(yīng)小弧的起點(diǎn)，所有半圓弧的圓心都是在同一條直線上。
7、根據(jù)權(quán)利要求4所述的平面微帶電感線圈，其特征是，所述螺旋形微帶線圈的精確感值的特征阻抗的基準(zhǔn)計(jì)算公式SNC*為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種平面微帶電感線圈及其制作方法，目的是提供一種占用面積小、制作成本低、電感值精確的平面微帶電感線圈及制作方法。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(huán)繞成若干圈圓形平面螺旋線形狀附在印刷電路板上。制作方法包括對(duì)于需要的微帶線的特征阻抗值Z0，選擇PCB板材，確定介電常數(shù)εr，計(jì)算出帶狀線的相速度vp和波長(zhǎng)λ；在計(jì)算機(jī)中確定基準(zhǔn)螺旋形敷銅線圈，并蝕刻于的PCB板上，測(cè)量其真實(shí)的特征阻抗和感值；從特征阻抗倒推并修正，得到精確感值和特征阻抗的基準(zhǔn)計(jì)算公式，根據(jù)公式重新計(jì)算出敷銅帶的寬度w和波長(zhǎng)λ；將螺旋形微帶線圈布于所選PCB板上，蝕刻出來。
文檔編號(hào)H05K1/16GK101593612SQ20091002924
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者超 陳 申請(qǐng)人:江蘇蘇美達(dá)機(jī)電有限公司