用HFSS仿真平面线圈的电感量

用HFSS工具仿真平面线圈的电感量

平面线圈是指在平面上绕制而成的线圈,如PCB上的电感线圈、无线供电使用的金属丝绕制而成的线圈等。根据线圈的不同形状可将平面线圈分为方形线圈,六角形线圈、八角形线圈、螺旋原型线圈等。

网络上的计算平面线圈电感量的工具

平面线圈的电感量网络上有计算工具可供使用,如下图所示:

决定平面电感线圈电感量的参数有线圈匝数、线宽、线间距、线圈外径。如上图,将匝数2.5圈,线宽15um, 线边缘距离1.5um, 线圈外径232.5um的参数值输入到表格中,可以得到正方形的线圈的电感量在2.292nH-2.26nH之间。

需要说明的是,线圈的厚度对电感量的影响较小,可以忽略不记。

通过HFSS工具仿真平面线圈的电感量

用HFSS工具设计出平面线圈如下图所示:

对S参数进行仿真,得到S参数的S11, S12的频谱图如下图所示:

由图可以看到,信号从端口一输入时,随着信号的频率增加,传输到端口2的信号减少,从端口1处反射的信号S11增加,这符合电感器的"通低频,阻高频"的特性

Y11的值是在端口2与地短路时测量端口1与地之间的导纳,这与我们日常生活中测量电感所用的方法相同。因此,根据 Y = 1 / Z = 1 j ω L Y=1/Z=\frac{1}{j\omega L} Y=1/Z=jωL1可以获得电感量的值。

通过Y参数计算获得线圈的电感量公式为:
L = i m ( 1 Y 11 ) / ω L=im(\frac{1}{Y11})/\omega L=im(Y111)/ω

其中Y11为端口一的输入导纳,即:当端口2短路,端口1施加1V电压激励时的输入电流值,为一复数,有实部和虚部两个分量。公式中im为取虚部运算。

Y11的值是在端口2与地短路时测量端口1与地之间的导纳,这与我们日常生活中测量电感所用的方法相同。因此,根据 Y = 1 / Z = 1 j ω L Y=1/Z=\frac{1}{j\omega L} Y=1/Z=jωL1可以获得电感量的值。

HFSS输出电感频谱的设置界面如下图所示:

输出的电感频谱曲线如下:

从图中可知,平面线圈电感量在低频(100MHz)时的电感量约为2.24nH. 与网络工具计算的结果相似。

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