印刷无源电子元件阻抗特性研究

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科学技术的发展对电子设备的小型化和集成化要求越来越高,印刷电子技术的产生为解决该问题提供了新的思路,通过印刷的方式将无源电子元件印制成平面结构,代替传统电路板中电阻、电容和电感等分立元件,在降低制作成本基础上,减小设备尺寸。本文采用丝网印刷的制作工艺,在柔性PET基底上印刷两种无源电子元件叉指电容和平面螺旋电感,研究其在100~600MHz频率范围内的阻抗特性,围绕两种无源电子元件的设计方法、印刷制作工艺和阻抗特性分析分别展开研究。为实现低成本阻抗测量,用AD8302芯片和双定向耦合器设计并制作了一款简易的阻抗测量仪。从数值仿真和理论分析两个角度对无源电子元件设计方法进行了验证。数值仿真采用Ansoft公司的HFSS软件仿真,建立了陶瓷基底叉指电容和FR4基底平面螺旋电感结构,仿真获得其在100~600MHz频率范围内的阻抗值。理论分析采用等效电路模型分析方法,建立上述仿真结构的高频等效电路模型,并进行电路参数计算,由电路参数确定其阻抗特性。制作出与所建模型相同结构的平面电容和电感实物,用E4991A阻抗分析仪测试了其阻抗特性。结果表明:仿真结果、电路模型分析结果同实际测试结果基本保持一致,从而验证了设计方法的有效性。通过分析丝网印刷工艺参数(丝网目数、基底材料、油墨浓度和印刷次数)对印刷薄膜电阻值的影响以及不同种类的油墨对印刷叉指电容阻抗特性的影响,选择出合适的工艺参数和印刷油墨。在PET基底上印制出不同结构参数的叉指电容和平面螺旋电感,分析了 100~600MHz频带范围内结构参数(叉指电容指的长度、指的宽度、缝隙宽度、指的个数、导体厚度和螺旋电感线圈宽度、缝隙宽度、导体厚度和线圈匝数)对其阻抗特性的影响,并将银油墨印刷叉指电容和平面螺旋电感的阻抗特性与金属导体银仿真得到的阻抗特性进行了比较,两条阻抗特性曲线基本重合,表明印制的电子元件在该频段内具有较好的阻抗特性。用AD8302芯片组成的幅相检测电路和双定向耦合器结合,搭建出负载阻抗的测量系统,对51Ω和100Ω两种贴片电阻在70~110MHz范围内进行了测试,通过测量反射系数的模值和相位求出待测负载的阻抗值,与安捷伦E4991A阻抗分析仪的测量结果进行了比较,可知:51Ω实部测量值在整个频带范围最大值为49.98Ω,最小值为48.5Ω,最大和最小相对误差分别为2.1%和0.6%,虚部测得的最大值为3.6Ω,最小值为2.5Ω,呈现感抗特性;100Ω实部测量值在整个频带范围最大值为99.85Ω,最小值为96.79Ω,最大相对误差为3.3%,最小相对误差为0.9%,虚部测得的最小值为-8.3Ω,最大值为-3.24Ω,呈现容抗特性。该简易阻抗测量仪初步实现了较高频段范围内的阻抗测量。
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