[发明专利]一种三维结构的射频电感及其设计方法

权利要求书

1.一种三维结构的射频电感的设计方法，其特征在于，

三维结构的射频电感包括在上下方向上至少设有的第一硅衬底层和第二硅衬底层，以及在所述第一硅衬底层顶部设有的第一平面螺旋金属带层和在所述第二硅衬底层顶部设有的第二平面螺旋金属带层，所述第一平面螺旋金属带层由外圈向内圈顺时针旋转的尾端与第二平面螺旋金属带层由外圈向内圈顺时针旋转的尾端通过贯通所述第一硅衬底层的第一硅通孔电连接，所述第一平面螺旋金属带层顺时针旋转的首端与第一外部引线电连接，与第二平面螺旋金属带层顺时针旋转的首端通过贯通所述第一硅衬底层的第二硅通孔与第二外部引线电连接；

透过所述第一硅衬底层和第二硅衬底层的顶部分别设有若干垂直于硅衬底层的基底部上表面的凹凸部；

在所述第一硅衬底层和第二硅衬底层的中心部沿轴向设有软磁材料柱；

对至少设有的第一平面螺旋金属带层和第二平面螺旋金属带层，采用增大金属的厚度或使用电阻率低的金属作为导体，减少金属导体损耗，以提高电感的品质因数Q值，其中品质因数Q为：

式中，W表示电感所储存的能量，W_T表示在单位时间内电感所损耗的能量，ω₀表示输入电源的角频率,P_L表示单位时间内的平均损耗功率；

利用

其中，f_res为电感的磁能与其电能相等时的自谐振频率，c_s为电感等效电容，c_p为电感并联寄生等效电容，R_S为电感电阻，L_S为电感实际感值；

获取设有的至少第一平面螺旋金属带层或第二平面螺旋金属带层的电感的工作频率范围；确保至少设有的第一平面螺旋金属带层或第二平面螺旋金属带层的电感的工作频率f低于自谐振频率f_res，使电感表现为感性；

将至少设有第一平面螺旋金属带层或第二平面螺旋金属带层的电感设置为上、下多层金属带结构，其中层与层金属带之间采用硅通孔的连接方式；使上层和下层电感结构的电场方向相反，相互抵消，提高趋肤深度；

在所述第一硅衬底层和第二硅衬底层的中心部沿轴向设有软磁材料柱，提高电感材料磁通量的利用率，提高品质因数Q；

通过设有若干垂直于硅衬底层的基底部上表面的凹凸部，

利用

其中，I_W为衬底涡流,为涡流电场的感生电动势，ρ_c为衬底涡流回路的电阻率，S₁为第一或第二平面螺旋金属带在衬底投影周长，S₂为衬底投影下的凹凸部的实际周长；

通过引入凹凸部的实际周长S₂实现增大衬底电阻，降低第一平面螺旋金属带层或第二平面螺旋金属带层的电感衬底涡流损耗；

利用HFSS对L_s-f、Q-f、R_s-f、C_p-f以R_P与电感的工作频率f之间的R_p-f参数进行仿真，R_P为电感寄生等效电容的阻抗，建立起多层结构射频电感的仿真模型，以此获得电感。