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无源元件在电子集成中的关键作用

电子系统的可靠性和效率依赖于有源和无源元件的基础性作用。这些元件将执行必要的功能，以确保新设备能够恰当地集成到现有系统或新系统中。晶体管和放大器等有源元件需要外部电源来为电路提供能量，但无源元件则不需要。无源元件对所有这些装置提供不可或缺的功能，它们接收并存储能量，但并不消耗电力。

无源元件的作用和常见类型

无源元件是电子系统的核心组成部分。它们对于电子电路有不可或缺的功能。这些元件在管理电流流动、防止电压尖峰和确保电气装置的整体可靠性及性能方面起着至关重要的作用。通过信号滤波、阻抗匹配和信号调理，无源元件提升了电子电路的性能、稳定性和效率。没有无源元件来消耗、存储和释放能量，电子系统便无法正常运作。

常见的无源元件包括：

Ÿ   电阻器：电阻器通过提供精确的电阻来控制电流，这对分压和信号调节至关重要。当电流持续运行时，电阻器只能接收电能，并以热量的形式散发出去。这一步骤对保护敏感元件免受损害以及在电路中控制电压水平至关重要。电阻器在电炉、加热器、烤面包机等消费品以及商业、国防系统中被广泛应用。

Ÿ   电容器：电容器可存储和释放电能，对平滑信号及滤除噪声至关重要。电容器可以滤除可能干扰电路运行的高频噪声。电容器由两块导电板构成，中间由绝缘材料即电介质隔开。电容器在消费、商业、国防产品及系统中同样被广泛应用。

Ÿ   电感器：电流通过电感器时，电感器在磁场中储存能量。电感器亦称为反应器、扼流圈或线圈，通常由绕在磁芯上的线圈构成。电感器上电抗的变化，用于能量存储、滤波和信号调节。在电源滤波和能量存储以及信号处理中抑制噪声，电感器扮演着关键角色。

Ÿ   射频滤波器、衰减器和终端：这些元件提供了必要的射频连接和传输功能，确保了射频电路和系统中的最小信号损耗和反射。滤波器用于减少干扰，并通过允许或阻止特定信号来屏蔽不需要的频率。衰减器可以在不降低信号质量的情况下减少信号的功率，去保护那些不受控输入功率过高的系统。终端，又称为终止器或负载，位于传输线的末端，防止射频信号沿传输线反射回来。图1是一个射频终端。该射频终端在DC-6GHz的频率范围内可处理5W的输入功率，并配有2.2-5公头输入连接器。

其他无源元件还有变压器、开关、断路器和继电器。尽管二极管通常归类为无源元件，但它的构造采用了与有源元件相关的半导体方法。这些功能性元件中的每一个都在保持电子系统的功能性和效率方面发挥着独特的作用，因此理解这些元件对于设计和维护电子装置至关重要。

图2是一个具有代表性的无线收发器框图。它很好地展示了滤波器、巴伦和耦合器等无源元件的广泛应用。图中未显示诸如电阻器、电容器和电感器等单个元件，这些元件可能被用于提供偏置、调谐和衰减，以在某些功能性模块中发挥作用。

一般来说，无论是无源还是有源，频率越高的元件越昂贵。在外差收发机中，如图2所示，支持更高工作频率的常用技术是将较低频率信号倍增至所需的发射频率，再将接收信号降至较低频率。这样可以在较低频率下进行更多的转换和处理。这些倍频器/分频器通常还包含滤波器和其他无源元件。

图3是工作频率为12.2-12.7GHz的带通滤波器，而图4是工作频率为4.4-4.8GHz的低频带通滤波器。尺寸和重量是非常重要的因素，特别是在大批量商业应用中，但性能和成本因素也会影响如何采用无源和有源元件，形成最佳系统解决方案。

集成无源元件的挑战

在设计电路时，工程师必须平衡有源元件和无源元件的使用，并通过全面的测试和模拟来解决任何集成难题。在集成无源元件时，一个难点在于确保来自不同制造商的元件能够兼容，而这可能会带来一些必须解决的强制限制性要求或功能性要求。此外，元件的物理布局和摆放位置也可能影响性能，因此必须进行精心的设计和规划。在元件运行过程中，必须考虑潜在的电磁干扰（EMI）和其他环境因素。使用高质量元件可以有效应对这些问题。

另一个挑战在于性能与成本之间的权衡。性能最优的射频元件可能成本更高或交货时间更长。但是，无源元件的优异性能可以降低总体拥有成本。

在将无源元件集成到电子组件中时，还有其他一些常见的挑战：

Ÿ   空间限制：在为电子产品设计无源元件时，尺寸是一个重要因素。消费电子如智能手机的发展要求高密度元件变得更小、更紧凑，在不影响性能的同时，将无源元件放到这些设计中是一项挑战。

Ÿ   散热：在高功率应用中，无源元件会产生大量的热量。有效的热管理对防止过热和确保电子设备长期可靠性至关重要。为了保护无源元件并确保设备的有效运行，需要设计能够有效散热的材料和封装。

Ÿ   信号完整性：设备的稳定运行基于电信号的可靠传输。尤其是在紧凑型组件中，信号衰减会引发诸如中断、失真乃至失效等性能问题。

EMI是信号完整性的一大挑战。EMI会产生不必要的信号和噪声，从而影响信号完整性。高频应用依赖于信号调节，而信号调节会受到EMI的直接影响。这给设计能够有效诊断和纠正信号完整性问题的系统架构带来了挑战。

要实现高效、安全和可靠的电气系统性能，就需要解决这些挑战。解决这些问题的方法有使用小型化组件、采用先进材料来改善热管理，以及采用精准的印刷电路板（PCB）设计技术，以最大限度地减少信号劣化。精确的元件布局同样关键。图5是设计用于应对这些挑战的宽带表面贴装射频巴伦，其工作频率为20-520MHz。

材料和制造技术的进步

无源元件在制造过程中的不断创新对紧跟竞争市场中的技术进步至关重要。材料和制造技术显著提升了无源元件的性能和可靠性。图6是相同功能的不同方法。这两个器件都是带有SMA连接器的10dB固定衰减器，但工作频率不同。镀金器件的工作频率为DC-12GHz，而不锈钢器件的工作频率为DC-6GHz。.

无源元件设计和制造的改进包括：

Ÿ   材料：先进的陶瓷和复合材料显著提升了无源元件的高频性能与耐用性。尤其是陶瓷，因其卓越的绝缘特性而显得格外重要。特别是那些具备压电特性的特定陶瓷材料，它们易于加工成所需的各种形状和尺寸。这正满足了无源元件小型化的需求。复合相变材料通过构建热传导路径，显著提升了元件的散热性能。这些材料拥有出色的电气性能、热稳定性和机械强度，是追求高性能应用的首选。

Ÿ   制造：3D打印技术使得复杂电子无源元件的生产成本更低、重量更轻。这种技术还能够制造出现代紧凑型电子设备所需的更精准、更小巧的元件。3D打印技术克服了印刷电路板在制造上的局限，能够实现复杂几何形状的制造，从而提升元件的性能和功能。

Ÿ   薄膜技术：电子元件中薄膜技术的主要优势在于能够精准控制电气性能，从而实现微型化并提高性能。这种制造技术是在基板上沉积薄层导电或电阻材料。利用薄膜技术生产的无源元件常见的有电阻器、电感器、电容器及滤波器。薄膜电阻器和电容器相比传统厚膜元件具有更高的精度和稳定性，非常适合用于电信、航空航天和医疗设备等高要求领域。

Ÿ   集成无源器件（IPD）：IPD将电阻器、电容器、电感器等各种无源元件整合到一个单元中。通过减少所需空间和互连长度与数量，IPD解决了尺寸受限和信号完整性问题，减轻了信号劣化的影响。

陶瓷、复合材料、3D打印等材料和制造工艺的创新为无源器件带来了诸多好处。这些材料和技术使得无源器件更小巧、热调节能力更强、高频性能更佳，并且能够在更恶劣的环境中工作。这些改进显著提升了微波元件在高要求应用中的可靠性和功能性。

无源微波元件在各种先进技术和高频应用中至关重要。随着新兴系统趋势和要求的出现，如今比以往任何时候都更需要这些改进。这些系统包括：

Ÿ   5G网络：从4G到5G网络的升级，增加了对无源元件的需求，以支持更多的天线系统并过滤信号。滤波器和耦合器等高频无源元件对于满足5G技术不断提高的数据传输速率和带宽要求至关重要。

Ÿ   汽车雷达系统：无源元件在雷达系统中不可或缺，确保了安全关键应用所需的可靠和精确运行。汽车雷达系统的发射与接收部分高度依赖模拟元件，并且需要无源元件来确保其正常运作。雷达系统采用电感器与电容器等无源元件来过滤与调节信号，确保对目标物体的精准探测与测量。

Ÿ   医疗成像：无源元件在医疗技术市场中起着核心作用。这些元件被设计成在极端条件下稳定运行，确保医疗设备和装置的安全与效能。无源元件具有更高的耐用性、稳定性和精准度，使其成为医疗保健领域中关键应用的理想选择。MRI系统利用无源元件来过滤与调节信号，确保影像结果的清晰与准确。

鉴于这些市场机遇的迅速增长，设计与制造无源元件的公司正在加倍努力。英飞畅电子（Infinite Electronics）旗下品牌，如Pasternak与Fairview Microwave，正拓宽其射频无源元件产品线，尤其是针对高频应用。尽管无源元件的功能看似比有源元件更为简单，但若选择无源元件解决方案不当，可能会直接导致时间延误、成本增加以及性能下降，从而对系统的整体成本、性能和交付产生重大影响。图7a是2.92mm射频负载，图7b是Mini-SMP射频负载。两者均能在40GHz的频率下工作。

无源元件对于人们日常依赖的众多设备及系统的性能、可靠性和安全性至关重要。这些元件在日常电子设备和先进技术应用中不可或缺，从管理电流与储存能量到过滤信号和防止电压尖峰，都发挥着关键作用。面对尺寸、兼容性、散热与信号完整性等集成挑战，创新的解决方案与材料、制造技术的进步为无源元件的整合提供了有力支持。无源元件的持续进步与创新推动了5G网络、汽车雷达系统和医疗成像等应用领域的革新。

 图1：PE6TR1162 射频终端

 图2：代表性无线收发器方框图。资料来源：ADI

 图3：Pasternack的PE87FL1004带通滤波器

 图4：PE8739A带通滤波器

 图5：Pasternack的PE2BL1001S射频巴伦

 图6：PE7467-10（黄铜镀金）和PE7602-10（不锈钢）固定衰减器。

 图7：(a) PE6TR1106 2.92 mm射频负载，(b) PE6162 Mini-SMP射频负载。