I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   9 ,   No .   4 ,  A u g u s t   201 9 ,   p p .   2 9 1 8 ~2 9 3 1   I SS N:  2088 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v9 i 4 . p p 2 9 1 8 - 2931          2918       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e . co m/ jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JE C E   Ana ly sis  of t he   i mpa ct  o f  m e tal  t hi c k n ess  and  g eo m et ric  p a ra m et ers o n  th e  q ua lity  f a c tor - Q   in  i nt eg ra ted  s pi r a l  i nductors  by  m ea ns o f  a rti ficial  b ee   c o lo ny   t echniq ue       H a m id B o uy g hf 1 ,  B a chir  B e nh a la 2 ,  Abdelh a d i R a iha ni 3   1 ,3 L S S DIA ,   ENS ET   M o h a m m e d ia,  Un iv e rs it y   o f   Ha ss a n   II  Ca sa b lan c a ,   BP   1 5 9   B d   Ha ss a n   II - M o h a m m e d ia - M o ro c c o   2 BA B A   T e a m ,   L E A B,   F a c u lt y   o f   S c ien c e s,  Un iv e rsit y   M o u lay   Is m a il ,   B P   1 1 2 0 1 ,   Zi to u n e ,   M e k n e s - M o ro c c o       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct   10 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   Mar   2 9 ,   2 0 1 9   Ac ce p ted   A p r   3 ,   2 0 1 9       T h e   g o a l  o f   th is  p re se n t  p a p e r  is  to   d e sig n ,   a n a ly sis  th e   in f lu e n c e   o f   th e   in d u c to r   g e o m e tri c a l  p a ra m e ter s  a n d   t h e   e ff e c t  o f   th e   m e tal  th ick n e ss   o n   th e   q u a li ty   fa c to r - Q  in   in teg ra ted   sq u a re   sp iral  in d u c to r  u sin g   a n   e ff icie n t   a p p li c a ti o n  of   th e   a rti f icia l  b e e   c o lo n y   ( A BC)  a lg o rit h m .   T h e   in d u c to rs  w e re   o p ti m ize d   a t   2 . 4   G Hz   to   d e ter m in a te  th e ir  m a jo r  g e o m e tri c a l  d i m e n sio n s  ( sp ,   w ,   d in … )   a n d   th e ir  n u m b e r  o f   tu rn s,  f o r  u se s  in   ra d io - f re q u e n c y   in teg ra ted   c ircu it s   (RF ICs).  T h e   o p t im iza ti o n   re s u lt s  a re   v a li d a ted   b y   th e   sim u latio n   u sin g   a n   e lec tro m a g n e ti c   si m u lato r  (A DS - M o m e n tu m ).   Us i n g   m a tl a b   so f t w a re ,   th e   stu d y   o n   th e   im p a c t   o f   th e   e ff e c t  o f   g e o m e tri c a l  p a ra m e ters   a n d   th e   e ff e c t  o f   m e tal   th ick n e ss ,   o n   th e   f a c to r  o f   q u a li t y - Q  o f  sp iral  in d u c to rs ,   is   sh o w n .   W e   f irst  re p o rted   th a t  it   is  p o ss ib le  to   im p ro v e   Q - f a c to rs  f u rth e r  b y   in c re a sin g   th e   m e tal   th ick n e ss ,   a n d   i n   th e   d e sig n   o f   in d u c to r;  a   c o m p ro m is e   m u st  b e   re a c h e d   b e tw e e n   th e   v a lu e   o f   w ,   n ,   sp   a n d   d in   to   a c h iev e   th e   d e sire d   q u a li ty   f a c to r - Q   a n d   o th e r  e lec tri c a l  p a ra m e ters .   K ey w o r d s :   A B C   al g o r ith m   Me tal  th ic k n ess   Op ti m izatio n   Qu alit y   f ac to r - Q   R FIC s   Sp ir al  in d u cto r   Co p y rig h t  ©   2 0 1 9   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ha m id   B o u y g h f ,     L S SD I A ,   E NSET   Mo h a m m ed ia,     Un i v er s it y   o f   Ha s s a n   I I   C asab lan ca ,   B P   1 5 9   B d   Hass an   I I - Mo h a m m ed ia - Mo r o cc o .   E m ail:  h a m id . b o u y g h f @ g m ail . co m       1.   I NT RO D UCT I O N   P lan ar   s p ir al  C MO S  i n d u cto r s   h a v e  b ec o m e  s i g n if ica n t  ele m en t  an d   i m p o r ta n t  p ass i v e  c o m p o n en t s   in   m a n y   cir cu it   b lo ck s   u s ed   in   telec o m m u n icatio n   ap p li ca tio n s   an d   r ad io   f r eq u e n c y   ( R F)  tr an s ce i v er s .   T h e  s q u ar e  s p ir al  i n d u cto r   d esig n   s p ac e  is   co m p lex ,   a n d   n e w   o p ti m izatio n   a n d   s y n t h esis   tec h n iq u e s   ar e  r eq u ir ed   to   r ea lize  p r ac tical  d esig n s   an d   la y o u ts   [ 1 ] .   Ma j o r   an alo g / R F  cir cu its   li k e  Vo ltag e  C o n tr o lled   Oscill ato r s   ( V C O) ,   Mix er s ,   F ilter s ,   R F  Am p li f ier s   a n d   L o w   No i s e  Am p li f ier s   ( L N As),   s tr o n g l y   d ep en d   o n   in d u cto r s   w it h   o p ti m ized   d esi g n   p ar a m eter s .   C o n s eq u en tl y ,   th e  ef f icien t  o p ti m izatio n   m e th o d o lo g y   o f   s p ir al  in d u cto r s   i s   cr itical  to   th e  s u cc ess f u l r ea lizat io n   o f   telec o m m u n ica tio n   s y s te m s .   His to r icall y ,   m o s t  o f   r esear ch   an d   p ap er s   o n   s p ir al  i n d u cto r   o p ti m izatio n   tec h n i q u es  h a v e   co n ce n tr ated   o n   t h e  m a x i m izi n g   t h e  i n d u cto r ’ s   q u alit y   f ac to r   ( Q)   f o r   a  f ix ed   o p er atin g   f r e q u en c y   a n d   d esire d   in d u cta n ce   v alu e.   T o   ef f icie n tl y   r eso l v e  th i s   is s u e,   s o m e  s w ar m   in telli g e n ce   al g o r ith m s   w er e  p r o p o s ed   i n   th e  liter atu r e  [ 2 ,  3 ]   an d   ar e  u s ed   b y   th e  an alo g /R F  en g in ee r s .   T h ese  alg o r ith m s   f o cu s   o n   s w ar m   o r   g r o u p   o f   an i m al  b eh a v io r   in   o r d er   to   d e v elo p   s o m e  m eta - h eu r i s tics   wh ich   ca n   m i m ic  t h eir   p r o b le m   r eso lu tio n   ab ili ties ,   s u c h   as  P ar ticle  S w ar m   Op t i m izatio n   ( P SO)   [ 4 ] ,   A n t  C o lo n y   Op ti m izatio n   ( AC O)   [ 5 - 7 ]   an d ,   r ec en tl y ,   A r ti f icial  B ee   C o lo n y   ( A B C )   [ 8 - 1 0 ] .       A r tif icia l  B ee   C o lo n y   ( A B C )   is   a  n e w   o p ti m izati o n   tech n i q u e  p r o p o s e d   b y   ( Ka r a b o g a)   in   2 0 0 5   [ 1 1 ] .   I t  is   a  p o p u l ati o n   b ase d   s to c h asti c  o p t im izati o n   alg o r ith m   in s p ir ed   b y   th e  in tellig en t  co l le ctiv e  f o r ag in g   b eh av i o r   o b s e r v e d   in   th e  b e e  co l o n y .   I t  h as  in s p ir e d   f r o m   th e  o r g an iza ti o n al  n atu r e  an d   f o r ag in g   b eh av io r   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A n a lysi s   o f th e  imp a ct  o f m eta l th ickn ess   a n d   g e o metric p a r a mete r s   o n   th e  q u a li ty    . . .   ( Ha mid   B o u yg h f)   2919   h o n ey b ee   s w ar m s .   Su b s e q u en t ly ,   w e  f o cu s   o n   th e   u s e  o f   an   A r tif icia l  B e e  C o l o n y   ( A B C )   t o   th e  o p tim al  s iz in g   o f   R F  C MO S  s p ir al  in d u ct o r s .     I n   th is   p a p e r ,   s p i r a l  in d u ct o r   is   o p tim ize d   an d   s im u lated   u s i n g   A B C   alg o r ith m   an d   A DS - M o m en tu m   s o f t w ar e ,   r es p ec t iv ely .   W e  h av e  a ls o   s tu d ie d   th e  in f lu en ce   o f   th e  ef f e ct  o f   th e   g eo m etr ic   p a r am ete r s   an d   th e   m etal  th ick n ess   o n   th e   q u ali ty   f ac to r - Q .       2.   O VE RVI E W   OF   A R T I F I CI AL   B EE   C O L O NT   ( AB C)   A L G O R I T H M   T h e  A B C   h a s   i n s p ir ed   f r o m   th e  o r g a n izatio n al  n at u r e  a n d   f o r ag i n g   b eh a v io r   o f   h o n e y b ee s   [ 1 1 ] .   I n   th e  A B C   al g o r ith m ,   th e  b ee   co lo n y   co m p r i s es  t h r ee   k in d s   o f   b ee s :  e m p lo y ed   b ee s ,   o n lo o k er   b ee s ,   an d   s co u t  b ee s .   E ac h   b ee   h as  a  s p ec ialized   task   in   th e  co lo n y   to   m a x i m ize  t h e  n ec tar   a m o u n t  t h at  is   s to r ed   in   th e  h iv e.   I n   A B C ,   ea ch   f o o d   s o u r ce   is   p lace d   in   t h e  D - d i m en s io n al  s ea r ch   s p ac e  an d   r ep r esen ts   a  p o ten tial   s o lu tio n   to   t h e   o p ti m izatio n   p r o b lem .   T h e  a m o u n t   o f   n ec tar   in   t h e  f o o d   s o u r ce   i s   a s s u m e d   to   b e  th e   f itn e s s   v alu e  o f   a  f o o d   s o u r ce .   Gen er all y ,   th e  n u m b er   o f   e m p lo y ed   an d   o n lo o k e r   b ee s   is   th e  s a m e  an d   eq u al  to   th e  n u m b er   o f   f o o d   s o u r ce s .   E ac h   e m p lo y ed   b ee   b elo n g s   to   a  f o o d   s o u r c e  a n d   is   r esp o n s ib le  f o r   m i n i n g   th e  co r r esp o n d in g   f o o d   s o u r ce .   T h en ,   e m p lo y ed   b ee s   p a s s   t h e  n ec tar   i n f o r m atio n   to   o n lo o k er   b ee s   in   th e  “ d an ce   ar ea . ”  On lo o k er   b ee s   w ait  in   th e   h i v e  a n d   s elec t  a  f o o d   s o u r ce   to   m i n e  b ased   o n   t h e  i n f o r m atio n   co m in g   f r o m   th e  e m p lo y ed   b e es.  Her e,   m o r e  b en e f icial   f o o d   s o u r ce s   w il l  h av e  h i g h er   s el ec tio n   p r o b ab ilit ies  to   b e  s elec ted   b y   o n lo o k er   b ee s .   I n   A B C ,   i n   o r d er   to   d ec i d e  if   a  f o o d   s o u r ce   is   ab an d o n ed   o r   n o t,  tr ial  co u n ter s   an d   a  p r ed eter m i n ed   li m it   p ar a m eter   ar e  u s ed .   I f   a   s o lu t io n   r ep r esen ted   b y   a  f o o d   s o u r ce   d o es  n o t  i m p r o v e  d u r in g   a  n u m b er   o f   tr ials   ( li m it),   t h e   f o o d   s o u r ce   i s   ab an d o n ed .   W h e n   th e   f o o d   s o u r ce   is   ab an d o n ed ,   t h e  co r r es p o n d in g   e m p lo y ed   b ee s   w ill  b ec o m e   s co u t  b ee s   an d   r an d o m l y   g e n er ate  a  n e w  f o o d   s o u r ce   a n d   r ep lace   it  with   t h e  ab a n d o n ed   o n e.   T h e  o n lo o k er   b ee s     ev alu a te  t h e  n ec tar   i n f o r m ati o n   an d   ch o o s e  a  f o o d   s o u r ce   d ep en d in g   o n   th e  p r o b ab ilit y   v al u e  ass o c iate d   w it h   th at  f o o d   s o u r ce   u s in g   t h e  E q u atio n   ( 1 )   [ 1 2 ] :       ( 1 )     w h er e i f i t   is   t h e  s o lu tio n ' s   f i tn e s s   v alu e   i,  w h ic h   i n   tu r n   i s   p r o p o r tio n al  to   t h e  a m o u n t   o f   n ec ta r   o f   t h e  s o u r ce   o f   f o o d   in   t h e  p o s itio n   i a n d   S N   is   t h e  n u m b er   o f   f o o d   s o u r c es  w h ic h   i s   eq u al  to   th e  n u m b er   o f   e m p lo y ed   b ee s   in   t h e  co lo n y   [ 1 2 ] .   On   th eir   tu r n ,   t h e  o n lo o k er   b ee s   also   e m p lo y   t h e  s a m e  p r o ce s s   o f   m o d i f icatio n   an d   s elec tio n   o f   t h e  f o o d   p o s itio n s   as th e  e m p lo y ed   b ee s   d o .   T h is   ca n   b e  d e m o n s tr ated   b y   t h e  E q u atio n   ( 2 ) .       ( 2 )     w h er e  j   is   a  r an d o m l y   s elec ted   in d ex   j ∈   {1 ,   2 …  D }  an d   k ∈   {1 ,   2 …  SN }  is   a  r an d o m l y   ch o s en   f o o d   s o u r ce   th a t   is   n o t  eq u al   to   i ;  t h at  is ,   ( k   ≠  i ) .   ϕ   i , j   is   a  r a n d o m   n u m b er   with i n   t h e   r an g e  [ −1 ,   1 ]   g e n er a ted   s p ec if ica ll y   f o r   ea ch   i   an d   j   co m b i n atio n .   T h i s   co n tr o ls   th e  g e n er atio n   o f   t h e  n eig h b o r h o o d   f o o d   s o u r ce s .   A   g r ee d y   s elec tio n   is   ap p lied   b etw ee n   X i   an d   V i   b y   s elec ti n g   t h e  b etter   o n e.   W h en   th e  f o o d - s o u r ce   p o s itio n   h a s   b ee n   ab an d o n ed ,   th e  e m p lo y ed   b ee   as s o ciate d   w it h   it  b ec o m es   a  s co u t.  T h e  s co u t  p r o d u ce s   a  co m p letel y   n e w   f o o d   s o u r ce   p o s itio n   as  u s i n g   E q u a tio n   ( 2 ) .   Gen er all y ,   th e  A B C   al g o r ith m   s tep s   ca n   b e  s u m m a r ized   as  s h o w n   i n           Fig u r e   1   [ 1 3 ] :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,  No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 9 1 8   -   2931   2920       Fig u r e  1 .   A r ti f icial  b ee   co lo n y   alg o r ith m   f lo w   c h ar t       I t  is   clea r ,   f r o m   t h e  ab o v e  e x p lan atio n ,   th at   i n   th e  A B C   al g o r ith m ,   th er e  ar e  f o u r   co n tr o l  p ar a m eter s   u s ed :  T h e  n u m b er   o f   t h e  f o o d   s o u r ce s   t h at  i s   eq u al  to   th e  n u m b er   o f   e m p lo y ed   o r   o n lo o k er   b ee s   ( SN) ,   th e  v al u e  o f   l i m it   an d   th e  m a x i m u m   c y cle  n u m b er   ( MCN) .       3.   ANALY SI S   OF   T H E   RF I C   SPIRA L   I NDU CT O R S   3 . 1 .   L a y o ut   v a ria bles   f o r  o pti m iz a t io n   Fig u r e  2   s h o w s   th e   la y o u t  o f   s q u ar e  s p ir al  i n d u cto r .   T h e  g eo m etr y   p ar a m eter s   c h a r ac ter izin g   th e  s p ir al  in d u cto r   ar e  th e  n u m b er   o f   t u r n s   ( n ) ,   th e  tr ac e   w id t h   ( w ) ,   th e  t u r n   s p ac in g   ( s p ) ,   an d   th e  in n er   d ia m eter   ( d in  ).   (d out)    is   o u ter   d ia m eter .           Fig u r e  2 .  T h e  g eo m etr y   p ar a m eter s   o f   a  s q u ar e  s p ir al  in d u cto r       I n   o u r   s tu d y   ca s e,   w e  f o cu s   o n   t h e  ap p licatio n   o f   A B C   al g o r ith m   f o r   o p ti m iza tio n   th e   g eo m etr ic   p ar am eter s   o f   s p ir al  in d u cto r s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A n a lysi s   o f th e  imp a ct  o f m eta l th ickn ess   a n d   g e o metric p a r a mete r s   o n   th e  q u a li ty    . . .   ( Ha mid   B o u yg h f)   2921   3 . 2 .   A na ly s is   o f   t he  s pira l in du ct o r  m o del   T h e  p h y s ical  m o d el  o f   s p ir al  i n d u cto r   o n   s ilico n   i s   a  v er y   p o p u lar   m o d el  u s ed   in   m icr o elec tr o n ic  R F   d esig n   [ 1 4 ] .   I ts   m o d el  p ar a m e ter   v alu e s   ca n   b e  ex p r ess ed   d i r ec tl y   u s i n g   th e  g eo m etr y   o f   t h e  s p ir al  i n d u cto r .   An   ap p r o ac h   is   d ev elo p ed   in   [ 1 5 ]   to   d ir ec t  p ar am eter   e x tr ac tio n   b ased   o n   th e  m ea s u r ed   t w o - p o r t    S - p ar a m eter s .   Fig u r e  3   p r esen t s   t h e  eq u iv ale n t  cir c u it  m o d el  o f   th e  in d u cto r ,   th e  m o d el  p ar a m eter s   ar e  Rs ,  R s i ,  Cs ,  C o x ,  Csi   an d   Ls .   W h er e  L s   is   th e  in d u ctan ce   o f   t h e  s p ir al,   C o x   r ep r esen ts   th e  ca p ac itan ce   b et w ee n   th e  s p ir al   an d   t h e  s ilico n   s u b s tr ate.   R s i   an d   C s i   m o d el  t h e  r esi s ta n ce   an d   t h e  ca p ac ita n ce   o f   t h e  s u b s tr ate  r esp ec tiv el y ,   an d   C s   m o d el s   t h e  p ar allel - p late  ca p ac itan ce   b et w ee n   t h e  s p ir al  an d   t h e  ce n ter tap   u n d er p ass .   Ho w ev er ,   w e  h a v e  co n s id er ed   th e  s i m p lif ie d   eq u i v ale n t  cir c u it  s h o wn   in   Fi g u r e  4   to   ca lcu late  th e   in d u cta n ce   v alu e .   T h er ef o r e,   th e  in d u cta n ce   v al u e  f o r   a  g iv e n   f r eq u e n c y   ( f )   is   d eter m i n ed   b y   E q u a tio n   ( 3 )   [ 1 6 ] :       ( 3 )     T h er ea f ter ,   w e   w ill  u s e  t h is   eq u atio n   to   ca lc u late   t h e  i n d u ctan ce   u s i n g   Y - p ar a m e ter   o b tain ed   f r o m   A D S   Mo m en t u m   s o f t w ar e.           Fig u r e  3 .   P h y s ical  m o d el  o f   a  s p ir al  in d u cto r   [ 1 7 ,  1 8 ]       Fig u r e  4 .   Si m p li f ied   eq u i v alen t c ir cu it f o r   ca lcu lati n g   in d u cta n ce   v a lu e     w h er e  C s u b 1 =C s u b 2 = Cs i   an d   R s u b 1 =R s u b 2 = R s i   T h e  p ar am eter s   R s ,   R s i,  C s ,   C o x   a n d   Csi   ar e  d ef in ed   b y   t h e  f o llo w i n g   eq u a tio n s   [ 1 4 ] :       ( 4 )       ( 5 )       ( 6 )       ( 7 )       ( 8 )       ( 9)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,  No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 9 1 8   -   2931   2922   w h er e  σ   is   th e  m etal  co n d u cti v it y   at  d c,   δ  is   th e  m etal  s k i n   d ep th ,   t  is   th e  m etal  t h ic k n e s s ,   t oxM1 - M2  is   t h e  o x id e   th ic k n e s s   b et w ee n   s p ir al  an d   ce n ter tap ,   t ox   i s   th e  o x id e  th ic k n e s s   b et w ee n   s p ir al  an d   s u b s tr ate,   l  is   th e  o v er all   len g th   o f   s p ir al,   w   i s   t h e  l in e  w id t h ,   G sub   is   th e   s u b s tr ate  co n d u cta n ce   p er   u n it   ar ea ,   an d   C sub is   t h e  s u b s tr at e   ca p ac itan ce   p er   u n it a r ea .   T h e  p a r allel  eq u iv alen t  cir cu it   o f   s p ir al  in d u c to r   s h o w n   in   Fi g u r e  5   is   u s ed   f o r   ca lcu latio n   t h e  q u alit y   f ac to r   ( Q)   o f   th e  in d u cto r   [ 1 8 ] :           Fig u r e   5 .   T h e  p ar allel  eq u iv alen t c ir cu i t o f   th e  s p ir al  in d u c t o r   [ 1 8 ]       T h e  q u alit y   f ac to r   ( Q)   ca n   b e  ex p r ess ed   as [ 1 8 ] :       ( 1 0 )                               w h er e         ( 1 1 )                                 ( 1 2 )     T h e  q u alit y   f ac to r   ca n   also   b e  ca lcu lated   f r o m   th e  Y - p ar a m et er s   as [ 1 6 ] :       ( 1 3 )     W e  w ill  u s e  ( 1 3 )   to   ca lcu late  th e  q u a lit y   f ac to r   u s i n g   th e  Y - p ar a m eter   o b tain ed   f r o m   A D S   Mo m en t u m   s o f t w ar e.   T h e  in d u ctan ce   L s   is   m o d eled   b y   t h e  f o llo w i n g   m o n o m ial  e x p r ess io n   [ 1 7 ,  1 8 ] :       ( 1 4 )     w h er e       ( 1 5 )       ( 1 6 )      an d   i   ( i=1 ,   2 …  5 )   ar e  t h e  co ef f icien t s   d ep en d   o n   th e   in d u c to r   to p o lo g y .   T h e  co ef f icie n ts   f o r   s q u ar e  in d u cto r   ar e  [ 1 9 ] :   = 1.62e - 3,  1  = - 1.21,  2  = - 0. 147,  3  = 2.4,  4  = 1.7 8,  5  = - 0.03   Rs Ls Cs Rp Cp P1 P2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A n a lysi s   o f th e  imp a ct  o f m eta l th ickn ess   a n d   g e o metric p a r a mete r s   o n   th e  q u a li ty    . . .   ( Ha mid   B o u yg h f)   2923   4.   O P T I M I Z AT I O N  M E T H O DO L O G Y  F O R  I NDUC T O R  DE S I G N   4 . 1 .   P ro ble m   f o r m u la t io n   T h e   A B C   o p ti m izatio n   m et h o d   is   ex ec u ted   o n   a  v ec to r   o f   d esig n   v ar iab les  o f   R F  cir cu it.  I n   f ac t,   th e  b ee   p o s itio n   v ec to r   is   t h e   x 1 ,   x 2 , …x d   d e s ig n   v ar iab les  o f   cir cu it.  At  f ir s t,  ea ch   b ee   ( i - th   b ee )   p o s itio n   v ec to r   is   r an d o m l y   in i tialized .   I n   ea ch   iter atio n ,   t h e  A B C   alg o r ith m   r u n s   t h e  p r o g r a m m e  f o r   ea ch   b ee   an d   ev alu a tes  a   C o s t   F u n c tio n   ( C F),   d escr ib ed   in   t h e  f o r m   o f   a   p o s y n o m ial  f u n ctio n   w it h   i n eq u alit y   co n s tr ain t s   ex p r ess ed   as p o s y n o m ia l f u n ct io n s   an d   eq u al it y   co n s tr ai n ts   a s   m o n o m ial  f u n ctio n s   [ 2 0 ] :   A   m o n o m ia l  f u n ctio n   h as t h e  f o llo w i n g   f o r m :       ( 1 7 )     w h er e  B   is   a  p o s itiv e  co n s ta n t   ( B   >  0 ) ,   x 1 ,   x 2 …a n d   x n   ar e  r ea l  p o s itiv e  v ar iab les:   a 1 ,   a 2 . . .   an d   a n  ar e  co n s tan t s   k n o w n   a s   t h e  e x p o n e n ts   o f   t h e  m o n o m ial.   An y   p o s iti v e  co n s tan t   is   a  m o n o m ial.   Mo n o m i als  ar e  clo s ed   u n d er   m u ltip licatio n   a n d   d iv i s io n .   A  p o s y n o m ial  f u n ctio n   is   a   s u m   o f   o n e   o r   m o r e  m o n o m ial  f u n ctio n s   a s   s h o w n   i n   th e  f o llo w i n g   eq u atio n   ( C F o b tain ed   b y   eq u i v ale n t c ir cu it a n al y s i s   o f   R F c ir cu i t) :       ( 1 8 )     So ,   th e  d esig n   p r o b lem   o f   th e  s p ir al  in d u cto r   ca n   b e   f o r m u la ted   as:   Ma x i m ize  o f   Q - q u al it y   f ac to r   ( Min i m ize  Q req ):   [ C o s t  Fu n cti o n   ( C F)  is   d o n e  b y   ( 1 0 ) ]   Su b j ec t to         : Req u ir ed   in d u c tan ce     I n d ep en d en t g eo m etr y   p ar a m e ter s   co n s tr ai n ts   m a y   b e  ad d ed   s u c h   as:   a.   Nu m b er   o f   t u r n   :  n   ≤   4   b.   Min i m u m   v al u e  o f   t h e   tr ac k   wid th :  w   ≤   1 2 µm   c.   Min i m u m   o f   s p ac in g : sp   =  2 . 5 µ m   d.   Ou ter   d ia m eter : d in   ≤   1 4 5 µm   Fo r   r ed u cin g   t h e  p ar asit ic  e f f ec t  d u e  to   th e  p r o x i m it y   p r o b lem   [ 2 1 ] ,   w e  w ill  r esp ec t  th is   ad d   co n s tr ain t:       ( 1 9 )     T h e  o b j ec t f u n ctio n   f i n d s   t h e  g lo b al  m i n i m u m   C F  f o r   its   ex p r ess io n :       ( 2 0 )     w h er e  Q req =1 /Q,   P en al t y :   P en alt y   o f   ea ch   co n s tr ai n t  v io latio n ,   S u m   ( C t) :  So m e   o f   all  co n s tr ai n ts     ( C t  ( 1 ) ,   C t  ( 2 ) …) .   E q u atio n   ( 2 0 )   is   th e  m in i m u m   v alu e  o f   Ob j Val  ( C F)  g u ar a n tees  th e  m ax i m a l  v al u e  f o r     Q - f ac to r   f o r   L s r eq =  4   n H  an d   F req =f s =   2 . 4   GHz .   T h e  tech n o lo g ical  p ar a m eter s   ar e  s u m m ar ized   in   T ab le  1   f o r   UM C   1 3 0 n m   C MO S tec h n o lo g y .   A l g o r ith m   co n tr o l  p ar am eter s   ar e  g iv e n   in   T ab le  2 .   T h e  n u m b er   o f   iter atio n s   is   eq u al  to   1 0 0 0 .   Fo r   th e  s p ir al  i n d u cto r   d esig n ,   t h e  A B C   al g o r ith m   s tar ts   w it h   cr e atio n   o f   t h e  in itial  b ee s   b y   r an d o m izat io n ,   w h er e   ea ch   b ee   is   co m p o s ed   b y   f o u r   d esig n   v ar iab les  [   d in =B ee ( :,1 ) ,   w =B ee ( :,2 ) ,   s p =B ee ( :,3 ) ,   n =  B ee ( :,4 )   ] ,   r ep r esen tin g   th e  la y o u t  g eo m etr y   p ar a m eter s ,   an d   m u s t   o b ey   to   v ar iab le  b o u n d ar ies  ( u p p er   an d   lo w e r   b o u n d ar ies).                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,  No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 9 1 8   -   2931   2924   T ab le  1 .   T ec h n o lo g ical  p ar a m eter s   f o r   in d u cto r   d esi g n   N a me   S y mb o l   V a l u e   M e t a l   t h i c k n e ss   T h i c k n e ss o f   t h e   o x i d e   i n s u l a t o r   b e t w e e n   t h e   sp i r a l   a n d   u n d e r p a ss   t M1 - M2   T h i c k n e ss o f   t h e   o x i d e   M e t a l   c o n d u c t i v i t y   S u b s t r a t e   c o n d u c t a n c e   G su b   P e r mi t i v i t y   o f   t h e   o x i d e   S u b s t r a t e   t h i c k n e ss   S u b s t r a t e   r e si st i v i t y   S u b s t r a t e     p e r mi t i v i t y   M a g n e t i c   P e r me a b i l i t y   o f   t h e   f r e e   sp a c e   t   t o xM 1M 2     t ox   σ   G s ub   E ox   t s ub   ρ   ε   r     u ( mj u )   2 . 8 e - 6   0 . 4 e - 6     5 . 4 2 e - 6   1 / 2 . 6 5 e - 8   2 . 4 3 e 5   3 . 4 5 3 e - 11   7 0 0 e - 6   2 8   Ω . c m   1 1 . 9   1 . 2 5 6 e - 6         T ab le  2 .  A B C   co n tr o l  p ar am et er s   f o r   in d u cto r   d esi g n   P a r a me t e r   n a me                               V a l u e   C o l o n y   si z e   ( C S )   N u mb e r   o f   O n l o o k e r s b e e s   N u mb e r   o f   Em p l o y e d   b e e s   N u mb e r   o f   F o o d   so u r c e s     1 0 0   5 0 %  o f   T h e   sw a r m    5 0 %  o f   T h e   sw a r m    C S / 2       4 . 2 .   O pti m iza t io n r esu lt s   T h e  d esig n   a n d   s i m u l atio n   r esu lt s   o f   4   n H  in d u cto r   f o r   an   o p er atio n   f r eq u e n c y   o f   2 . 4   GHz   ar e   ad d r ess ed   u s in g   UM C   1 3 0 n m   C MO S  tech n o lo g y   p ar a m eter s   s h o w n   i n   T ab le  1 .   T h e  A B C   o p ti m izat io n   r esu lt s   ar e  d o n e  an d   v er if ied   w it h   u s i n g   an   E M  s i m u lato r   ( Mo m en t u m - ADS)   [ 2 2 ] .   A   m a x i m u m   to l er an ce   δ   an d   r elativ e  er r o r   o f   4 %  r esp e ctiv el y   ar e  as s u m ed   an d   ac ce p ted .   T ab le   3   g iv es  th e  r es u lts   o b tain ed   b y   A B C .   Fig u r e  6   g iv e s   th e  co s t  f u n ctio n   v er s u s   n u m b er   o f   iter atio n s .   Fig u r e  7   s h o w s   t h e  Mo m en tu m - ADS  s i m u lat io n   r esu lt s   ( Q  a n d   L )   u s in g   t h e  o b tain ed   o p ti m al  v al u es   b y   A B C - b ased   m et h o d   [ 8 ]   f o r   R F   C MO S  s q u ar e  s p ir al   in d u cto r .         T ab le  3 .  Op tim izatio n   r esu l ts   o b tain ed   b y   A B C   al g o r ith m   s p   ( µ m)   d in   ( µ m)   w  ( µ m)   n   d o ut   ( µ m)   L r e q   ( n H )   L A B C   ( n H )   δ   ( %)   Q A B C   2 . 5   1 4 0 . 4 5   1 1 . 15   3 . 5   2 3 1   4   3 . 9 6   1   1 2 . 7 1           F ig u r e  6 .   C o s t f u n ctio n   o f   t h e  s p ir al  in d u cto r   v er s u s   I ter atio n s       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A n a lysi s   o f th e  imp a ct  o f m eta l th ickn ess   a n d   g e o metric p a r a mete r s   o n   th e  q u a li ty    . . .   ( Ha mid   B o u yg h f)   2925         Fig u r e   7 .   Mo m e n t u m - ADS   s i m u latio n s   f o r   L   a n d   Q       W e  n o tice  th at  th e  s i m u lat io n   r esu l ts   ar e  in   g o o d   ag r ee m en t  w it h   th o s e  o b tain ed   u s i n g   th e  A B C   tech n iq u e.   T ab le  4   s h o w s   t h e   co m p ar is o n   o f   r esu lts   b et w e en   ev a lu ated   a n d   s i m u lated   with   elec tr o m ag n etic   s i m u lato r .       T ab le  4 .  C o m p ar is o n   o f   o p ti m ized   an d   s i m u lated   r es u lts   L A B C   ( n H )   L M o m . *   ( n H )   Er r o r   (L )   ( %)   Q A B C   Q M o m . *   Er r o r   (Q )   ( %)   3 . 9 6   3 . 9 5   0 . 2 5   1 2 . 7 1   1 2 . 2 5   3 . 7 5   *   M o me n t u m - E M   S i mu l a t o r       5.   I NF L U E NC E   O F   T H E   G E O M E T RIC   P ARAM E T E R S  AND  M E T A L   T H I CK N E SS   O N  T H E   Q UA L I T Y  F AC T O R - Q   T h is   s ec tio n   w ill  s t u d y   t h e   i m p ac t   o f g eo m etr ic  p ar am e ter s   an d   m etal  th ick n es s   o f   in d u cto r s ,   o n   th e   f ac to r   o f q u alit y   b y   t h e  ex p lo itin g   o f   t h e  o p ti m ized   r esu lt   o b tain ed   as   s h o w n   in   T ab le   3 .   Fo r   th e  s tu d y   o f   ea ch   o n e ,  t h e  p ar a m eter   to   b e  s tu d ied   h as b ee n   v ar ied .     5 . 1 .   I m pa ct   o f   t he  g eo m et ric  pa r a m et er s   o f   ind uct o r  o n t he  f a ct o r  o f   qu a lity   I n   o r d er   to   an al y ze t h e  i n f l u en ce   th at   t h e  g eo m etr ic   p ar a m et er s   o f   th e   i n d u cto r   h av e   o n   t h e  q u a lit y   f ac to r - Q  b e h av io r ,   w e  u s e  m a tlab   s o f t w ar e  f o r   s i m u lat io n s   w it h   e x p lo itin g   o f   th e  o p ti m iz atio n   r esu lts   s h o w n   in   T ab le  3 .   W h ile  v ar y i n g   n u m b er   o f   t u r n s   ( n ) ,   th e  tr ac e  w i d th   ( w ) ,   s p ac in g   b et w ee n   tr ac k s   ( s p ) ,   an d   th e  in n er   d ia m eter   ( d in ) ,   r ea s o n s   o f   ch a n g e s   in   t h e  q u a lit y   f ac to r - Q  b eh av io r   o f   i n d u cto r   ar e  an al y z ed   in   d etail  f o r   ea ch   ca s e.   T h e  m a x i m u m   Q  ( Q m ax )   an d   s elf - r eso n a n ce   f r eq u e n c y   ( SF R )   ar e  ea s il y   ex tr ac ted   f r o m   t h e  cu r v e  o f   Q  v er s u s   f r eq u en c y .     5 . 1 . 1 .   Sepa ra t io n bet w ee n t ra ck s :   s p   T o   an al y s i s   th e  v ar iatio n   o f   t h is   p ar am e ter   o n   th e  f ac to r   o f   q u alit y ,   s i x   in d u cto r   t y p es  ar e  c h o s en   f o r   s i m u lat io n ,   all  t h ese  i n d u cto r s   h a v e  th e  s a m e  g eo m e tr ical  p ar am eter s   ex ce p t  f o r   s ep ar atio n   b et w ee n   tr ac k s   ( s p ) .   T h e  w =1 1 . 1 5 u m ,   d in =1 4 0 . 4 5 u m ,   an d   t h e  n u m b er   o f   t u r n s   n =3 . 5 .   A s   t h e   s p ac in g   b et w ee n   tr ac k s   v ar y i n g   f r o m   1 . 5   to   4   u m ,   th e  p er f o r m an ce   o f   t h e  s p ir al  in d u cto r s   is   s h o w n   in   F ig u r e  8   an d   T ab le  5 .   Fig u r e  8   an d   T a b le  5   s h o w   t h at  th e  m a x i m u m   q u ali t y   f ac t o r - Q m a x   d ec r ea s es  w it h   th e  i n cr ea s e  o f   th e  s p ac i n g   s p .   A s   th e   s p   d ec r ea s es,  th e   s u b s tr ate  co u p li n g   h a s   n o   clea r   ch a n g e,   s o   t h e  ch an g e s   o f   Fre q   ( Q m ax )   a n d   SR F a r e  n o t c lear .   T h e  r ea s o n   f o r   th e  d ec r ea s e  o f   Q m ax   i n   t h at  t h e  in cr ea s e  o f   t h e  s p ac i n g   b et w ee n   ad j ac en t m eta l   tr ac es lo w er s   t h e  m a g n etic  co u p li n g   o f   th e  m etal  tr ac es.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,  No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 9 1 8   -   2931   2926       Fig u r e   8 .   Si m u latio n   r esu l ts   o f   q u alit y   f ac to r   f o r   d if f er en t  v al u es o f   s p       T ab le  5 . R esu lts   o f   s i m u latio n   f o r   d if f er e n t v a lu e s   o f   s p   I n d u c t o r   S p   ( u m)   Q max   F r e q / Q max   ( G H z )   S R F   ( G H z )   1   2   3   4   5   6   1 . 5   2   2 . 5   3               3 . 5                   4   1 8 . 9 8   1 8 . 7 9   1 8 . 6 2   1 8 . 4 6   1 8 . 3 1   1 8 . 1 8   6 . 2   6 . 2   6 . 2   6 . 2   6 . 2   6 . 5   1 2 . 6 2   1 2 . 7 9   1 2 . 9 6   1 3 . 0 7   1 3 . 2   1 3 . 3 5         5 . 1 . 2 .   T ra ce   w idth:   w   I n   th i s   s tu d y ,   w e  i n ten d   to   c o m p ar e  t h e  e f f ec t   o f   t h e  v ar i atio n   o f   t h e  tr ac k   w id t h   f o r   s ix   i n d u cto r   t y p es  w it h   th e  w   p ar a m eter   ta k in g   v alu e s   f r o m   6 . 1 5   to   1 1 . 1 5   μ m .   T h e  s p =2 . 5 u m ,   n =3 . 5 ,   an d   d in =1 4 0 . 4 5 u m .   Fig u r e  9   an d   T a b le  6   illu s tr at e  th e  p er f o r m an ce   o f   t h e  s p ir al  in d u cto r s   f o r   d if f er en t  tr ac e  w id t h s .   Fi g u r e  9   s h o w s   th at,   f o r   th e  s i m u lated   in d u cto r ,   as  i n cr ea s e s   th e   w i d th   o f   t h e  tr ac k   o f   t h e  s p ir al,   th e  q u al it y   f ac to r   in cr ea s es   it s   v al u e.   Ho w ev er ,   it  is   ap p r ec iated   th at   th e   i n d u ctan ce   i s   r ed u ce d ,   s i n ce   t h e  e n clo s ed   ar ea   i n   th e   s p ir al  is   s m a ller .   I n   ad d itio n ,   th e  r eso n a n ce   f r eq u e n c y   d ec r ea s es  d u e  to   ev id en t  in cr ea s e  in   p ar asit ic   ca p ac ities .           Fig u r e  9 .   Si m u latio n   r esu l ts   o f   q u alit y   f ac to r   f o r   d if f er en t  v al u es o f   w     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A n a lysi s   o f th e  imp a ct  o f m eta l th ickn ess   a n d   g e o metric p a r a mete r s   o n   th e  q u a li ty    . . .   ( Ha mid   B o u yg h f)   2927   T ab le  6 .   R esu lts   o f   s i m u latio n   f o r   d if f er e n t v a lu e s   o f   w   I n d u c t o r   w  ( u m)   Q max   F r e q / Q max   ( G H z )   S R F   ( G H z )   1   2   3   4   5   6   6 . 1 5   7 . 1 5   8 . 1 5   9 . 1 5   1 0 . 1 5   1 1 . 1 5   1 6 . 2   1 6 . 8 4   1 7 . 5   1 7 . 9 4   1 8 . 2 7   1 8 . 6 2   9 . 5   8 . 3   7 . 4   6 . 8   6 . 5   6 . 2   20   1 7 . 8   1 6 . 1   1 4 . 8 5   1 3 . 8   1 2 . 9 6       5 . 1 . 3 .   Nu m ber  o f   t urns :   n   T h e  s ix   in d u cto r   t y p es  h av e  b ee n   s i m u la ted   f o r   a  v alu e  o f   n u m b er   o f   tu r n s   ( n )   v ar y in g   f r o m   1 . 5   to   4   w it h   s tep   eq u al  to   0 . 5 .   T h e  d in =1 4 0 . 4 5 u m ,   s p =2 . 5 u m   a n d   w =1 1 . 1 5 u m .   Fi g u r e  1 0   an d   T ab le  7   illu s tr ates   th e  p er f o r m a n ce   o f   s p ir al  in d u cto r s   f o r   d if f er e n t  v al u e s   o f   n u m b er   o f   t u r n s   ( n ) .   W e  ca n   s ee   cle ar l y   t h at,   f o r   in cr ea s i n g   t h e  n u m b er   o f   tu r n s ,   th e   SR F  a n d   Q m a x   d ec r ea s es.  W h en   th e  n u m b er   o f   tu r n s   i n cr ea s e s ,   th en   m etal  lo s s   an d   s u b s tr ate  c o u p lin g   in cr ea s ed ,   t h is   i s   th e  r ea s o n   f o r   th e  d ec r ea s e  o f   Q m a x   an d   S R F.           Fig u r e  1 0 .   Si m u latio n   r es u lt s   o f   q u al it y   f ac to r   f o r   d if f er en t v alu e s   o f   n       T ab le  7 . R esu lts   o f   s i m u l atio n   f o r   d if f er e n t v a lu e s   o f   n   I n d u c t o r   n   Q max   F r e q / Q max   ( G H z )   S R F   ( G H z )   1   2   3   4   5   6   1 . 5   2   2 . 5   3   3 . 5   4   2 0 . 5 2   2 0 . 1 9   1 9 . 7 3   1 9 . 1 5   1 8 . 6 2   18   1 6 . 1   11   8 . 6   7 . 7   6 . 2   5 . 6   3 5 . 4   2 4 . 8   1 8 . 6   1 5 . 1   1 2 . 9 6   1 1 . 1       5 . 1 . 4 .   Va ria t io n o f   inn er   dia m et er :   d in   T h e  s ix - in d u cto r   t y p es  h av e  b ee n   s i m u lated   w ith   d i f f er en t   d in   v alu e s .   T h e  s p =2 . 5 u m ,   w= 1 1 . 1 5 u m   an d   n =3 . 5 .   T h e  p er f o r m a n ce   o f   i n teg r ated   s p ir al  in d u cto r s   f o r   d in   f r o m   1 4 0 . 4 5 u m   to   1 9 0 . 4 5 u m   w it h   s tep   eq u a l  to   1 0 u m   i s   ill u s t r ated   i n   F i g u r e  1 1   an d   T ab le  8 .   I n n er   d ia m eter   ( d in )   h as  b ee n   v ar ied   f r o m   1 4 0 . 4 5   t o   1 9 0 . 4 5 µm .   A s   t h e  I n n er   d ia m ete r   o f   s p ir al  in d u cto r s   is   i n cr ea s ed ,   s elf - r eso n an t  f r eq u e n c y   o f   i n d u ct o r   d ec r ea s es  s ig n i f ican tl y .   As  th e  d in   d ec r ea s es ,   th e  p r o x i m it y   e f f ec t   b ec o m es  s i g n if ican t   en o u g h   to   i n tr o d u ce   an   ed d y   c u r r en t  i n   th e  m etal  tr ac es,  co n s eq u e n tl y   in cr e a s in g   t h e  s e r ies r esis ta n ce   [ 2 3 ,   2 4 ] .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.