In breedbandradiofrequentie en microgolfcircuits kan een inductor niet alleen worden beoordeeld aan de hand van zijn nominale inductance.montage-geometrie, loodlengte, zelfresonantiefrequentie en interactie met de transmissielijn kunnen even belangrijk worden als de op het datasheet gedrukte inductantiewaarde.

Daarom gebruiken RF-ingenieurs vaak conische inductoren in breedband bias netwerken, microgolfversterkers, RF-testmodules,en andere schakelingen die gelijkstroom moeten dragen zonder het RF-signaalpad aanzienlijk te verstoren.

In tegenstelling tot een conventionele cilindrische spoel heeft een kegelvormige inductor een wikkeldiameter die geleidelijk van het ene uiteinde naar het andere verandert.Deze conische geometrie produceert een verdeelde elektrische structuur in plaats van een eenvoudige ideale inductanceAls het correct is ontworpen en geïnstalleerd, kan het nuttige RF-impedantie bieden over een breder frequentiebereik dan veel conventionele inductoren met één geometrie.

Dit artikel legt de elektromagnetische principes achter conische inductoren uit, hun rol in Bias Tee en RF bias netwerken, het belang van zelfresonante frequentie,en hoe S-parameters kunnen worden gebruikt om de prestaties van hoge frequenties te evaluerenDe conische inductor HALT20005 wordt eerder genoemd als een praktisch productvoorbeeld dan als bewijs dat één onderdeel geschikt is voor elk RF-circuit.

Wat is een kegelvormige inductor?

Een kegelvormige inductor is een luchtkern winding gevormd in een conische of kegelvormige structuur.

Omdat het onderdeel geen ferriet- of poedermagnetische kern gebruikt, wordt de inductance voornamelijk geproduceerd door het magnetische veld rond de geleider.Deze luchtkernconstructie vermijdt de verzadiging van de magnetische kern en elimineert hysteresisverliezen in verband met magnetische materialen.

Een RF-inductor is echter geen ideaal gebundeld onderdeel.

· Verwachte inductantie

· Serie geleider weerstand

· Capaciteit tussen bewegingen

· Capaciteit van het PCB of de behuizing

· Loodinductiviteit

· Verliezen door huid- en nabijheidseffecten

· Straling en koppeling aan nabijgelegen structuren

Bij relatief lage frequenties kan de inductieve term overheersen.

De HALT20005 is gespecificeerd met een inductantie van120 nH ±20%, a00,05 mm draaddiameter, een maximale stroom van200 mA, een frequentiebereik van200 MHz tot en met 40 GHz, en een werktemperatuurbereik van-55°C tot +125°C.

Deze waarden beschrijven de nominale ontwerpgrens van het product, maar ze betekenen niet dat het onderdeel zich gedraagt als een perfecte 120 nH-inductor bij elke frequentie van 200 MHz tot 40 GHz.

Waarom conventionele inductormodellen bij microgolffrequenties onnauwkeurig worden

Voor een ideale inductor wordt de reactantie gewoonlijk als volgt uitgedrukt:

XL=2πfLX_L=2\pi fLXL =2πfL

Volgens deze vergelijking neemt de inductieve reactantie toe naarmate de frequentie stijgt.Een 120 nH ideale inductor zou theoretisch een grotere impedansie hebben bij enkele gigahertz dan bij een paar honderd megahertz.

Echte RF-inducteurs blijven deze ideale relatie niet onbepaald volgen.

Een vereenvoudigd hoogfrequentie-equivalentcircuit omvat over het algemeen:

· Inductie LLL

· Serieweerstand RsR_sRs

· Parasietcapaciteit CpC_pCp

De parasitaire capaciteit bestaat tussen de bochten, tussen de wikkeling en het montageoppervlak en tussen het onderdeel en de omringende geleidende structuren.

Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de capacitieve reactantie af. Uiteindelijk wisselen de inductieve en capacitieve effecten sterk genoeg samen om een resonantie te creëren.

Wat is de zelfresonantiefrequentie van een RF-inductor?

Dezelfresonantiefrequentie, gewoonlijk afgekort alsSRF, is de frequentie waarbij de effectieve inductieve reactans en de parasitaire capacitieve reactans van de inductor elkaar in evenwicht brengen.Onder de eerste dominante SRF gedraagt het onderdeel zich over het algemeen hoofdzakelijk als inductor.

Bijna resonantie, de impedantie kan een piek bereiken, en het onderdeel wordt zeer gevoelig voor:

· PCB-opstelling

· Testinrichting

· Leidinglengte

· Ground spacing

· Bijbehorend metaal

· Kleefstoffen en dragermaterialen

· Kalibratie-referentievlak

Bovendien is een klassiek model van een gebundelde inductor niet meer voldoende, maar kan het capacitieve, verdeelde of multi-resonante gedrag vertonen.

Om deze reden is de uitdrukking∼werkfrequentie tot 40 GHz ∼moet niet automatisch worden uitgelegd als:

· Inductantie blijft precies 120 nH over de gehele band;

· impedantie verhoogt continu tot 40 GHz;

· in elke installatie dezelfde SRF wordt toegepast;

· de prestaties van de schakeling zijn onafhankelijk van de indeling;

· de inductor is geschikt voor elk 40 GHz-ontwerp.

Een nauwkeurigere interpretatie is dat het onderdeel is ontworpen en geëvalueerd voor gebruik binnen het opgegeven hoogfrequentiebereik,Terwijl de uiteindelijke geschiktheid moet worden geverifieerd in de werkelijke circuit en montageconfiguratie van de klant.

Hoe conische geometrie breedbandradiofuncties ondersteunt

Het belangrijkste voordeel van de kegelvormige vorm is dat het een winding creëert met veranderende diameter, draaigeometrie en verdeelde parasitaire parameters langs de lengte.

Een conventionele cilindrische luchtkern inductor heeft een relatief uniforme diameter.

Een kegelvormige winding is anders, omdat de geometrie geleidelijk verandert van het smalle uiteinde naar het brede uiteinde.verschillende secties van de spoel dragen bij aan verschillende lokale inductieve en capacitieve kenmerken.

Dit elimineert de resonantie niet.De veranderende geometrie kan helpen bij het verspreiden van resonantie gedrag over een breder frequentiebereik in plaats van het concentreren van alle parasitaire effecten rond een nauwe resonantie.

In de praktijk gedraagt het onderdeel zich meer als eenverspreide RF-structuurdan een enkel perfect gebundeld element.

Dit is een van de redenen waarom conische inductoren worden overwogen voor breedbandcircuits waarin ingenieurs nuttige RF-isolatie over een breder bereik van frequenties nodig hebben.

De werkelijke prestaties zijn nog steeds afhankelijk van:

· Rondtellen.

· Kegelhoek

· Minimale en maximale diameter

· Draaddiameter

· Draai-afstand

· Loodgeometrie

· Installatieoriëntatie

· Omringende transmissielijnconstructie

Daarom betekent conisch niet automatisch beter. De componentgeometrie moet worden afgestemd op de vereiste bandbreedte, stroom, impedance en mechanische lay-out.

Waarom conische inductoren worden gebruikt in Bias Tee-circuits

Een van de belangrijkste toepassingen van een breedbandconische inductor is deBias Tee.

Een Bias Tee is een netwerk met drie poorten dat:

· Een RF-signaal

· Een gelijkstroomvoorziening

· Een gecombineerd RF-plus-DC-pad

Een vereenvoudigde Bias Tee bevat meestal:

· Een condensator in de RF-afdeling om gelijkstroom te blokkeren;

· een inductor of RF-knoop in de gelijkstroomafdeling om RF te blokkeren;

· een gemeenschappelijke poort die is aangesloten op het actieve apparaat of de transmissielinie.

De inductor moet gelijkstroom laten passeren en tegelijkertijd een voldoende hoge impedantie aanbrengen voor het RF-signaal.

In de praktijk is de ontwerpuitdaging ingewikkelder dan het selecteren van een hoge inductantiewaarde.

Een hogere nominale inductantie kan de impedantie bij lagere frequenties verbeteren, maar het kan ook:

· Hogere parasitaire capaciteit

· Een lagere eerste SRF

· Meer invoegverlies

· Grotere fysieke afmetingen

· Sterkere interactie met nabijgelegen geleiders

Een breedband conische inductor is daarom nuttig omdat de verdeelde geometrie RF-verstikking over een breed band kan ondersteunen terwijl het nog steeds een gelijkstroompad biedt.

Voor HALT20005 is de gespecificeerde maximale stroom200 mADeze waarde moet worden beschouwd als een maximale productkwaliteit en niet als een aanbevolen stroom voor elke bedrijfsomstandigheden.en de vereisten inzake de betrouwbaarheid van de circuits moeten ook worden overwogen..

Hoe S-parameters helpen bij het beoordelen van een kegelvormige inductor

Bij microgolffrequenties zijn conventionele weerstand, inductantie en capaciteitsmetingen vaak onvoldoende.S-parameters.

S-parameters beschrijven hoe RF-energie wordt gereflecteerd en doorgegeven via een netwerk.

De meest relevante metingen zijn meestal:

S11: Inputreflectiekoëfficiënt

S11 geeft aan hoeveel energie wordt gereflecteerd op de invoerpoort.

Een wijziging in S11 kan wijzen op:

· Impedantie-afwijking

· Resonantie gedrag

· Interactie met de armaturen

· Veranderingen veroorzaakt door de oriëntatie van de montage

S11 alleen bewijst niet direct dat een onderdeel “goed” of “slecht” is. De betekenis ervan hangt af van de meettopologie en de beoogde functie van de inductor.

S21: Voorafgaande doorgifte

S21 geeft aan hoeveel signaal van poort 1 naar poort 2 gaat.

In een serie- of op armaturen gebaseerde test kan S21 worden gebruikt om transmissieverlies of signaalafzwakking te observeren.een lagere transmissie naar de ongewenste tak kan wijzen op een sterkere RF-isolatie, maar de exacte interpretatie hangt af van de wijze waarop het onderdeel tijdens de test is aangesloten.

Waarom de testregeling van belang is

Bij verschillende gigahertz maakt de armature deel uit van het gemeten elektrische systeem.

Het resultaat kan worden beïnvloed door:

· Startgeometrie van de connector

· afmetingen van de microstrip

· Ground continuity

· Lange soldeerslijm

· Kalibratie kwaliteit

· Stand van het referentievlak

· Resonantie van de armaturen

· Plaatsing van lood

De specificatie HALT20005 bevat typische testgegevens voor10 MHz ̇ 500 MHz,10 MHz20 GHz, en10 MHz ∼40 GHzIn het document wordt ook vermeld dat het 40 GHz-resultaat wordt beïnvloed door armaturenfactoren en alleen ter referentie wordt verstrekt.

Deze kwalificatie is technisch gezien van belang en voorkomt dat de 40 GHz-grafiek wordt gepresenteerd als een onvoorwaardelijke garantie voor identieke prestaties in het circuit.

Conische vs. cilindrische luchtkern vs. ferrietinductoren