Dans les circuits RF et micro-ondes à large bande, une inductance ne peut pas être évaluée uniquement par son inductance nominale. À des fréquences plus élevées, la capacité parasite du composant, la résistance du conducteur, la géométrie de montage, la longueur du fil, la fréquence d'auto-résonance et l'interaction avec la ligne de transmission peuvent devenir aussi importantes que la valeur d'inductance imprimée sur la fiche technique.

C'est pourquoi les ingénieurs RF utilisent souvent des inductances coniques dans les réseaux de polarisation à large bande, les amplificateurs micro-ondes, les modules de test RF et d'autres circuits qui doivent transporter du courant continu sans perturber de manière significative le chemin du signal RF.

Contrairement à une bobine cylindrique classique, un inducteur conique a un diamètre d'enroulement qui change progressivement d'une extrémité à l'autre. Cette géométrie conique produit une structure électrique distribuée plutôt qu'une simple inductance idéale. Lorsqu'il est correctement conçu et installé, il peut fournir une impédance RF utile sur une plage de fréquences plus large que de nombreux inducteurs conventionnels à géométrie unique.

Cet article explique les principes électromagnétiques derrière les inductances coniques, leur rôle dans les réseaux de polarisation en T et RF, l'importance de la fréquence d'auto-résonance et comment les paramètres S peuvent être utilisés pour évaluer les performances haute fréquence. L'inducteur conique HALT20005 est référencé comme un exemple de produit pratique plutôt que comme une preuve qu'un composant convient à chaque circuit RF.

Qu'est-ce qu'un inducteur conique ?

Un inducteur conique est un enroulement à noyau d'air formé en une structure conique ou en forme de cône. Une extrémité du bobinage a un diamètre plus petit, tandis que l’extrémité opposée a un diamètre plus grand.

Étant donné que le composant n'utilise pas de noyau magnétique en ferrite ou en poudre, son inductance est produite principalement par le champ magnétique entourant le conducteur. Cette construction à noyau d'air évite la saturation du noyau magnétique et élimine les pertes par hystérésis associées aux matériaux magnétiques.

Cependant, un inducteur RF n’est pas un composant groupé idéal. Son comportement électrique comprend :

· Inductance prévue

· Résistance du conducteur série

· Capacité inter-tours

· Capacité au PCB ou au boîtier

· Inductance de plomb

· Pertes par effet de peau et effet de proximité

· Rayonnement et couplage aux structures voisines

À des fréquences relativement basses, le terme inductif peut dominer. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, ces effets parasites modifient progressivement l'impédance du composant.

Le HALT20005 est spécifié avec une inductance de120 nH ±20 %, unDiamètre du fil 0,05 mm, un courant maximum de200 mA, une plage de fréquences de fonctionnement de200 MHz à 40 GHz, et une plage de températures de fonctionnement de−55°C à +125°C.

Ces valeurs décrivent les limites nominales de conception du produit, mais elles ne signifient pas que le composant se comporte comme une inductance parfaite de 120 nH à chaque fréquence de 200 MHz à 40 GHz.

Pourquoi les modèles d'inducteurs conventionnels deviennent inexacts aux fréquences micro-ondes

Pour un inducteur idéal, la réactance est généralement exprimée comme suit :

XL=2πfLX_L=2\pi fLXL​=2πfL

Selon cette équation, la réactance inductive augmente à mesure que la fréquence augmente. Par exemple, une inductance idéale de 120 nH présenterait théoriquement une plus grande impédance à plusieurs gigahertz qu'à quelques centaines de mégahertz.

Les vrais inducteurs RF ne continuent pas à suivre indéfiniment cette relation idéale.

Un circuit équivalent haute fréquence simplifié comprend généralement :

· Inductance LLL

· Résistance série RsR_sRs​

· Capacité parasite CpC_pCp​

La capacité parasite existe entre les spires, entre le bobinage et la surface de montage, et entre le composant et les structures conductrices environnantes.

À mesure que la fréquence augmente, la réactance capacitive diminue. Finalement, les effets inductifs et capacitifs interagissent suffisamment fortement pour créer une condition de résonance.

Quelle est la fréquence d’auto-résonance d’un inducteur RF ?

Lefréquence auto-résonante, communément abrégé enSRF, est la fréquence à laquelle la réactance inductive effective de l'inducteur et la réactance capacitive parasite s'équilibrent.En dessous du premier SRF dominant, le composant se comporte généralement majoritairement comme un inducteur.

A proximité de la résonance, son impédance peut atteindre un pic, et le composant devient très sensible à :

· Disposition des circuits imprimés

· Appareil d'essai

· Longueur du fil

· Espacement au sol

· Métal à proximité

· Matériaux adhésifs et de support

· Plan de référence d'étalonnage

Au-dessus de la résonance, un modèle classique à inducteur localisé peut ne plus suffire. Le composant peut présenter un comportement capacitif, distribué ou multi-résonant.

Pour cette raison, l'expression"Fréquence de fonctionnement jusqu'à 40 GHz"ne doit pas automatiquement être interprété comme :

· L'inductance reste exactement à 120 nH sur toute la bande ;

· l'impédance augmente continuellement jusqu'à 40 GHz ;

· le même SRF s'applique à chaque installation ;

· les performances du circuit sont indépendantes de la configuration ;

· l'inducteur convient à chaque conception de 40 GHz.

Une interprétation plus précise est que le composant a été conçu et évalué pour être utilisé dans la plage de hautes fréquences indiquée, tandis que l'adéquation finale doit être vérifiée dans la configuration réelle du circuit et du montage du client.

Comment la géométrie conique prend en charge les performances RF à large bande

Le principal avantage de la forme conique est qu’elle crée un enroulement avec un diamètre, une géométrie de spire et des paramètres parasites répartis sur toute sa longueur.

Un inducteur à noyau d'air cylindrique classique a un diamètre relativement uniforme. Ses spires ont donc tendance à avoir des relations d'inductance et de capacité plus uniformes.

Un enroulement conique est différent. Étant donné que sa géométrie change progressivement de l'extrémité étroite à l'extrémité large, différentes sections de la bobine contribuent à différentes caractéristiques inductives et capacitives locales.

Cela n'élimine pas la résonance. Au lieu de cela, la géométrie changeante peut aider à répartir le comportement résonnant sur une gamme de fréquences plus large plutôt que de concentrer tous les effets parasites autour d’une résonance étroite.

Concrètement, le composant se comporte plutôt comme unstructure RF distribuéequ'un seul élément regroupé parfait.

C'est l'une des raisons pour lesquelles les inductances coniques sont envisagées pour les circuits à large bande dans lesquels les ingénieurs ont besoin d'une isolation RF utile sur une gamme de fréquences plus large.

Les performances réelles dépendent toujours de :

· Nombre de tours

· Angle du cône

· Diamètre minimum et maximum

· Diamètre du fil

· Espacement des virages

· Géométrie du plomb

· Orientation d'installation

· Structure de la ligne de transmission environnante

Par conséquent, « conique » ne signifie pas automatiquement « meilleur ». La géométrie des composants doit être adaptée à la bande passante, au courant, à l'impédance et à la configuration mécanique requis.

Pourquoi les inducteurs coniques sont utilisés dans les circuits en té de polarisation

L'une des applications les plus importantes d'un inducteur conique à large bande est laT-shirt biais.

Un Bias Tee est un réseau à trois ports qui combine ou sépare :

· Un signal RF

· Une alimentation de polarisation CC

· Un chemin combiné RF-plus-DC

Un biais en t simplifié contient généralement :

· Un condensateur dans la branche RF pour bloquer le courant continu ;

· une inductance ou une self RF dans la branche DC pour bloquer la RF ;

· un port commun connecté au périphérique actif ou à la ligne de transmission.

L'inductance doit laisser passer le courant continu tout en présentant une impédance suffisamment élevée au signal RF. Cela permet d'empêcher l'énergie RF de pénétrer dans le réseau d'alimentation électrique.

En pratique, le défi de conception est plus compliqué que la sélection d’une valeur d’inductance élevée.

Une inductance nominale plus élevée peut améliorer l'impédance aux fréquences plus basses, mais elle peut également introduire :

· Capacité parasite plus élevée

· Un premier SRF inférieur

· Plus de perte d'insertion

· Des dimensions physiques plus grandes

· Interaction plus forte avec les conducteurs à proximité

Une inductance conique à large bande est donc utile car sa géométrie distribuée peut prendre en charge l'étouffement RF sur une large bande tout en fournissant un chemin de courant continu.

Pour HALT20005, le courant maximum spécifié est200 mA. Cette valeur doit être traitée comme une valeur nominale maximale du produit plutôt que comme un courant recommandé pour chaque condition de fonctionnement. L'échauffement thermique, la température ambiante, la méthode de montage et les exigences de fiabilité du circuit doivent également être pris en compte.

Comment les paramètres S aident à évaluer un inducteur conique

Aux fréquences micro-ondes, les mesures conventionnelles de résistance, d'inductance et de capacité sont souvent insuffisantes. Les ingénieurs utilisent généralement un analyseur de réseau vectoriel pour mesurerParamètres S.

Les paramètres S décrivent comment l'énergie RF est réfléchie et transmise à travers un réseau.

Les mesures les plus pertinentes comprennent généralement :

S11 : Coefficient de réflexion d'entrée

S11 indique la quantité d'énergie réfléchie au port d'entrée.

Un changement dans S11 peut révéler :

· Inadéquation d'impédance

· Comportement résonnant

· Interaction des appareils

· Modifications causées par l'orientation de montage

S11 à lui seul ne prouve pas directement qu’un composant est « bon » ou « mauvais ». Sa signification dépend de la topologie de mesure et de la fonction prévue de l'inducteur.

S21 : Transmission avant

S21 indique la quantité de signal passant du port 1 au port 2.

Dans un test en série ou basé sur un appareil, S21 peut être utilisé pour observer la perte de transmission ou l'atténuation du signal. Lors d'une évaluation d'inductance RF, une transmission plus faible dans la branche indésirable peut indiquer une isolation RF plus forte, mais l'interprétation exacte dépend de la manière dont le composant est connecté pendant le test.

Pourquoi le dispositif de test est important

À plusieurs gigahertz, le luminaire fait partie du système électrique mesuré.

Le résultat peut être affecté par :

· Géométrie de lancement du connecteur

· Dimensions du microruban

· Continuité de terre

· Longueur du joint de soudure

· Qualité d'étalonnage

· Position du plan de référence

· Résonance du luminaire

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