In Hochfrequenz- und Mikrowellenschaltungen können Induktivitäten nicht nur anhand ihrer Nenninduktivität bewertet werden. Bei höheren Frequenzen können die parasitäre Kapazität des Bauteils, der Leiterwiderstand, die Montagegeometrie, die Anschlusslänge, die Eigenresonanzfrequenz und die Wechselwirkung mit der Übertragungsleitung genauso wichtig werden wie der auf dem Datenblatt angegebene Induktivitätswert.

Aus diesem Grund verwenden HF-Ingenieure häufig konische Induktivitäten in Breitband-Bias-Netzwerken, Mikrowellenverstärkern, HF-Testmodulen und anderen Schaltungen, die Gleichstrom führen müssen, ohne den HF-Signalweg wesentlich zu stören.

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen zylindrischen Spule hat eine konische Induktivität einen Wickeldurchmesser, der sich von einem Ende zum anderen allmählich ändert. Diese konische Geometrie erzeugt eine verteilte elektrische Struktur anstelle einer einfachen idealen Induktivität. Wenn sie richtig ausgelegt und installiert ist, kann sie über einen größeren Frequenzbereich als viele herkömmliche Induktivitäten mit einheitlicher Geometrie eine nützliche HF-Impedanz liefern.

Dieser Artikel erklärt die elektromagnetischen Prinzipien hinter konischen Induktivitäten, ihre Rolle in Bias-T- und HF-Bias-Netzwerken, die Bedeutung der Eigenresonanzfrequenz und wie S-Parameter zur Bewertung der Hochfrequenzleistung verwendet werden können. Die konische Induktivität HALT20005 wird als praktisches Produktbeispiel angeführt, nicht als Beweis dafür, dass eine Komponente für jede HF-Schaltung geeignet ist.

Was ist eine konische Induktivität?

Eine konische Induktivität ist eine Luftspule, die zu einer konischen oder kegelförmigen Struktur gewickelt ist. Ein Ende der Wicklung hat einen kleineren Durchmesser, während das gegenüberliegende Ende einen größeren Durchmesser hat.

Da das Bauteil keinen Ferrit- oder Pulverkern verwendet, wird seine Induktivität hauptsächlich durch das Magnetfeld um den Leiter erzeugt. Diese Luftkernkonstruktion vermeidet die Sättigung des Magnetkerns und eliminiert Hystereseverluste, die mit magnetischen Materialien verbunden sind.

Eine HF-Induktivität ist jedoch keine ideale konzentrierte Komponente. Ihr elektrisches Verhalten umfasst:

· Nenninduktivität

· Serienleiterwiderstand

· Zwischenwindungs-Kapazität

· Kapazität zur Leiterplatte oder zum Gehäuse

· Anschlussinduktivität

· Skin-Effekt und Nahwirkungseffekt-Verluste

· Abstrahlung und Kopplung an benachbarte Strukturen

Bei relativ niedrigen Frequenzen kann der induktive Term dominieren. Mit zunehmender Frequenz ändern diese parasitären Effekte allmählich die Impedanz des Bauteils.

Die HALT20005 ist spezifiziert mit einer Induktivität von 120 nH ±20%, einem Drahtdurchmesser von 0,05 mm, einem maximalen Strom von 200 mA, einem Betriebsfrequenzbereich von 200 MHz bis 40 GHzund einem Betriebstemperaturbereich von −55°C bis +125°C.

Diese Werte beschreiben die Nenn-Designgrenzen des Produkts, bedeuten aber nicht, dass sich die Komponente bei jeder Frequenz von 200 MHz bis 40 GHz wie eine perfekte 120 nH-Induktivität verhält.

Warum konventionelle Induktivitätsmodelle bei Mikrowellenfrequenzen ungenau werden

Für eine ideale Induktivität wird die Reaktanz üblicherweise ausgedrückt als:

XL=2πfLX_L=2\pi fLXL​=2πfL

Nach dieser Gleichung steigt die induktive Reaktanz mit steigender Frequenz. Zum Beispiel würde eine ideale 120 nH-Induktivität bei mehreren Gigahertz theoretisch eine höhere Impedanz aufweisen als bei einigen hundert Megahertz.

Reale HF-Induktivitäten folgen dieser idealen Beziehung nicht unbegrenzt.

Ein vereinfachter Hochfrequenz-Ersatzschaltkreis enthält im Allgemeinen:

· Induktivität LLL

· Serienwiderstand RsR_sRs​

· Parasitäre Kapazität CpC_pCp​

Die parasitäre Kapazität existiert zwischen den Windungen, zwischen der Wicklung und der Montagefläche sowie zwischen dem Bauteil und umgebenden leitenden Strukturen.

Mit zunehmender Frequenz nimmt die kapazitive Reaktanz ab. Schließlich interagieren die induktiven und kapazitiven Effekte stark genug, um einen Resonanzzustand zu erzeugen.

Was ist die Eigenresonanzfrequenz einer HF-Induktivität?

Die Eigenresonanzfrequenz, üblicherweise abgekürzt als SRF, ist die Frequenz, bei der sich die effektive induktive Reaktanz und die parasitäre kapazitive Reaktanz der Induktivität gegenseitig ausgleichen.Unterhalb der ersten dominanten SRF verhält sich die Komponente im Allgemeinen überwiegend wie eine Induktivität.

In der Nähe der Resonanz kann ihre Impedanz einen Spitzenwert erreichen, und die Komponente wird sehr empfindlich gegenüber:

· Leiterplattenlayout

· Testaufbau

· Anschlusslänge

· Abstand zum Masse

· Nahegelegenes Metall

· Klebe- und Stützmaterialien

· Kalibrierungsreferenzebene

Oberhalb der Resonanz ist ein konventionelles lumped-Induktivitätsmodell möglicherweise nicht mehr ausreichend. Die Komponente kann kapazitives, verteiltes oder multiresonantes Verhalten aufweisen.

Aus diesem Grund sollte die Formulierung “Betriebsfrequenz bis 40 GHz” nicht automatisch interpretiert werden als:

· Die Induktivität bleibt über das gesamte Band exakt 120 nH;

· die Impedanz steigt kontinuierlich bis 40 GHz an;

· die gleiche SRF gilt bei jeder Installation;

· die Schaltungsleistung ist unabhängig vom Layout;

· die Induktivität ist für jedes 40-GHz-Design geeignet.

Eine genauere Interpretation ist, dass die Komponente für die Verwendung im angegebenen Hochfrequenzbereich entwickelt und bewertet wurde, während die endgültige Eignung in der tatsächlichen Schaltung und Montagekonfiguration des Kunden überprüft werden muss.

Wie die konische Geometrie die Breitband-HF-Leistung unterstützt

Der Hauptvorteil der konischen Form ist, dass sie eine Wicklung mit sich änderndem Durchmesser, Windungsgeometrie und verteilten parasitären Parametern entlang ihrer Länge erzeugt.

Eine herkömmliche zylindrische Luftspule hat einen relativ gleichmäßigen Durchmesser. Ihre Windungen neigen daher zu gleichmäßigeren Induktivitäts- und Kapazitätsverhältnissen.

Eine konische Wicklung ist anders. Da sich ihre Geometrie allmählich vom schmalen zum breiten Ende ändert, tragen verschiedene Abschnitte der Spule unterschiedliche lokale induktive und kapazitive Eigenschaften bei.

Dies eliminiert die Resonanz nicht. Stattdessen kann die sich ändernde Geometrie dazu beitragen, das Resonanzverhalten über einen breiteren Frequenzbereich zu verteilen, anstatt alle parasitären Effekte um eine schmale Resonanz zu konzentrieren.

Praktisch gesehen verhält sich die Komponente eher wie eine verteilte HF-Struktur als ein einzelnes perfektes konzentriertes Element.

Dies ist einer der Gründe, warum konische Induktivitäten für Breitbandschaltungen in Betracht gezogen werden, bei denen Ingenieure eine nützliche HF-Entkopplung über einen größeren Frequenzbereich benötigen.

Die tatsächliche Leistung hängt immer noch ab von:

· Windungszahl

· Kegelwinkel

· Minimaler und maximaler Durchmesser

· Drahtdurchmesser

· Windungsabstand

· Anschlussgeometrie

· Einbaulage

· Umgebende Übertragungsleitungsstruktur

Daher bedeutet "konisch" nicht automatisch "besser". Die Bauteilgeometrie muss auf die erforderliche Bandbreite, den Strom, die Impedanz und das mechanische Layout abgestimmt sein.

Warum konische Induktivitäten in Bias-T-Schaltungen verwendet werden

Eine der wichtigsten Anwendungen einer Breitband-konischen Induktivität ist der Bias Tee.

Ein Bias Tee ist ein Drei-Port-Netzwerk, das kombiniert oder trennt:

· Ein HF-Signal

· Eine DC-Bias-Versorgung

· Ein kombinierter HF-plus-DC-Pfad

Ein vereinfachter Bias Tee enthält normalerweise:

· Einen Kondensator im HF-Zweig zur Blockierung von DC;

· eine Induktivität oder ein HF-Choke im DC-Zweig zur Blockierung von HF;

· einen gemeinsamen Port, der mit dem aktiven Bauteil oder der Übertragungsleitung verbunden ist.

Die Induktivität muss Gleichstrom führen können und gleichzeitig eine ausreichend hohe Impedanz für das HF-Signal bieten. Dies hilft zu verhindern, dass HF-Energie in das Stromversorgungsnetz gelangt.

In der Praxis ist die Designherausforderung komplizierter als die Auswahl eines hohen Induktivitätswerts.

Eine höhere Nenninduktivität kann die Impedanz bei niedrigeren Frequenzen verbessern, kann aber auch Folgendes einführen:

· Höhere parasitäre Kapazität

· Eine niedrigere erste SRF

· Mehr Einfügedämpfung

· Größere physikalische Abmessungen

· Stärkere Wechselwirkung mit benachbarten Leitern

Eine Breitband-konische Induktivität ist daher nützlich, da ihre verteilte Geometrie einen HF-Choke über ein breites Band unterstützen kann und gleichzeitig einen Gleichstrompfad bietet.

Für die HALT20005 beträgt der angegebene maximale Strom 200 mA. Dieser Wert muss als maximale Produktbewertung und nicht als empfohlener Strom für jede Betriebsbedingung behandelt werden. Thermische Anstiege, Umgebungstemperatur, Montagemethode und Anforderungen an die Schaltungszuverlässigkeit sollten ebenfalls berücksichtigt werden.

Wie S-Parameter bei der Bewertung einer konischen Induktivität helfen

Bei Mikrowellenfrequenzen sind herkömmliche Widerstands-, Induktivitäts- und Kapazitätsmessungen oft nicht ausreichend. Ingenieure verwenden üblicherweise einen Vektor-Netzwerkanalysator zur Messung von S-Parametern.

S-Parameter beschreiben, wie HF-Energie durch ein Netzwerk reflektiert und übertragen wird.

Die relevantesten Messungen umfassen typischerweise:

S11: Eingangsreflexionskoeffizient

S11 gibt an, wie viel Energie am Eingangstor reflektiert wird.

Eine Änderung von S11 kann Folgendes aufzeigen:

· Impedanzfehlanpassung

· Resonanzverhalten

· Wechselwirkung mit dem Aufbau

· Änderungen durch Einbaulage

S11 allein beweist nicht direkt, dass eine Komponente "gut" oder "schlecht" ist. Seine Bedeutung hängt von der Messtopologie und der beabsichtigten Funktion der Induktivität ab.

S21: Vorwärtsübertragung

S21 gibt an, wie viel Signal von Port 1 zu Port 2 übertragen wird.

In einer Reihen- oder Aufbau-basierten Messung kann S21 verwendet werden, um Übertragungsverluste oder Signalabschwächung zu beobachten. Bei der Bewertung eines HF-Chokes kann eine geringere Übertragung in den unerwünschten Zweig eine stärkere HF-Entkopplung bedeuten, aber die genaue Interpretation hängt davon ab, wie die Komponente während des Tests angeschlossen ist.

Warum der Testaufbau wichtig ist

Bei mehreren Gigahertz ist der Aufbau Teil des gemessenen elektrischen Systems.

Das Ergebnis kann beeinflusst werden durch:

· Geometrie des Steckverbinder-Starts

· Mikrostrip-Abmessungen

· Massekontinuität

· Länge der Lötstelle

· Qualität der Kalibrierung

· Position der Referenzebene

· Aufbau-Resonanz

· Platzierung der Anschlüsse

Die Spezifikation der HALT20005 enthält typische Testdaten für 10 MHz–500 MHz,