In circuiti RF a banda larga e microonde, un induttore non può essere valutato solo dalla sua induttanza nominale.geometria di montaggio, la lunghezza del cavo, la frequenza di auto-risonanza e l'interazione con la linea di trasmissione possono diventare importanti quanto il valore di induttanza stampato sul foglio dati.

Questo è il motivo per cui gli ingegneri RF spesso usano induttori conici nelle reti a banda larga, amplificatori a microonde, moduli di prova RF,e altri circuiti che devono trasportare corrente continua senza disturbare in modo significativo il percorso del segnale RF.

A differenza di una bobina cilindrica convenzionale, un induttore conico ha un diametro di avvolgimento che cambia gradualmente da un'estremità all'altra.Questa geometria conica produce una struttura elettrica distribuita piuttosto che una semplice induttanza idealeQuando è progettato e installato correttamente, può fornire un'impedenza RF utile su un intervallo di frequenza più ampio rispetto a molti induttori convenzionali a singola geometria.

Questo articolo spiega i principi elettromagnetici dietro gli induttori conici, il loro ruolo nelle reti Bias Tee e RF bias, l'importanza della frequenza auto-risonante,e come i parametri S possono essere utilizzati per valutare le prestazioni ad alta frequenzaL'induttore conico HALT20005 è indicato come un esempio di prodotto pratico piuttosto che come prova che un componente è adatto per ogni circuito RF.

Cos'è un induttore conico?

Un induttore conico è un avvolgimento a nucleo d'aria formato in una struttura conica o a forma di cono.

Poiché il componente non utilizza un nucleo magnetico di ferrite o in polvere, la sua induttanza è prodotta principalmente dal campo magnetico che circonda il conduttore.Questa costruzione a nucleo d'aria evita la saturazione del nucleo magnetico ed elimina le perdite di isteresi associate ai materiali magnetici.

Tuttavia, un induttore RF non è un componente aggregato ideale.

· Induttanza prevista

· Resistenza del conduttore in serie

· Capacità inter-torno

· Capacità del PCB o dell'alloggiamento

· Induttanza del piombo

· Perdite per effetto cutaneo e per effetto di prossimità

· Radiazione e accoppiamento alle strutture vicine

A frequenze relativamente basse, il termine induttivo può dominare. Con l'aumento della frequenza, questi effetti parassiti cambiano gradualmente l'impedenza del componente.

L'HALT20005 è specificato con un'induttanza di120 nH ± 20%, a0diametro del filo di 0,05 mm, una corrente massima di200 mA, un intervallo di frequenza di funzionamento di200 MHz a 40 GHz, e un intervallo di temperatura di funzionamento di-55°C a +125°C.

Questi valori descrivono i limiti di progettazione nominali del prodotto, ma non significano che il componente si comporti come un induttore perfetto a 120 nH a ogni frequenza da 200 MHz a 40 GHz.

Perché i modelli convenzionali di induttori diventano imprecisi alle frequenze a microonde

Per un induttore ideale, la reattanza è comunemente espressa come:

XL=2πfLX_L=2\pi fLXL =2πfL

Secondo questa equazione, la reattanza induttiva aumenta con l'aumento della frequenza.un induttore ideale da 120 nH avrebbe teoricamente una maggiore impedenza a diversi gigahertz che a poche centinaia di megahertz.

I veri induttori RF non continuano a seguire indefinitamente questa relazione ideale.

Un circuito equivalente ad alta frequenza semplificato comprende generalmente:

· Induttanza LLL

· Resistenza in serie RsR_sRs

· Capacità parasitaria CpC_pCp

La capacità parassitaria esiste tra i giri, tra l'avvolgimento e la superficie di montaggio e tra il componente e le strutture conduttive circostanti.

Con l'aumentare della frequenza, la reattanza capacitiva diminuisce. Alla fine, gli effetti induttivi e capacitivi interagiscono abbastanza forte da creare una condizione di risonanza.

Qual è la frequenza di auto-risonanza di un induttore RF?

Ilfrequenza di auto-risonanza, comunemente abbreviato comeSRF, è la frequenza alla quale la reattanza induttiva effettiva dell'induttore e la reattanza capacitiva parassitaria si bilanciano.Sotto la prima SRF dominante, il componente si comporta generalmente prevalentemente come induttore.

Presso la risonanza, la sua impedenza può raggiungere un picco e il componente diventa altamente sensibile a:

· Disposizione del PCB

· Fabbricazione di prova

· Lunghezza del piombo

· Distanza tra il suolo

· Metallo vicino

· Materiali adesivi e di supporto

· Piano di riferimento di taratura

Al di sopra della risonanza, un modello convenzionale di induttore a blocchi potrebbe non essere più sufficiente.

Per questo motivo, la frase′Frequenza di funzionamento fino a 40 GHz′non deve essere automaticamente interpretata come:

· L'induttanza rimane esattamente 120 nH su tutta la banda;

· l'impedenza aumenta continuamente fino a 40 GHz;

· la stessa SRF si applica in ogni impianto;

· le prestazioni del circuito sono indipendenti dalla disposizione;

· l'induttore è adatto a ogni progetto a 40 GHz.

Un'interpretazione più accurata è che il componente è stato progettato e valutato per l'uso nell'intervallo di alte frequenze indicato,mentre l'idoneità finale deve essere verificata nel circuito reale del cliente e nella configurazione di montaggio.

Come la geometria conica supporta le prestazioni RF a banda larga

Il vantaggio principale della forma conica è che crea un avvolgimento con diametro variabile, geometria di rotazione e parametri parassitari distribuiti lungo la sua lunghezza.

Un induttore convenzionale cilindrico a nucleo d'aria ha un diametro relativamente uniforme.

Un avvolgimento conico e' diverso, perche' la sua geometria cambia gradualmente dall'estremita' stretta all'estremita' larga.diverse sezioni della bobina contribuiscono a diverse caratteristiche inductive e capacitive locali.

Questo non elimina la risonanza.la geometria cambiante può aiutare a distribuire il comportamento di risonanza in un intervallo di frequenza più ampio piuttosto che concentrare tutti gli effetti parassiti intorno a una risonanza ristretta.

In termini pratici, il componente si comporta più come unstruttura RF distribuitadi un singolo elemento perfetto raggruppato.

Questo è uno dei motivi per cui gli induttori conici sono considerati per i circuiti a banda larga in cui gli ingegneri hanno bisogno di un isolamento RF utile su una gamma più ampia di frequenze.

Le prestazioni effettive dipendono ancora da:

· Conteggio girato

· Angolo del cono

· Diametro minimo e massimo

· Diametro del filo

· Distanza di rotazione

· Geometria del piombo

· Orientazione dell'installazione

· Struttura della linea di trasmissione circostante

Pertanto, conico non significa automaticamente migliore. La geometria del componente deve essere abbinata alla larghezza di banda, alla corrente, all'impedenza e al layout meccanico richiesti.

Perché gli induttori conici vengono utilizzati nei circuiti Bias Tee

Una delle applicazioni più importanti di un induttore conico a banda larga è laBias Tee.

Un Bias Tee è una rete a tre porte che combina o separa:

· Segnale RF

· Fornitore di bias DC

· Un percorso combinato RF-più-DC

Un Bias Tee semplificato contiene di solito:

· un condensatore nel ramo RF per bloccare la corrente continua;

· un induttore o un strascico RF nel ramo CC per bloccare RF;

· una porta comune collegata al dispositivo attivo o alla linea di trasmissione.

L'induttore deve consentire il passaggio di corrente continua presentando un'impedenza sufficientemente elevata al segnale RF. Ciò aiuta a evitare che l'energia RF viaggi nella rete di alimentazione.

In pratica, la sfida di progettazione è più complicata della selezione di un valore di induttanza elevato.

Una maggiore induttanza nominale può migliorare l'impedenza a frequenze più basse, ma può anche introdurre:

· Capacità parassitaria superiore

· Un primo SRF inferiore

· Più perdita di inserimento

· Dimensioni fisiche maggiori

· Interazione più forte con i conduttori vicini

Un induttore conico a banda larga è quindi utile perché la sua geometria distribuita può supportare l'affogamento RF su una banda larga fornendo comunque un percorso di corrente continua.

Per HALT20005, la corrente massima specificata è200 mAQuesto valore deve essere considerato come una potenza massima del prodotto e non come una corrente raccomandata per ogni condizione di funzionamento.e i requisiti di affidabilità del circuito dovrebbero essere considerati.

Come i parametri S aiutano a valutare un induttore conico

Alle frequenze a microonde, le misure convenzionali di resistenza, induttanza e capacità sono spesso insufficienti.Parametri S.

I parametri S descrivono il modo in cui l'energia RF viene riflessa e trasmessa attraverso una rete.

Le misure più rilevanti includono in genere:

S11: Coefficiente di riflessione di ingresso

S11 indica la quantità di energia riflessa alla porta di ingresso.

Una modifica di S11 può rivelare:

· Disparità di impedenza

· Comportamento di risonanza

· Interazione degli apparecchi

· Modifiche causate dall'orientamento di montaggio

S11 da solo non dimostra direttamente che un componente sia “buono” o “cattivo”. Il suo significato dipende dalla topologia di misura e dalla funzione prevista dell'induttore.

S21: Trasmissione in avanti

S21 indica la quantità di segnale che passa dalla porta 1 alla porta 2.

In una prova in serie o basata su apparecchiature, S21 può essere utilizzato per osservare la perdita di trasmissione o l'attenuazione del segnale.una minore trasmissione nel ramo indesiderato può indicare un più forte isolamento RF, ma l'interpretazione esatta dipende da come il componente è collegato durante la prova.

Perché è importante il sistema di prova

A diversi gigahertz, l'apparecchio fa parte del sistema elettrico misurato.

Il risultato può essere influenzato da:

· Geometria di lancio del connettore

· Dimensioni della micro striscia

· Continuità del suolo

· Lunghezza del giunto di saldatura

· Qualità di taratura

· Posizione del piano di riferimento

· Risonanza dell'apparecchio

· Posizione del piombo

La specifica HALT20005 comprende dati di prova tipici per10 MHz ̇ 500 MHz,10 MHz20 GHz, e10 MHz ∼40 GHzIl documento afferma inoltre che il risultato a 40 GHz è influenzato da fattori di impianto e viene fornito solo a titolo di riferimento.

Questa qualifica è tecnicamente importante perché impedisce che il grafico a 40 GHz sia presentato come una garanzia incondizionata di prestazioni identiche nel circuito.

Induttori conici vs. cilindrici