Em circuitos de RF e micro-ondas de banda larga, um indutor não pode ser avaliado apenas por sua indutância nominal. Em frequências mais altas, a capacitância parasita do componente, a resistência do condutor, a geometria de montagem, o comprimento do fio, a frequência de auto-ressonância e a interação com a linha de transmissão podem se tornar tão importantes quanto o valor da indutância impresso na folha de dados.

É por isso que engenheiros de RF frequentemente usam indutores cônicos em redes de polarização de banda larga, amplificadores de micro-ondas, módulos de teste de RF e outros circuitos que devem transportar corrente DC sem perturbar significativamente o caminho do sinal de RF.

Ao contrário de uma bobina cilíndrica convencional, um indutor cônico tem um diâmetro de enrolamento que muda gradualmente de uma extremidade para a outra. Essa geometria cônica produz uma estrutura elétrica distribuída em vez de uma simples indutância ideal. Quando projetado e instalado corretamente, ele pode fornecer impedância de RF útil em uma faixa de frequência mais ampla do que muitos indutores convencionais de geometria única.

Este artigo explica os princípios eletromagnéticos por trás dos indutores cônicos, seu papel em Bias Tees e redes de polarização de RF, a importância da frequência de auto-ressonância e como os parâmetros S podem ser usados para avaliar o desempenho de alta frequência. O indutor cônico HALT20005 é referenciado como um exemplo de produto prático, em vez de prova de que um componente é adequado para todos os circuitos de RF.

O Que É um Indutor Cônico?

Um indutor cônico é um enrolamento de núcleo de ar formado em uma estrutura cônica ou afunilada. Uma extremidade do enrolamento tem um diâmetro menor, enquanto a extremidade oposta tem um diâmetro maior.

Como o componente não usa um núcleo magnético de ferrite ou pó, sua indutância é produzida principalmente pelo campo magnético que circunda o condutor. Esta construção de núcleo de ar evita a saturação do núcleo magnético e elimina as perdas por histerese associadas a materiais magnéticos.

No entanto, um indutor de RF não é um componente concentrado ideal. Seu comportamento elétrico inclui:

· Indutância pretendida

· Resistência do condutor em série

· Capacitância entre espiras

· Capacitância para a PCB ou carcaça

· Indutância do fio

· Perdas por efeito de pele e efeito de proximidade

· Radiação e acoplamento a estruturas próximas

Em frequências relativamente baixas, o termo indutivo pode dominar. À medida que a frequência aumenta, esses efeitos parasitas mudam gradualmente a impedância do componente.

O HALT20005 é especificado com uma indutância de 120 nH ±20%, um diâmetro de fio de 0,05 mm, uma corrente máxima de 200 mA, uma faixa de frequência operacional de 200 MHz a 40 GHz, e uma faixa de temperatura operacional de −55°C a +125°C.

Esses valores descrevem os limites de projeto nominais do produto, mas não significam que o componente se comporta como um indutor perfeito de 120 nH em todas as frequências de 200 MHz a 40 GHz.

Por Que Modelos de Indutores Convencionais Se Tornam Imprecisos em Frequências de Micro-ondas

Para um indutor ideal, a reatância é comumente expressa como:

XL=2πfLX_L=2\pi fLXL​=2πfL

De acordo com esta equação, a reatância indutiva aumenta à medida que a frequência sobe. Por exemplo, um indutor ideal de 120 nH apresentaria teoricamente uma impedância maior em vários gigahertz do que em algumas centenas de megahertz.

Indutores de RF reais não continuam seguindo essa relação ideal indefinidamente.

Um circuito equivalente simplificado de alta frequência geralmente inclui:

· Indutância LLL

· Resistência em série RsR_sRs​

· Capacitância parasita CpC_pCp​

A capacitância parasita existe entre as espiras, entre o enrolamento e a superfície de montagem, e entre o componente e as estruturas condutoras circundantes.

À medida que a frequência aumenta, a reatância capacitiva diminui. Eventualmente, os efeitos indutivos e capacitivos interagem com força suficiente para criar uma condição de ressonância.

O Que É a Frequência de Auto-Ressonância de um Indutor de RF?

A frequência de auto-ressonância, comumente abreviada como SRF, é a frequência na qual a reatância indutiva efetiva do indutor e a reatância capacitiva parasita se equilibram.Abaixo da primeira SRF dominante, o componente geralmente se comporta predominantemente como um indutor.

Perto da ressonância, sua impedância pode atingir um pico, e o componente se torna altamente sensível a:

· Layout da PCB

· Dispositivo de teste

· Comprimento do fio

· Espaçamento do terra

· Metal próximo

· Materiais adesivos e de suporte

· Plano de referência de calibração

Acima da ressonância, um modelo de indutor concentrado convencional pode não ser mais suficiente. O componente pode apresentar comportamento capacitivo, distribuído ou multi-ressonante.

Por essa razão, a frase “frequência operacional de até 40 GHz” não deve ser interpretada automaticamente como:

· A indutância permanece exatamente 120 nH em toda a banda;

· a impedância aumenta continuamente até 40 GHz;

· a mesma SRF se aplica em todas as instalações;

· o desempenho do circuito é independente do layout;

· o indutor é adequado para todos os projetos de 40 GHz.

Uma interpretação mais precisa é que o componente foi projetado e avaliado para uso dentro da faixa de alta frequência declarada, enquanto a adequação final deve ser verificada na configuração real do circuito e de montagem do cliente.

Como a Geometria Cônica Suporta o Desempenho de RF de Banda Larga

A principal vantagem da forma cônica é que ela cria um enrolamento com diâmetro variável, geometria de espira e parâmetros parasitas distribuídos ao longo de seu comprimento.

Um indutor de núcleo de ar cilíndrico convencional tem um diâmetro relativamente uniforme. Suas espiras, portanto, tendem a ter relações de indutância e capacitância mais uniformes.

Um enrolamento cônico é diferente. Como sua geometria muda gradualmente da extremidade estreita para a extremidade larga, diferentes seções da bobina contribuem com diferentes características indutivas e capacitivas locais.

Isso não elimina a ressonância. Em vez disso, a geometria variável pode ajudar a distribuir o comportamento ressonante por uma faixa de frequência mais ampla, em vez de concentrar todos os efeitos parasitas em torno de uma ressonância estreita.

Em termos práticos, o componente se comporta mais como uma estrutura de RF distribuída do que um único elemento concentrado perfeito.

Esta é uma razão pela qual indutores cônicos são considerados para circuitos de banda larga nos quais os engenheiros precisam de isolamento de RF útil em uma faixa mais ampla de frequências.

O desempenho real ainda depende de:

· Número de espiras

· Ângulo do cone

· Diâmetro mínimo e máximo

· Diâmetro do fio

· Espaçamento entre espiras

· Geometria do fio

· Orientação de instalação

· Estrutura da linha de transmissão circundante

Portanto, "cônico" não significa automaticamente "melhor". A geometria do componente deve ser compatível com a largura de banda, corrente, impedância e layout mecânico necessários.

Por Que Indutores Cônicos São Usados em Circuitos Bias Tee

Uma das aplicações mais importantes de um indutor cônico de banda larga é o Bias Tee.

Um Bias Tee é uma rede de três portas que combina ou separa:

· Um sinal de RF

· Uma fonte de polarização DC

· Um caminho combinado RF-mais-DC

Um Bias Tee simplificado geralmente contém:

· Um capacitor no ramo de RF para bloquear DC;

· um indutor ou choke de RF no ramo DC para bloquear RF;

· uma porta comum conectada ao dispositivo ativo ou linha de transmissão.

O indutor deve permitir a passagem de corrente DC, apresentando impedância suficientemente alta ao sinal de RF. Isso ajuda a evitar que a energia de RF viaje para a rede de alimentação.

Na prática, o desafio de projeto é mais complicado do que selecionar um alto valor de indutância.

Uma indutância nominal mais alta pode melhorar a impedância em frequências mais baixas, mas também pode introduzir:

· Capacitância parasita mais alta

· Uma SRF primária mais baixa

· Mais perda de inserção

· Dimensões físicas maiores

· Interação mais forte com condutores próximos

Um indutor cônico de banda larga é, portanto, útil porque sua geometria distribuída pode suportar o bloqueio de RF em uma banda larga, ao mesmo tempo em que fornece um caminho de corrente DC.

Para o HALT20005, a corrente máxima especificada é 200 mA. Este valor deve ser tratado como uma classificação máxima do produto, em vez de uma corrente recomendada para todas as condições operacionais. O aumento térmico, a temperatura ambiente, o método de montagem e os requisitos de confiabilidade do circuito também devem ser considerados.

Como os Parâmetros S Ajudam a Avaliar um Indutor Cônico

Em frequências de micro-ondas, medições convencionais de resistência, indutância e capacitância são frequentemente insuficientes. Engenheiros comumente usam um analisador de rede vetorial para medir parâmetros S.

Os parâmetros S descrevem como a energia de RF é refletida e transmitida através de uma rede.

As medições mais relevantes geralmente incluem:

S11: Coeficiente de Reflexão de Entrada

S11 indica quanta energia é refletida na porta de entrada.

Uma mudança em S11 pode revelar:

· Descasamento de impedância

· Comportamento ressonante

· Interação do dispositivo

· Mudanças causadas pela orientação de montagem

S11 sozinho não prova diretamente que um componente é "bom" ou "ruim". Seu significado depende da topologia de medição e da função pretendida do indutor.

S21: Transmissão Direta

S21 indica quanta sinal passa da Porta 1 para a Porta 2.

Em um teste em série ou baseado em dispositivo, S21 pode ser usado para observar a perda de transmissão ou atenuação do sinal. Em uma avaliação de choke de RF, menor transmissão para o ramo indesejado pode indicar um isolamento de RF mais forte, mas a interpretação exata depende de como o componente é conectado durante o teste.

Por Que o Dispositivo de Teste Importa

Em vários gigahertz, o dispositivo faz parte do sistema elétrico medido.

O resultado pode ser afetado por:

· Geometria de lançamento do conector

· Dimensões do microstrip

· Continuidade do terra

· Comprimento da junta de solda

· Qualidade da calibração

· Posição do plano de referência

· Ressonância do dispositivo

· Posicionamento do fio

A especificação HALT20005 inclui dados de teste típicos para 10 MHz–500 MHz, 10 MHz–20 GHz