В широкополосных радиочастотных и микроволновых схемах индуктор не может быть оценен только по его номинальной индуктивности.геометрия установки, длина провода, саморезонансная частота и взаимодействие с линией передачи могут стать такими же важными, как значение индуктивности, напечатанное на листе данных.

Именно поэтому инженеры часто используют конические индукторы в широкополосных сетях, микроволновых усилителях, модулях испытаний,и другие цепи, которые должны нести постоянный ток без значительного нарушения пути сигнала RF.

В отличие от обычной цилиндрической катушки, конический индуктор имеет диаметр обмотки, который постепенно меняется от одного конца к другому.Эта коническая геометрия производит распределенную электрическую структуру, а не просто идеальную индуктивностьПри правильном проектировании и установке он может обеспечить полезный радиочастотный импеданс в более широком диапазоне частот, чем многие обычные индукторы с одной геометрией.

В этой статье объясняются электромагнитные принципы конических индукторов, их роль в сетях Bias Tee и RF bias, важность саморезонансной частоты,и как S-параметры могут быть использованы для оценки высокочастотных характеристикКонический индуктор HALT20005 упоминается как практический пример продукта, а не как доказательство того, что один компонент подходит для каждой радиочастотной схемы.

Что такое конический индуктор?

Конический индуктор - это обмотка воздушного ядра, сформированная в коническую или конусообразную структуру.

Поскольку компонент не использует феррит или магнитное ядро в виде порошка, его индуктивность производится в основном магнитным полем, окружающим проводник.Эта конструкция воздушного ядра избегает насыщения магнитного ядра и устраняет гистерические потери, связанные с магнитными материалами.

Однако радиочастотный индуктор не является идеальным сгруппированным компонентом.

· Предполагаемая индуктивность

· Сопротивление серийного проводника

· Пропускная способность между поворотами

· Пропускная способность к ПКБ или корпусу

· Индуктивность свинца

· Потери от воздействия кожи и близости

· Излучение и соединение с близлежащими сооружениями

При относительно низких частотах может доминировать индуктивный термин. По мере увеличения частоты эти паразитические эффекты постепенно изменяют импиданс компонента.

HALT20005 специфицируется с индуктивностью120 nH ± 20%, а0Диаметр провода 0,05 мм, максимальный ток200 мА, диапазон операционной частотыот 200 до 40 ГГц, и диапазон температуры работыот -55°C до +125°C.

Эти значения описывают номинальные пределы конструкции продукта, но они не означают, что компонент ведет себя как идеальный индуктор 120 нГ на каждой частоте от 200 МГц до 40 ГГц.

Почему традиционные модели индукторов становятся неточными при микроволновых частотах

Для идеального индуктора реактивность обычно выражается как:

XL=2πfLX_L=2\pi fLXL =2πfL

Согласно этому уравнению, индуктивная реактивность увеличивается с увеличением частоты.Идеальный индуктор 120 н.ч. теоретически будет иметь большую импеданцию на нескольких гигагерцах, чем на нескольких сотнях мегагерц..

Настоящие радиочастотные индукторы не продолжают следовать этой идеальной взаимосвязи бесконечно.

Упрощенная высокочастотная эквивалентная схема обычно включает:

· Индуктивность LLL

· Серийное сопротивление RsR_sRs

· Паразитарная емкость CpC_pCp

Паразитарная емкость существует между поворотами, между обмотками и поверхностью монтажа, а также между компонентом и окружающими проводящими структурами.

По мере увеличения частоты емкостная реактивность уменьшается. В конечном итоге индуктивные и емкостные эффекты взаимодействуют достаточно сильно, чтобы создать резонансное состояние.

Какова саморезонансная частота радиочастотного индуктора?

Всаморезонансная частота, обычно сокращается какSRF, является частотой, при которой эффективная индуктивная реактивность индуктора и паразитарная емкостная реактивность уравновешивают друг друга.Ниже первого доминирующего SRF компонент обычно ведет себя преимущественно как индуктор.

Вблизи резонанса, его импеданс может достичь пика, и компонент становится очень чувствительным к:

· Планировка ПКБ

· Испытательный прибор

· Длина свинца

· Пространство между землями

· Ближайший металл

· Клей и поддерживающие материалы

· Сравнительная плоскость калибровки

Помимо резонанса, обычной модели с объединенным индуктором может быть недостаточно.

По этой причине фраза‬частота работы до 40 ГГц‬не должны автоматически истолковываться как:

· Индуктивность остается ровно 120 нГ по всей полосе;

· непрерывно увеличивается импеданс до 40 ГГц;

· в каждой установке применяется один и тот же SRF;

· производительность цепи не зависит от планировки;

· индуктор подходит для каждой конструкции 40 ГГц.

Более точное толкование заключается в том, что компонент был разработан и оценен для использования в указанном диапазоне высоких частот,в то время как окончательная пригодность должна быть проверена в фактической схеме клиента и конфигурации монтажа.

Как коническая геометрия поддерживает широкополосную радиочастотность

Основное преимущество конической формы заключается в том, что она создает обмотку с изменяющимся диаметром, геометрией поворота и распределенными параметрами паразитов вдоль ее длины.

Традиционный цилиндрический индуктор с воздушным ядром имеет относительно равномерный диаметр.

Коническая обмотка отличается, потому что ее геометрия постепенно меняется от узкого конца к широкому.Различные секции катушки способствуют различным локальным индуктивным и емкостным характеристикам..

Это не устраняет резонанс.Изменение геометрии может помочь распределить резонансное поведение в более широком диапазоне частот, а не концентрировать все паразитарные эффекты вокруг одного узкого резонанса..

На практике компонент ведет себя скорее какраспределенная структура RFчем один идеальный элемент.

Это одна из причин, по которой конические индукторы рассматриваются для широкополосных схем, в которых инженерам нужна полезная радиочастотная изоляция в более широком диапазоне частот.

Фактическая производительность все еще зависит от:

· Счет оборотов

· Угол конуса

· Минимальный и максимальный диаметр

· Диаметр провода

· Размещение поворота

· Геометрия свинца

· Направление установки

· Окружающая конструкция линии электропередач

Поэтому "конический" не означает автоматически "лучший". Геометрия компонента должна соответствовать требуемой полосе пропускания, току, импедансу и механическому расположению.

Почему конические индукторы используются в предвзятых схемах

Одним из важнейших применений широкополосного конического индуктора являетсяБиас-ти.

Bias Tee - это сеть из трех портов, которая объединяет или отделяет:

· Сигнал RF

· Питание преимуществом постоянного тока

· Комбинированный путь RF плюс DC

Упрощенный Bias Tee обычно содержит:

· Конденсатор в RF-отделе для блокирования постоянного тока;

· индуктор или RF-задушитель в ветке постоянного тока для блокировки RF;

· общий порт, подключенный к активному устройству или линии передачи.

Индуктор должен допускать прохождение постоянного тока при наличии достаточно высокого импеданса для радиочастотного сигнала. Это помогает предотвратить попадание радиочастотной энергии в сеть питания.

На практике задача проектирования сложнее, чем выбор высокого значения индуктивности.

Более высокая номинальная индуктивность может улучшить импеданс при более низких частотах, но она также может ввести:

· Более высокая паразитарная емкость

· Нижняя первая SRF

· Больше потерь вставки

· Более крупные физические размеры

· Более сильное взаимодействие с близлежащими проводниками

Широкополосный конический индуктор полезен, потому что его распределенная геометрия может поддерживать RF-задыхание по широкой полосе при одновременном обеспечении пути постоянного тока.

Для HALT20005 указанный максимальный ток равен200 мАЭто значение должно рассматриваться как максимальный номинальный объем продукта, а не как рекомендуемый ток для каждого условия эксплуатации.и требования к надежности цепей также должны быть рассмотрены.

Как S-параметры помогают оценить конический индуктор

При микроволновых частотах обычные измерения сопротивления, индуктивности и емкости часто недостаточны.S-параметры.

S-параметры описывают, как энергия RF отражается и передается через сеть.

Наиболее актуальные измерения обычно включают:

S11: Коэффициент отражения на входе

S11 указывает, сколько энергии отражается на входном порте.

Изменение S11 может показать:

· Несоответствие импеданс

· Резонансное поведение

· Взаимодействие устройств

· Изменения, вызванные ориентацией установки

Сам по себе S11 не доказывает, что компонент является "хорошим" или "плохим". Его значение зависит от топологии измерения и предполагаемой функции индуктора.

S21: Перенаправление

S21 указывает, сколько сигнала проходит от порта 1 до порта 2.

При серийном или фикшерном испытании S21 может использоваться для наблюдения за потерей передачи или ослаблением сигнала.более низкая передача в нежелательную ветвь может указывать на более сильную радиочастотную изоляцию, но точная интерпретация зависит от того, как компонент соединен во время испытания.

Почему важно установить сроки испытания

При нескольких гигагерцах светильник является частью измеряемой электрической системы.

На результат могут повлиять:

· Геометрия запуска соединителя

·