En los circuitos de RF y microondas de banda ancha, un inductor no puede evaluarse únicamente por su inductancia nominal. A frecuencias más altas, la capacitancia parásita del componente, la resistencia del conductor, la geometría de montaje, la longitud del cable, la frecuencia de auto-resonancia y la interacción con la línea de transmisión pueden ser tan importantes como el valor de inductancia impreso en la hoja de datos.

Es por eso que los ingenieros de RF a menudo utilizan inductores cónicos en redes de polarización de banda ancha, amplificadores de microondas, módulos de prueba de RF y otros circuitos que deben transportar corriente continua sin perturbar significativamente la ruta de la señal de RF.

A diferencia de una bobina cilíndrica convencional, un inductor cónico tiene un diámetro de bobinado que cambia gradualmente de un extremo a otro. Esta geometría cónica produce una estructura eléctrica distribuida en lugar de una simple inductancia ideal. Cuando se diseña e instala correctamente, puede proporcionar una impedancia de RF útil en un rango de frecuencia más amplio que muchos inductores convencionales de geometría única.

Este artículo explica los principios electromagnéticos detrás de los inductores cónicos, su papel en los Bias Tee y las redes de polarización de RF, la importancia de la frecuencia de auto-resonancia y cómo se pueden utilizar los parámetros S para evaluar el rendimiento de alta frecuencia. El inductor cónico HALT20005 se referencia como un ejemplo de producto práctico en lugar de como prueba de que un componente es adecuado para todos los circuitos de RF.

¿Qué es un inductor cónico?

Un inductor cónico es un bobinado de núcleo de aire formado en una estructura cónica o ahusada. Un extremo del bobinado tiene un diámetro menor, mientras que el extremo opuesto tiene un diámetro mayor.

Debido a que el componente no utiliza un núcleo magnético de ferrita o polvo, su inductancia se produce principalmente por el campo magnético que rodea al conductor. Esta construcción de núcleo de aire evita la saturación del núcleo magnético y elimina las pérdidas por histéresis asociadas con los materiales magnéticos.

Sin embargo, un inductor de RF no es un componente lumped ideal. Su comportamiento eléctrico incluye:

· Inductancia prevista

· Resistencia del conductor en serie

· Capacitancia entre espiras

· Capacitancia a la PCB o carcasa

· Inductancia del cable

· Pérdidas por efecto pelicular y de proximidad

· Radiación y acoplamiento a estructuras cercanas

A frecuencias relativamente bajas, el término inductivo puede dominar. A medida que aumenta la frecuencia, estos efectos parásitos cambian gradualmente la impedancia del componente.

El HALT20005 se especifica con una inductancia de 120 nH ±20%, un diámetro de cable de 0.05 mm, una corriente máxima de 200 mA, un rango de frecuencia de operación de 200 MHz a 40 GHz, y un rango de temperatura de operación de −55°C a +125°C.

Estos valores describen los límites de diseño nominales del producto, pero no significan que el componente se comporte como un inductor perfecto de 120 nH en todas las frecuencias de 200 MHz a 40 GHz.

Por qué los modelos de inductores convencionales se vuelven inexactos a frecuencias de microondas

Para un inductor ideal, la reactancia se expresa comúnmente como:

XL=2πfLX_L=2\pi fLXL​=2πfL

Según esta ecuación, la reactancia inductiva aumenta a medida que aumenta la frecuencia. Por ejemplo, un inductor ideal de 120 nH presentaría teóricamente una mayor impedancia a varios gigahercios que a unos pocos cientos de megahercios.

Los inductores de RF reales no continúan siguiendo esta relación ideal indefinidamente.

Un circuito equivalente simplificado de alta frecuencia generalmente incluye:

· Inductancia LLL

· Resistencia en serie RsR_sRs​

· Capacitancia parásita CpC_pCp​

La capacitancia parásita existe entre espiras, entre el bobinado y la superficie de montaje, y entre el componente y las estructuras conductoras circundantes.

A medida que aumenta la frecuencia, la reactancia capacitiva disminuye. Finalmente, los efectos inductivos y capacitivos interactúan lo suficientemente fuerte como para crear una condición de resonancia.

¿Cuál es la frecuencia de auto-resonancia de un inductor de RF?

La frecuencia de auto-resonancia, comúnmente abreviada como SRF, es la frecuencia en la que la reactancia inductiva efectiva y la reactancia capacitiva parásita del inductor se equilibran entre sí.Por debajo de la primera SRF dominante, el componente generalmente se comporta predominantemente como un inductor.

Cerca de la resonancia, su impedancia puede alcanzar un pico, y el componente se vuelve muy sensible a:

· Diseño de PCB

· Accesorio de prueba

· Longitud del cable

· Espaciado de tierra

· Metal cercano

· Materiales adhesivos y de soporte

· Plano de referencia de calibración

Por encima de la resonancia, un modelo de inductor lumped convencional puede ya no ser suficiente. El componente puede exhibir un comportamiento capacitivo, distribuido o multi-resonante.

Por esta razón, la frase “frecuencia de operación hasta 40 GHz” no debe interpretarse automáticamente como:

· La inductancia permanece exactamente 120 nH en toda la banda;

· la impedancia aumenta continuamente hasta 40 GHz;

· la misma SRF se aplica en cada instalación;

· el rendimiento del circuito es independiente del diseño;

· el inductor es adecuado para cada diseño de 40 GHz.

Una interpretación más precisa es que el componente ha sido diseñado y evaluado para su uso dentro del rango de alta frecuencia especificado, mientras que la idoneidad final debe verificarse en el circuito real y la configuración de montaje del cliente.

Cómo la geometría cónica soporta el rendimiento de RF de banda ancha

La principal ventaja de la forma cónica es que crea un bobinado con diámetro cambiante, geometría de espira y parámetros parásitos distribuidos a lo largo de su longitud.

Un inductor de núcleo de aire cilíndrico convencional tiene un diámetro relativamente uniforme. Por lo tanto, sus espiras tienden a tener relaciones de inductancia y capacitancia más uniformes.

Un bobinado cónico es diferente. Debido a que su geometría cambia gradualmente desde el extremo estrecho al extremo ancho, diferentes secciones de la bobina contribuyen con diferentes características inductivas y capacitivas locales.

Esto no elimina la resonancia. En cambio, la geometría cambiante puede ayudar a distribuir el comportamiento de resonancia en un rango de frecuencia más amplio en lugar de concentrar todos los efectos parásitos alrededor de una resonancia estrecha.

En términos prácticos, el componente se comporta más como una estructura de RF distribuida que como un único elemento lumped perfecto.

Esta es una razón por la que los inductores cónicos se consideran para circuitos de banda ancha en los que los ingenieros necesitan un aislamiento de RF útil en un rango de frecuencias más amplio.

El rendimiento real todavía depende de:

· Número de espiras

· Ángulo del cono

· Diámetro mínimo y máximo

· Diámetro del alambre

· Espaciado entre espiras

· Geometría del cable

· Orientación de instalación

· Estructura de línea de transmisión circundante

Por lo tanto, "cónico" no significa automáticamente "mejor". La geometría del componente debe coincidir con el ancho de banda, la corriente, la impedancia y el diseño mecánico requeridos.

Por qué se utilizan inductores cónicos en circuitos Bias Tee

Una de las aplicaciones más importantes de un inductor cónico de banda ancha es el Bias Tee.

Un Bias Tee es una red de tres puertos que combina o separa:

· Una señal de RF

· Una fuente de polarización de CC

· Una ruta combinada de RF más CC

Un Bias Tee simplificado generalmente contiene:

· Un condensador en la rama de RF para bloquear la CC;

· un inductor o choque de RF en la rama de CC para bloquear la RF;

· un puerto común conectado al dispositivo activo o a la línea de transmisión.

El inductor debe permitir el paso de la corriente continua mientras presenta una impedancia suficientemente alta a la señal de RF. Esto ayuda a evitar que la energía de RF viaje a la red de suministro de energía.

En la práctica, el desafío de diseño es más complicado que seleccionar un valor de inductancia alto.

Una inductancia nominal más alta puede mejorar la impedancia a bajas frecuencias, pero también puede introducir:

· Capacitancia parásita más alta

· Una primera SRF más baja

· Mayor pérdida de inserción

· Dimensiones físicas más grandes

· Interacción más fuerte con conductores cercanos

Por lo tanto, un inductor cónico de banda ancha es útil porque su geometría distribuida puede soportar el ahogamiento de RF en una banda ancha y al mismo tiempo proporcionar una ruta de corriente continua.

Para el HALT20005, la corriente máxima especificada es 200 mA. Este valor debe tratarse como una calificación máxima del producto en lugar de una corriente recomendada para todas las condiciones de operación. También se deben considerar el aumento térmico, la temperatura ambiente, el método de montaje y los requisitos de confiabilidad del circuito.

Cómo los parámetros S ayudan a evaluar un inductor cónico

A frecuencias de microondas, las mediciones convencionales de resistencia, inductancia y capacitancia a menudo son insuficientes. Los ingenieros utilizan comúnmente un analizador de redes vectorial para medir parámetros S.

Los parámetros S describen cómo la energía de RF se refleja y se transmite a través de una red.

Las mediciones más relevantes suelen incluir:

S11: Coeficiente de reflexión de entrada

S11 indica cuánta energía se refleja en el puerto de entrada.

Un cambio en S11 puede revelar:

· Desajuste de impedancia

· Comportamiento resonante

· Interacción del accesorio

· Cambios causados por la orientación de montaje

S11 por sí solo no prueba directamente que un componente sea "bueno" o "malo". Su significado depende de la topología de medición y la función prevista del inductor.

S21: Transmisión hacia adelante

S21 indica cuánta señal pasa del Puerto 1 al Puerto 2.

En una prueba en serie o basada en accesorios, S21 se puede utilizar para observar la pérdida de transmisión o la atenuación de la señal. En una evaluación de choque de RF, una menor transmisión a la rama no deseada puede indicar un mayor aislamiento de RF, pero la interpretación exacta depende de cómo se conecte el componente durante la prueba.

Por qué el accesorio de prueba es importante

A varios gigahercios, el accesorio es parte del sistema eléctrico medido.

El resultado puede verse afectado por:

· Geometría de lanzamiento del conector

· Dimensiones de microcinta

· Continuidad de tierra

· Longitud de la junta de soldadura

· Calidad de la calibración

· Posición del plano de referencia

· Resonancia del accesorio

· Colocación del cable

La especificación HALT20005 incluye datos de prueba típicos para&