ในวงจร RF และไมโครเวฟบรอดแบนด์ ตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถประเมินได้จากค่าความเหนี่ยวนำตามชื่อเท่านั้น ที่ความถี่สูงขึ้น ความจุไฟฟ้าปรสิตของส่วนประกอบ ความต้านทานของตัวนำ รูปทรงการติดตั้ง ความยาวของสายไฟ ความถี่เรโซแนนซ์ในตัวเอง และการทำงานร่วมกับสายส่ง อาจมีความสำคัญเท่ากับค่าความเหนี่ยวนำที่พิมพ์อยู่บนเอกสารข้อมูล

นี่คือเหตุผลที่วิศวกร RF มักใช้ตัวเหนี่ยวนำทรงกรวยในเครือข่ายไบแอสบรอดแบนด์ เครื่องขยายสัญญาณไมโครเวฟ โมดูลทดสอบ RF และวงจรอื่นๆ ที่ต้องส่งกระแส DC โดยไม่รบกวนเส้นทางสัญญาณ RF อย่างมีนัยสำคัญ

แตกต่างจากขดลวดทรงกระบอกทั่วไป ตัวเหนี่ยวนำทรงกรวยมีเส้นผ่านศูนย์กลางของขดลวดที่เปลี่ยนแปลงไปเรื่อยๆ จากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง รูปทรงที่เรียวนี้สร้างโครงสร้างทางไฟฟ้าแบบกระจาย แทนที่จะเป็นค่าความเหนี่ยวนำในอุดมคติอย่างง่าย เมื่อออกแบบและติดตั้งอย่างถูกต้อง จะสามารถให้ค่าความต้านทาน RF ที่มีประโยชน์ในช่วงความถี่ที่กว้างกว่าตัวเหนี่ยวนำที่มีรูปทรงเดียวทั่วไปหลายตัว

บทความนี้อธิบายหลักการทางแม่เหล็กไฟฟ้าเบื้องหลังตัวเหนี่ยวนำทรงกรวย บทบาทใน Bias Tee และเครือข่ายไบแอส RF ความสำคัญของความถี่เรโซแนนซ์ในตัวเอง และวิธีใช้ S-parameters เพื่อประเมินประสิทธิภาพความถี่สูง ตัวเหนี่ยวนำทรงกรวย HALT20005 ถูกอ้างอิงเป็นตัวอย่างผลิตภัณฑ์จริง แทนที่จะเป็นการพิสูจน์ว่าส่วนประกอบหนึ่งเหมาะสำหรับทุกวงจร RF

ตัวเหนี่ยวนำทรงกรวยคืออะไร?

ตัวเหนี่ยวนำทรงกรวยคือขดลวดแกนอากาศที่ขึ้นรูปเป็นโครงสร้างที่เรียวหรือรูปกรวย ปลายด้านหนึ่งของขดลวดมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า ในขณะที่ปลายอีกด้านหนึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า

เนื่องจากส่วนประกอบนี้ไม่ได้ใช้แกนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์หรือผงแม่เหล็ก ค่าความเหนี่ยวนำจึงเกิดจากสนามแม่เหล็กที่ล้อมรอบตัวนำเป็นหลัก โครงสร้างแกนอากาศนี้หลีกเลี่ยงการอิ่มตัวของแกนแม่เหล็กและขจัดความสูญเสียจากฮิสเทอรีซิสที่เกี่ยวข้องกับวัสดุแม่เหล็ก

อย่างไรก็ตาม ตัวเหนี่ยวนำ RF ไม่ใช่ส่วนประกอบแบบรวมในอุดมคติ พฤติกรรมทางไฟฟ้าของมันรวมถึง:

10 MHz–20 GHz ค่าความเหนี่ยวนำที่ตั้งใจไว้

10 MHz–20 GHz ความต้านทานตัวนำอนุกรม

10 MHz–20 GHz ความจุไฟฟ้าระหว่างรอบ

10 MHz–20 GHz ความจุไฟฟ้าไปยัง PCB หรือโครงเครื่อง

10 MHz–20 GHz ความเหนี่ยวนำของสายไฟ

10 MHz–20 GHz การสูญเสียจาก Skin-effect และ Proximity-effect

10 MHz–20 GHz การแผ่รังสีและการจับคู่กับโครงสร้างใกล้เคียง

ที่ความถี่ค่อนข้างต่ำ เทอมความเหนี่ยวนำอาจมีอิทธิพล เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ผลกระทบจากปรสิตเหล่านี้จะค่อยๆ เปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานของส่วนประกอบ

HALT20005 ถูกระบุด้วยค่าความเหนี่ยวนำ120 nH ±20%เส้นผ่านศูนย์กลางลวด0.05 มม.กระแสสูงสุดที่ความถี่ไมโครเวฟ การวัดความต้านทาน ความเหนี่ยวนำ และความจุไฟฟ้าแบบดั้งเดิมมักไม่เพียงพอ วิศวกรนิยมใช้ Vector Network Analyzer เพื่อวัดช่วงความถี่การทำงาน200 MHz ถึง 40 GHzและช่วงอุณหภูมิการทำงาน−55°C ถึง +125°Cค่าเหล่านี้อธิบายขีดจำกัดการออกแบบตามชื่อของผลิตภัณฑ์ แต่ไม่ได้หมายความว่าส่วนประกอบจะทำงานเหมือนตัวเหนี่ยวนำ 120 nH ที่สมบูรณ์แบบที่ทุกความถี่ตั้งแต่ 200 MHz ถึง 40 GHz

เหตุใดโมเดลตัวเหนี่ยวนำแบบดั้งเดิมจึงไม่แม่นยำที่ความถี่ไมโครเวฟ

สำหรับตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติ ค่ารีแอกแตนซ์มักแสดงด้วย:

XL=2πfLX_L=2\pi fLXL​=2πfL

ตามสมการนี้ ค่ารีแอกแตนซ์เหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่สูงขึ้น ตัวอย่างเช่น ตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติ 120 nH จะแสดงค่าความต้านทานที่สูงขึ้นที่หลายกิกะเฮิรตซ์กว่าที่หลายร้อยเมกะเฮิรตซ์ตามทฤษฎี

ตัวเหนี่ยวนำ RF จริงจะไม่เป็นไปตามความสัมพันธ์ในอุดมคตินี้ต่อไปเรื่อยๆ

วงจรสมมูลความถี่สูงแบบง่ายมักประกอบด้วย:

·

10 MHz–20 GHz ·

10 MHz–20 GHz ·

10 MHz–20 GHz ความจุไฟฟ้าปรสิตมีอยู่ระหว่างรอบ ระหว่างขดลวดกับพื้นผิวการติดตั้ง และระหว่างส่วนประกอบกับโครงสร้างนำไฟฟ้าโดยรอบ

เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ค่ารีแอกแตนซ์คาปาซิทีฟจะลดลง ในที่สุด ผลกระทบจากความเหนี่ยวนำและคาปาซิทีฟจะทำงานร่วมกันอย่างมากพอที่จะสร้างสภาวะเรโซแนนซ์

ความถี่เรโซแนนซ์ในตัวเองของตัวเหนี่ยวนำ RF คืออะไร?

ความถี่เรโซแนนซ์ในตัวเอง

ซึ่งโดยทั่วไปย่อว่าSRFคือความถี่ที่ค่ารีแอกแตนซ์เหนี่ยวนำประสิทธิผลและความถี่รีแอกแตนซ์คาปาซิทีฟปรสิตของตัวเหนี่ยวนำสมดุลกันต่ำกว่า SRF หลักแรก ส่วนประกอบโดยทั่วไปจะทำงานเป็นตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนใหญ่ใกล้เรโซแนนซ์ ค่าความต้านทานอาจถึงจุดสูงสุด และส่วนประกอบจะไวต่อ:·

การจัดวาง PCB

10 MHz–20 GHz อุปกรณ์ทดสอบ

10 MHz–20 GHz ความยาวของสายไฟ

10 MHz–20 GHz ระยะห่างกราวด์

10 MHz–20 GHz โลหะใกล้เคียง

10 MHz–20 GHz วัสดุติดกาวและรองรับ

10 MHz–20 GHz ระนาบอ้างอิงการสอบเทียบ

10 MHz–20 GHz ด้วยเหตุนี้ วลี

ใช้งานได้ถึง 40 GHz

ไม่ควรตีความโดยอัตโนมัติว่า:·ค่าความเหนี่ยวนำยังคงเท่ากับ 120 nH ตลอดทั้งย่านความถี่

10 MHz–20 GHz ค่าความต้านทานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจนถึง 40 GHz

10 MHz–20 GHz SRF เดียวกันใช้ได้กับการติดตั้งทุกแบบ

10 MHz–20 GHz ประสิทธิภาพของวงจรไม่ขึ้นอยู่กับการจัดวาง

10 MHz–20 GHz ตัวเหนี่ยวนำเหมาะสำหรับการออกแบบ 40 GHz ทุกแบบ

10 MHz–20 GHz รูปทรงกรวยสนับสนุนประสิทธิภาพ RF บรอดแบนด์ได้อย่างไร

ข้อได้เปรียบหลักของรูปทรงกรวยคือการสร้างขดลวดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่เปลี่ยนแปลงไป รูปทรงรอบ และพารามิเตอร์ปรสิตแบบกระจายตลอดความยาว

ตัวเหนี่ยวนำแกนอากาศทรงกระบอกแบบดั้งเดิมมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่ค่อนข้างสม่ำเสมอ ดังนั้นรอบของมันจึงมีแนวโน้มที่จะมีความสัมพันธ์ของความเหนี่ยวนำและความจุไฟฟ้าที่สม่ำเสมอมากกว่า

ขดลวดทรงกรวยแตกต่างออกไป เนื่องจากรูปทรงของมันเปลี่ยนแปลงไปเรื่อยๆ จากปลายด้านแคบไปยังปลายด้านกว้าง ส่วนต่างๆ ของขดลวดจะให้ลักษณะความเหนี่ยวนำและความจุไฟฟ้าเฉพาะที่แตกต่างกัน

สิ่งนี้ไม่ได้กำจัดเรโซแนนซ์ แต่รูปทรงที่เปลี่ยนแปลงไปอาจช่วยกระจายพฤติกรรมเรโซแนนซ์ไปทั่วช่วงความถี่ที่กว้างขึ้น แทนที่จะรวมผลกระทบจากปรสิตทั้งหมดไว้รอบเรโซแนนซ์แคบๆ เพียงจุดเดียว

ในทางปฏิบัติ ส่วนประกอบจะทำงานเหมือน

โครงสร้าง RF แบบกระจาย

มากกว่าองค์ประกอบแบบรวมที่สมบูรณ์แบบเพียงอย่างเดียวนี่คือเหตุผลหนึ่งที่ตัวเหนี่ยวนำทรงกรวยถูกพิจารณาสำหรับวงจรบรอดแบนด์ที่วิศวกรต้องการการแยก RF ที่มีประโยชน์ในช่วงความถี่ที่กว้างขึ้นประสิทธิภาพจริงยังคงขึ้นอยู่กับ:

·

จำนวนรอบ

10 MHz–20 GHz มุมกรวย

10 MHz–20 GHz เส้นผ่านศูนย์กลางขั้นต่ำและสูงสุด

10 MHz–20 GHz เส้นผ่านศูนย์กลางลวด

10 MHz–20 GHz ระยะห่างรอบ

10 MHz–20 GHz รูปทรงของสายไฟ

10 MHz–20 GHz ทิศทางการติดตั้ง

10 MHz–20 GHz โครงสร้างสายส่งโดยรอบ

10 MHz–20 GHz เหตุใดตัวเหนี่ยวนำทรงกรวยจึงใช้ในวงจร Bias Tee

หนึ่งในการใช้งานที่สำคัญที่สุดของตัวเหนี่ยวนำทรงกรวยบรอดแบนด์คือ

Bias Tee

Bias Tee คือเครือข่ายสามพอร์ตที่รวมหรือแยก:·S11 บ่งชี้ว่าพลังงานถูกสะท้อนที่พอร์ตอินพุตมากน้อยเพียงใด

·

10 MHz–20 GHz ·

10 MHz–20 GHz Bias Tee แบบง่ายมักประกอบด้วย:

10 MHz–20 GHz ตัวเก็บประจุในสาขา RF เพื่อบล็อก DC

·

10 MHz–20 GHz ·

10 MHz–20 GHz ตัวเหนี่ยวนำต้องอนุญาตให้กระแส DC ไหลผ่าน ในขณะที่แสดงค่าความต้านทานที่สูงพอสำหรับสัญญาณ RF สิ่งนี้ช่วยป้องกันไม่ให้พลังงาน RF เดินทางเข้าสู่เครือข่ายแหล่งจ่ายไฟ

10 MHz–20 GHz ค่าความเหนี่ยวนำตามชื่อที่สูงขึ้นอาจปรับปรุงค่าความต้านทานที่ความถี่ต่ำ แต่ก็อาจทำให้เกิด:

·

ความจุไฟฟ้าปรสิตที่สูงขึ้น

·

10 MHz–20 GHz ·

10 MHz–20 GHz ·

10 MHz–20 GHz ·

10 MHz–20 GHz ดังนั้น ตัวเหนี่ยวนำทรงกรวยบรอดแบนด์จึงมีประโยชน์เนื่องจากรูปทรงแบบกระจายสามารถรองรับการทำงานของ RF choking ในย่านความถี่กว้าง ในขณะที่ยังคงให้เส้นทางกระแส DC

10 MHz–20 GHz 200 mA

ค่านี้ต้องถือเป็นพิกัดสูงสุดของผลิตภัณฑ์ แทนที่จะเป็นกระแสที่แนะนำสำหรับทุกสภาวะการทำงาน ควรพิจารณาการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ อุณหภูมิแวดล้อม วิธีการติดตั้ง และข้อกำหนดความน่าเชื่อถือของวงจรด้วย

S-parameters ช่วยประเมินตัวเหนี่ยวนำทรงกรวยได้อย่างไรที่ความถี่ไมโครเวฟ การวัดความต้านทาน ความเหนี่ยวนำ และความจุไฟฟ้าแบบดั้งเดิมมักไม่เพียงพอ วิศวกรนิยมใช้ Vector Network Analyzer เพื่อวัดS-parameters

S-parameters อธิบายว่าพลังงาน RF ถูกสะท้อนและส่งผ่านเครือข่ายอย่างไร

การวัดที่เกี่ยวข้องมากที่สุดมักรวมถึง:S11: สัมประสิทธิ์การสะท้อนอินพุตS11 บ่งชี้ว่าพลังงานถูกสะท้อนที่พอร์ตอินพุตมากน้อยเพียงใด

การเปลี่ยนแปลงใน S11 อาจเปิดเผย:

·

ความไม่ตรงกันของความต้านทาน

·

พฤติกรรมเรโซแนนซ์

10 MHz–20 GHz การทำงานร่วมกับฟิกซ์เจอร์

10 MHz–20 GHz การเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากทิศทางการติดตั้ง

10 MHz–20 GHz S21: การส่งผ่านไปข้างหน้า

10 MHz–20 GHz