ตัวเหนี่ยวนำบรอดแบนด์ 160nH 500mA ตัวเหนี่ยวนำแบบกรวยบรอดแบนด์ DC ที่ทนทาน 100MHz - 22GHz

เหตุใดการออกแบบ Bias Tee จึงเริ่มต้นด้วยตัวเหนี่ยวนำ

ถามวิศวกรระบบไมโครเวฟคนใดก็ได้ว่าส่วนประกอบใดที่มักจำกัดแบนด์วิดท์ของ Bias Tee ของพวกเขา และคำตอบเกือบจะเหมือนเดิมเสมอ: ตัวเหนี่ยวนำ DC choke ส่วนที่เหลือของวงจร — ตัวเก็บประจุคัปปลิ้ง, ตัวเก็บประจุบล็อก DC, อาจมีตัวต้านทานสำหรับการสิ้นสุดความถี่ต่ำ — แทบไม่เคยสร้างข้อจำกัดด้านแบนด์วิดท์ Choke คือคอขวด

นี่คือปัญหาพื้นฐาน: ตัวเหนี่ยวนำ Bias Tee จะต้องปรากฏเป็นวงจรเปิดสำหรับ RF ตั้งแต่ความถี่การทำงานต่ำสุดไปจนถึงสูงสุด ในขณะเดียวกันก็ต้องนำกระแส DC ไปยังอุปกรณ์ที่ใช้งาน ในระบบแบนด์วิดท์แคบ Choke ที่ใช้เรโซเนเตอร์ที่มี Q สูงจะทำงานได้ ในระบบแบนด์วิดท์กว้างที่ครอบคลุมหลายอ็อกเทฟ วิธีการนี้จะล้มเหลว — องค์ประกอบปฏิกิริยาเดียวกันที่ให้ความต้านทาน 1 kΩ ที่ 500 MHz จะเกิดการเรโซเนตในแถบความถี่ในที่สุด ทำให้เกิดการสูญเสียการส่งสัญญาณที่รุนแรง

The HALT25008 ข้ามผ่านอุปสรรคทางฟิสิกส์นี้ แทนที่จะพยายามลดความจุปรสิตในขดลวดแบบสม่ำเสมอ — การต่อสู้ที่แพ้ไปเหนือหลาย GHz — ส่วนประกอบนี้ใช้ประโยชน์จากลักษณะการกระจายตัวของโครงสร้างรูปกรวย ความจุปรสิตมีอยู่ แต่กระจายตัวอย่างต่อเนื่องตามความเรียว แทนที่จะกระจุกตัวอยู่ที่ความถี่เรโซแนนซ์ที่แน่นอน ผลลัพธ์คือ Bias Tee Choke ที่รักษาการแยก RF ต่อ DC ได้มากกว่า 1.2 kΩ ตลอดช่วง 100 MHz ถึง 22.0 GHz โดยไม่มีการลดลงของเรโซแนนซ์ที่รบกวนลักษณะการส่งสัญญาณ S21

กระแสห้าร้อยมิลลิแอมแปร์ผ่านสายไฟ 80 ไมครอน: เรื่องราววิศวกรรมความร้อน

การส่งกระแสครึ่งแอมแปร์ผ่านตัวนำที่บางกว่าเส้นผมของมนุษย์ดูเหมือนจะเชิญชวนให้เกิดความล้มเหลวทางความร้อน อย่างไรก็ตาม HALT25008 จัดการสิ่งนี้ได้เป็นประจำ คำอธิบายเกี่ยวข้องกับการเลือกการออกแบบที่ทำงานร่วมกันสี่ประการ:

1. ความบริสุทธิ์ของตัวนำมีความสำคัญในระดับนี้ สายไฟพัน 0.08 มม. ทำจากทองแดงเกรดอิเล็กทรอนิกส์ปราศจากออกซิเจน (OFHC, 99.99% Cu) ที่ 25°C ความต้านทาน DC วัดได้ประมาณ 1.8 Ω การสูญเสีย I²R ที่ 500 mA จะอยู่ที่ประมาณ 450 mW ซึ่งจัดการได้ในโครงสร้างแกนอากาศขนาด 3 มม. พร้อมการพาความร้อนตามธรรมชาติ
2. การป้อนกลับ TCR เชิงบวกถูกควบคุมผ่านขอบเขตความร้อน ความต้านทานทองแดงเพิ่มขึ้น +0.39% ต่อองศาเซลเซียส หากอุณหภูมิขดลวดสูงขึ้น DCR จะเพิ่มขึ้น และการกระจายพลังงานจะเพิ่มขึ้น — วงจรป้อนกลับเชิงบวก HALT2008 หลีกเลี่ยงวงจรนี้โดยจำกัด ΔT ที่กำหนดไว้ที่ 15°C เหนืออุณหภูมิแวดล้อม แม้ในสภาพแวดล้อม +125°C จุดเชื่อมต่อยังคงอยู่ในขอบเขตที่ปลอดภัยสำหรับระบบฉนวนโพลีอิไมด์ (กำหนดไว้ที่ 200°C ต่อเนื่อง) ไม่มีเส้นทางการวิ่งหนีความร้อนภายในขอบเขตที่กำหนด
3. ไม่มีแกนแม่เหล็กหมายถึงไม่มีแหล่งความร้อนที่ซ่อนอยู่ Choke เฟอร์ไรต์สูญเสียพลังงานผ่านฮิสเทรีซิสและกระแสไหลวน เปลี่ยนกำลัง RF ให้เป็นความร้อนแกนที่ทับซ้อนกับการสูญเสีย I²R ของ DC HALT25008 แบบแกนอากาศไม่มีการสูญเสียแกน ทุกมิลลิวัตต์ของการกระจายพลังงานมาจากความต้านทานทองแดงที่คาดการณ์ได้และคำนวณได้เท่านั้น
4. รูปทรงเรขาคณิตแบบเปิดโล่งให้การระบายความร้อนแบบพาสซีฟ ต่างจากตัวเหนี่ยวนำที่เคลือบหรือหุ้มที่กักเก็บความร้อนไว้ภายใน ขดลวดรูปกรวยที่สัมผัสจะแผ่รังสีและพาความร้อนได้อย่างอิสระ ช่องว่างอากาศ 0.5 มม. รอบตัวขดลวดก็เพียงพอที่จะรักษาพิกัด 500 mA ที่อุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้น

ความทนทานต่อสภาพแวดล้อม: จากการแช่แข็งจนถึงการใช้งานในทะเลทราย

ฮาร์ดแวร์ RF ที่ใช้งานในสนามจะพบกับอุณหภูมิสุดขั้วที่ม้านั่งในห้องปฏิบัติการไม่เคยเจอ Bias Tee บนอาร์เรย์เรดาร์บนเครื่องบินอาจเริ่มทำงานที่ -55°C ที่ระดับความสูง และไม่กี่นาทีต่อมาจะถึง +85°C จากความร้อนในตัวเองและโหลดแสงอาทิตย์เมื่อช่องใส่อิเล็กทรอนิกส์อุ่นขึ้น ตัวเหนี่ยวนำเกรดเชิงพาณิชย์จะล้มเหลวภายใต้การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ — แกนเฟอร์ไรต์แตกจากการจับคู่ CTE ที่ไม่ตรงกัน ข้อต่อบัดกรีล้า และฉนวนเคลือบฟันเปราะ

HALT25008 ได้รับการเสริมความแข็งแกร่งต่อกลไกเหล่านี้ทั้งหมด:

• ไม่มีการจับคู่ CTE ที่ไม่ตรงกัน: มีวัสดุโครงสร้างเพียงชนิดเดียวในขดลวด — ทองแดง ไม่มีส่วนต่อประสานเฟอร์ไรต์กับทองแดง ไม่มีซับสเตรตเซรามิก ไม่มีอีพอกซีหุ้มที่เติมขดลวด การขยายตัวทางความร้อนจะสม่ำเสมอและปราศจากความเค้น
• ระบบฉนวนโพลีอิไมด์: ต่างจากสารเคลือบเงาฉนวนลวดโพลีเอสเตอร์หรือโพลียูรีเทนทั่วไปที่อ่อนตัวเหนือ 130°C สารเคลือบโพลีอิไมด์บนขดลวด HALT25008 จะรักษาความแข็งแรงของฉนวนเต็มที่ตั้งแต่ -55°C ถึง +125°C อย่างต่อเนื่อง พร้อมความสามารถในการใช้งานระยะสั้นถึง +200°C
• การอยู่รอดจากการสั่นสะเทือน: จุดเดียวของอีพอกซี RF ที่มีการปล่อยก๊าซต่ำจะยึดตัวขดลวดเข้ากับซับสเตรต ขจัดมอดูเลชันไมโครโฟนิกที่จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวน AM/PM มวลต่ำของโครงสร้างแกนอากาศ (< 5 มก.) หมายความว่าแม้ภายใต้โปรไฟล์การสั่นสะเทือน MIL-STD-202 วิธีที่ 204 การเรโซแนนซ์ทางกลจะเกิดขึ้นสูงกว่าสเปกตรัมการกระตุ้น
• ความสมบูรณ์ของผิวตะกั่ว: การเคลือบทองบนตะกั่วทองแดงป้องกันการเกิดออกซิเดชันระหว่างการจัดเก็บและรับประกันการเปียกที่สม่ำเสมอระหว่างการบัดกรี แม้หลังจาก 12 เดือนในแพ็คเกจวาฟเฟิลในห้องคลีนรูม

ประสิทธิภาพที่วัดได้ตลอดช่วงการทำงานของ Bias Tee

HALT25008 แต่ละตัวได้รับการวัดลักษณะเฉพาะในโทโพโลยี Bias Tee ที่เป็นตัวแทน: ตะกั่วปลายแหลมบัดกรีเข้ากับไมโครสตริปแบบทะลุ 50 Ω, ตะกั่วฐานเชื่อมต่อกับแผ่นป้อนกระแส DC พร้อมตัวเก็บประจุบายพาสบรอดแบนด์ และเครือข่ายสองพอร์ตเต็มรูปแบบวัดบน VNA ที่ปรับเทียบแล้วพร้อมการถอด TRL อ้างอิงจุดบัดกรี:

การอ้างอิงข้อมูลจำเพาะ

การเลือกระหว่าง HALT25008 และ HALT20015 สำหรับงาน Bias Tee

ทั้งสองเป็นตัวเหนี่ยวนำรูปกรวย 160 nH จาก Hoan แต่แก้ปัญหาความต้องการ Bias Tee ที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน:

การประกอบเพื่อการทำงานของ Bias Tee ที่เชื่อถือได้

ตัวเหนี่ยวนำรูปกรวยไม่ใช่ตัวแทนแบบวางแทนที่ตัวเหนี่ยวนำชิป เทคนิคการประกอบเป็นตัวกำหนดแบนด์วิดท์ที่ได้รับโดยตรง:

1. การเชื่อมต่อปลายแหลม: ปลายกรวยที่แคบคือพอร์ตความถี่สูง บัดกรีตะกั่วนี้โดยตรงเข้ากับรอยต่อไมโครสตริป 50 Ω โดยให้ขดลวดตั้งฉากกับพื้นผิวบอร์ด การวางแนวตั้งฉากช่วยลดการจับคู่แม่เหล็กปรสิตกับรอยต่อที่อยู่ติดกันและกระแสไหลวนของระนาบกราวด์
2. วินัยการตัดแต่งตะกั่ว: ตะกั่วปลายแหลมระหว่างรอยบัดกรีและเทิร์นขดลวดแรกต้องไม่เกิน 0.5 มม. นี่ไม่ใช่แนวทางที่กำหนดเอง — ทุกๆ 0.5 มม. ของตะกั่วที่เกินมาจะเพิ่มความเหนี่ยวนำอนุกรมประมาณ 0.3 nH ซึ่งเพียงอย่างเดียวสามารถดึง SRF ที่ปรากฏให้ต่ำกว่า 20 GHz ได้ ใช้เครื่องตัดความแม่นยำภายใต้กล้องจุลทรรศน์สเตอริโอเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอ
3. ปลายฐานไป DC: ตะกั่วปลายกว้างเชื่อมต่อกับแผ่นป้อนกระแส DC ควรวางเครือข่ายตัวเก็บประจุบายพาสบรอดแบนด์ (โดยทั่วไปคือ 100 pF || 10 nF || 1 μF) ภายใน 1 มม. ของแผ่นนี้เพื่อป้องกันไม่ให้ RF เดินทางขึ้นสายจ่าย DC
4. การใช้ อีพอกซี: หลังจากตรวจสอบรอยบัดกรีทั้งสองแล้ว ให้ใช้ไมโครดอทเดียว (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.3 มม.) ของ Epotek H70E หรือ H65 ที่ด้านข้างของขดลวดรูปกรวยที่สัมผัสกับซับสเตรต อีพอกซีไม่ใช่โครงสร้างสำหรับกระแส DC — บทบาทของมันคือการหยุดการสั่นสะเทือนระดับไมครอนของเทิร์นขดลวดที่สร้างสัญญาณรบกวนเฟสผ่านการมอดูเลชันความเหนี่ยวนำ
5. โปรไฟล์ความร้อนในการบัดกรี: อุณหภูมิปลาย 280–320°C รักษาเวลาสัมผัสให้น้อยกว่า 3 วินาทีต่อข้อต่อ หากทำการซ่อมแซม ปล่อยให้ขดลวดเย็นสนิทก่อนที่จะให้ความร้อนอีกครั้ง วงจรความร้อนต่อเนื่องสามารถอบอ่อนทองแดง 0.08 มม. ทำให้มันอ่อนตัวลงและอาจเปลี่ยนรูปทรงขดลวด

การใช้งานที่พิสูจน์แล้วภาคสนาม

• เครือข่ายการฉีดไบอัส DC ในโมดูลทรานซีฟเวอร์ออปติคัล 100G/400G/800G (ไบอัสไดรเวอร์เลเซอร์ TOSA, แหล่งจ่ายไฟ TIA ROSA)
• การป้อนไบอัสเดรนของแอมพลิฟายเออร์กำลัง GaN-on-SiC HEMT ในเครื่องส่งสัญญาณเรดาร์ X-band ถึง K-band
• การเดินสายไบอัสสวิตช์ไดโอด PIN ในส่วนหน้าของตัวรับสงครามอิเล็กทรอนิกส์บรอดแบนด์
• การกระจายไบอัสองค์ประกอบเสาอากาศแบบสแกนอิเล็กทรอนิกส์แอคทีฟ (AESA)
• Bias Tee ตัวขยายความถี่ VNA คลื่นมิลลิเมตรสำหรับการวัดลักษณะอุปกรณ์บนเวเฟอร์
• การฉีดไบอัสแอมพลิฟายเออร์สัญญาณรบกวนต่ำแบบไครโอเจนิก (ผ่านการรับรองสำหรับการทำงานตั้งแต่ -55°C เริ่มต้นเย็น)

คำถามที่พบบ่อยโดยนักออกแบบ Bias Tee

Q: หากฉันจำลอง Bias Tee ของฉันใน ADS โดยใช้ไฟล์ .s2p และดูสมบูรณ์แบบ ฉันควรจะสร้างต้นแบบก่อนที่จะผลิตหรือไม่?
A: ข้อมูล .s2p จับลักษณะการทำงานของ HALT25008 บนฟิกซ์เจอร์ไมโครสตริปที่วัดลักษณะเฉพาะ มันไม่ได้จำลองสแต็กอัพ PCB ของคุณ รูปทรงแผ่นรอง ระยะห่างระนาบกราวด์ หรือการจับคู่รอยต่อที่อยู่ติดกัน ต่ำกว่า 18 GHz ความสัมพันธ์ระหว่างการจำลองตาม .s2p และฮาร์ดแวร์ที่วัดได้มักจะยอดเยี่ยม (< 1 dB ส่วนเบี่ยงเบน S21) เหนือ 20 GHz พาราสิติกของเลย์เอาต์ PCB ของคุณจะครอบงำ และเราขอแนะนำอย่างยิ่งให้สร้างคูปองทดสอบสั้นๆ ด้วยวัสดุไดอิเล็กทริกและสแต็กอัพที่แน่นอนของคุณ Hoan สามารถตรวจสอบเลย์เอาต์ของคุณและให้ข้อเสนอแนะเฉพาะแอปพลิเคชันได้

Q: ระบบของเราต้องการการทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อม 85°C โดย HALT25008 ผ่านกระแส 450 mA นี่อยู่ในโซนปลอดภัยหรือไม่?
A: ใช่ ที่ 450 mA การสูญเสีย I²R จะอยู่ที่ประมาณ 365 mW ด้วย ΔT ประมาณ 12°C ที่ระดับกระแสนี้ อุณหภูมิขดลวดจะอยู่ที่ประมาณ 97°C ที่อุณหภูมิแวดล้อม 85°C ซึ่งอยู่ภายในพิกัดฉนวนโพลีอิไมด์และภายในขอบเขต ΔT ≤ 15°C ที่กำหนด ไม่จำเป็นต้องลดพิกัดสำหรับจุดทำงานนี้

Q: HALT25008 สามารถทนต่อการรีโฟลว์แบบไร้สารตะกั่วได้หรือไม่ หากเราต้องการใช้ในกระบวนการ SMT แบบไฮบริด?
A: HALT25008 เป็นส่วนประกอบแบบตะกั่วบิน ไม่ใช่อุปกรณ์ติดตั้งบนพื้นผิว และไม่ได้รับการจัดอันดับสำหรับการสัมผัสเตาอบรีโฟลว์เต็มรูปแบบ ลวดฉนวนโพลีอิไมด์ 0.08 มม. สามารถทนต่อการใช้งานที่อุณหภูมิรีโฟลว์ได้ชั่วครู่ แต่การสัมผัสที่อุณหภูมิสูงกว่า 320°C อย่างต่อเนื่องมีความเสี่ยงต่อการเสื่อมสภาพของฉนวน วิธีการประกอบที่แนะนำคือการบัดกรีตะกั่วบินด้วยมือหรืออัตโนมัติหลังรีโฟลว์ สำหรับสาย SMT อัตโนมัติเต็มรูปแบบ โปรดติดต่อ Hoan เกี่ยวกับตัวเลือกบรรจุภัณฑ์แบบเฟรมตะกั่วแบบกำหนดเอง

Q: Bias Tee ของเราต้องส่งผ่าน RF 10W ผ่านเส้นทางการส่งสัญญาณ HALT25008 จำเป็นต้องลดพิกัดกำลังหรือไม่?
A: HALT25008 อยู่ที่ด้านไบอัส DC ของ Bias Tee ไม่ใช่ในเส้นทางส่งผ่าน RF หลัก กำลัง RF ที่เดินทางผ่านไมโครสตริป 50 Ω ไม่ได้ผ่านตัวเหนี่ยวนำ Choke จะเห็นเฉพาะแรงดัน RF ที่มีอยู่ที่จุดเชื่อมต่อ Tee ซึ่งทำให้เกิดกระแส AC ขนาดเล็กผ่านความต้านทานปฏิกิริยาของตัวเหนี่ยวนำ ที่การแยก 1.2 kΩ การแบ่งแรงดัน RF ทำให้การกระจายพลังงานของ choke น้อยมาก พิกัด 500 mA หมายถึงกระแส DC เท่านั้น

Q: ระยะเวลารอคอยสินค้าสำหรับรุ่นที่กำหนดเองหากเราต้องการค่าความเหนี่ยวนำที่แตกต่างกันคือเท่าใด?
A: Hoan มีความสามารถในการสร้างต้นแบบตัวเหนี่ยวนำรูปกรวยแบบ Quick-turn ค่าความเหนี่ยวนำที่กำหนดเอง (โดยทั่วไปคือ 50 nH ถึง 500 nH ในซีรีส์ลวด 0.08 มม.) สามารถสุ่มตัวอย่างได้ภายใน 3–4 สัปดาห์ ระยะเวลารอคอยการผลิตจำนวนมากคือ 8–12 สัปดาห์ ขึ้นอยู่กับปริมาณ ติดต่อ Hoan พร้อมค่าความเหนี่ยวนำที่ต้องการ แบนด์ความถี่ และความต้องการกระแส DC ของคุณเพื่อประเมินความเป็นไปได้และใบเสนอราคา