如何權衡射頻電路中電感器性能規格

2021-01-09 電子發燒友
如何權衡射頻電路中電感器性能規格

電子技術設計 發表於 2021-01-07 13:39:45

射頻電感的用途多樣，可用在各種結構類型，來滿足特定應用的性能需求。匹配、諧振器和扼流圈是射頻電路中電感器的常見用途。匹配包括消除阻抗不匹配和最小化電路塊(如天線和射頻塊或中頻(IF)塊)之間線路的反射和損耗。諧振用於合成器和振蕩電路，以調整電路並設置所需的頻率。

當用作扼流圈時，電感器可以放置在功能元件的電源線路中，如射頻塊或中頻塊，目的是為了衰減高頻交流電流。偏置三通允許直流電流偏置有源器件，如二極體。直流偏置電流和AC/RF信號疊加在一起，從AC+DC輸出埠輸出。

偏見三通示意圖

射頻電感規格

電感是導電體的特性，它能抵抗流過導體電流的變化。它是感應電壓與產生感應電壓的電流變化率的比值，用亨利(H)來測量。射頻電感器的電感額定值通常在0.5納亨利(nH)或更少，到數百納亨利之間。電感取決於結構、鐵芯尺寸、鐵芯材料和線圈匝數。電感器有固定或可變電感值可供選擇。

直流額定電流(DCR)與直流電阻有關，以安培為單位。DCR確定電感在不過熱或飽和的情況下能夠處理的電流量。當考慮電感的熱性能時，這是一個重要指標。功率損耗隨電流和直流電阻增大而增大，這會導致電感溫度升高。電感器的額定溫度通常是特定的環境溫度，溫度的上升是由於電流通過電感器。例如，額定環境溫度為125°C，由於全額定電流(Irms或Idc)而上升15°C的部件，其最高溫度大約為140°C。

飽和電流是直流電，它使電感降低到一定的值。電感下降是因為磁芯只能包含一定數量的磁通密度。飽和電流與電感的磁性能有關。DCR描述了電感器可以通過的最大直流電流，它與物理特性有關。

自諧振頻率(SRF)是指超過這個頻率，感應器就停止工作了。通常來講，由於寄生電容的影響，電感值（inductance）越大，自諧振頻率（SRF）越低，反之亦然。電感器在兩端電極之間或繞線導體匝之間的分布電容較低，並且器件的電感與SRF處的分布電容共振。在SRF中，電感充當一個帶阻抗的電阻。在較高頻率時，分布電容佔主導地位。

在高頻電路和模塊中選擇電感時，僅僅考慮所需的電感是不夠的;SRF應至少比工作頻率高10倍。對於扼流圈應用，SRF是阻抗達到最大值的頻率，這提供了更好的信號阻塞。

Q因子是描述振蕩器或諧振器欠阻尼情況的無量綱參數。它近似定義為諧振腔中儲存的初始能量與振蕩周期一弧度內損失的能量之比。Q因子也可以定義為受振蕩驅動時諧振腔中心頻率與其帶寬的比值。

高Q值導致窄帶帶寬，這對電感器作為LC池(振蕩器)電路一部分或在窄帶通應用中非常重要。高Q還能降低插入損耗，使功耗最小化。所有頻率相關的實損耗和虛損耗都包含在Q的測量中，包括電感、電容、導體的集膚效應[1]和磁性材料的鐵芯損耗。

規格如何權衡

物理射頻電感是一個非理想器件，包括寄生電阻、電感和電容，它們是非線性的，會影響性能，因此需要在各種性能規格之間進行權衡。例如:

更高的電流需要更大的導線，這是為了保持最低的損耗和溫升。雖然更大的導線降低了DCR，增加了Q，但以更大的零件尺寸和可能更低的SRF為代價。在額定電流方面，線繞電感器優於同等尺寸電感值的多層電感器。而同尺寸和電感相同的多層電感，線繞電感的Q值要高得多。

使用較低匝數的鐵氧體鐵芯電感可以獲得較高的電流容量和較低的DCR。然而，鐵氧體可能會產生新的限制，如電感隨溫度的變化，更寬鬆的容差，更低的Q，以及降低飽和電流額定值。具有開放磁性結構的鐵氧體電感即使在滿額定電流下也不會飽和。

RF電感結構的選擇

現如今已經有幾種製造方法可以減輕各種寄生的影響，並優化射頻電感特性，以滿足特定應用的需要。

陶瓷核心晶片電感用於射頻和微波頻率通信設備的窄帶濾波。他們提供非常高的Q值以及可以將電感容差降到1%。

鐵氧體或鐵芯晶片電感器是線繞射頻扼流圈，用來提供隔離和寬頻帶濾波，而不需要鐵芯飽和。在給定的環評尺寸上，他們提供最高的電感和最低的DCR。

多層晶片電感可提供低DCR、高Q和高溫工作。陶瓷材料結構可在高頻下實現高性能，多層工藝可提供廣泛的電感值範圍。多層器件可以提供比薄膜或空芯更廣泛的電感範圍，但不能與線繞的電感範圍或額定電流相匹配。

空心電感器是線繞的射頻扼流圈，提供隔離和寬頻帶濾波，而不需要鐵芯飽和。他們提供最高的電感和最低的DCR在給定的環評尺寸。

錐形和寬頻帶電感器在寬帶寬上具有高阻抗。錐形電感適用於高達100GHz的超寬帶偏置三通。在寬頻帶偏置應用中，單個錐形電感可以代替多個級聯的窄帶電感。

寬帶錐形射頻電感適合應用範圍從測試儀器到微波電路設計。這些寬頻電感在偏壓三通管中工作良好，可用於通信平臺和100 GHz的射頻測試設置

RFID和NFC轉發器感應器是在轉發器標籤和NFC/RFID天線中提供高靈敏度和長讀取距離的專用設備。它們可以優化應用，如在嚴酷的機械環境和高溫操作環境中要求高性能的輪胎壓力監測。

電感器是射頻/微波信號鏈中的重要組成部分。把它們進行分類可能很難，需要理解各種性能。一旦制定了一個規範，在為特定的應用達到最佳組件之前，必須對大量的構造選項進行分類。

[1] 集膚效應一般指趨膚效應。當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分布不均勻，電流集中在導體的「皮膚」部分，也就是說電流集中在導體外表的薄層，越靠近導體表面，電流密度越大，導體內部實際上電流較小。

編輯：hfy

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