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射頻電感選用技巧

發(fā)布時間:2011-11-02

中心議題:
  • 射頻電感選用技巧
解決方案:
  • 開發(fā)和使用更新的鐵氧體
  • 將電源與有源器件隔離

在手機、RFID、測試設備、GPS、雷達、Wi-Fi以及衛(wèi)星無線電等應用的高頻模擬電路和信號處理中,電感是最重要的元件之一。通常,它可以承擔的幾項主要功能包括電路調(diào)諧、阻抗匹配、高通和低通濾波器,還可以用作RF扼流圈。

選擇在設計中使用RF電感的電子工程師有多種選擇。為了簡化這種選擇,本文將討論電感元件的各種類型及其常見用法。

RF電感的用途

大部分電子器件都含有RF電感。“為了跟蹤動物,在我們家養(yǎng)動物的皮膚中植入的玻璃管內(nèi)部都含有一個電感”,普萊默公司的一位研發(fā)工程師 Maria del Mar Villarrubia說,“每次啟動汽車的時候兩個電感之間都會產(chǎn)生無線通信,一個在汽車內(nèi)部,另一個在鑰匙內(nèi)部。”

圖1 RF電感是高頻電子設備的基本組成元件之一
不過,正如這種元件的無所不在一樣,RF電感也有著非常具體的用途。在諧振電路中,這些元件通常與電容結(jié)合使用,以便選擇特定的頻率(如振蕩電路、壓控振蕩器等)。

RF電感也可以用于阻抗匹配應用,以便實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸線的阻抗平衡。這是為了確保IC間高效的數(shù)據(jù)傳輸所必需的。

作為RF扼流圈使用時,電感串聯(lián)在電路中,起到RF濾波器的作用。簡單來說,RF扼流圈是個低通濾波器,它會給較高的頻率造成衰減,而較低的頻率則暢通無阻。

Q值是什么

在討論電感性能時,Q值是最重要的衡量指標。Q值是一種衡量電感性能的指標,它是一個無量綱的參數(shù),用于比較振蕩頻率和能量損耗速率。

Murata公司的高級產(chǎn)品經(jīng)理Deryl J. Kimbro說:“Q值越高,電感的性能就越接近于理想的無損電感。也就是說,它在諧振電路中的選擇性更好。”

高Q值的另一個好處是損耗低,也就是說電感消耗的能量少。低Q值會造成帶寬較寬,而且在振蕩頻率處及其附近的諧振幅度較低。

電感值

除了Q因子以外,電感的真正的量度當然是它的電感值。對于音頻和電源應用而言,電感取值通常是數(shù)亨利,而高頻率應用通常需要小得多的電感,通常在毫亨或微亨范圍內(nèi)。

電感值取決于幾個因素,其中包括結(jié)構(gòu)、鐵芯尺寸、鐵芯材料以及實際的線圈匝數(shù)。電感既有電感值固定的,也有電感值可調(diào)的。

其他規(guī)格

電感值并不是唯一重要的取值。直流電阻、電流以及自諧振頻率(SRF)是RF電感的數(shù)據(jù)單中所提供的一些更加有用的規(guī)格。

del Mar Villarrubia說:“根據(jù)應用場合的不同,每種特性都可能是需要重點考慮的因素并決定其他特性。例如,如果元件將用在輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中,那么電感在很寬的溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性是很重要的,而這種要求將會確定磁芯的選擇。”
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額定電流

在選擇電感時,工作電流應該低于說明書中的額定電流。如果工作電流超過額定電流,就可能會損壞產(chǎn)品。

直流電阻(DCR)

Kimbro稱,直流電阻(DCR)與額定電流有很大的關聯(lián)。以線圈電阻為基準,直流電阻等于電感的損耗。如果繞線的直徑增加,那么直流電阻會減小,而額定電流會增加。較大的繞線直徑降低了損耗并改善了電流處理能力。

Vishay公司電感部門的產(chǎn)品市場經(jīng)理Doug Lillie說:“直流電阻會限制在不過熱或不發(fā)生飽和(感應系數(shù)急劇降低)的情況下器件可以傳輸?shù)闹绷麟娏鳌?rdquo;

自諧振頻率(SRF)

電感中的每一匝繞線都可以看成一塊電容器極板,匝與匝之間以及線圈與鐵芯之間電容的總體效果可以用與電感并聯(lián)的單個電容來表示,稱為分布電容(Cd)。這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)的諧振頻率就稱為自諧振頻率(SRF)。

Lillie說:“在這個頻率,電感看起來就像帶有阻抗的純電阻。如果頻率超過自諧振頻率,這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)的容抗將成為主要因素。”

疊層片式電感

疊層片式電感是使用陶瓷材料結(jié)構(gòu)通過集成工藝制成的。陶瓷材料結(jié)構(gòu)可以在高頻處提供很好的性能,而疊層片式工藝以提供各種各樣的電感值。

疊層片式器件的電感值范圍要比薄膜或空芯線圈類的電感廣,但是比不上線繞式元件的電感取值范圍或額定電流。疊層片式技術因其很好的電特性,特別是其低廉的成本,而越來越流行。
薄膜電感

薄膜電感是使用光刻工藝生產(chǎn)的,這種工藝可以在陶瓷基底上生產(chǎn)出非常精確的線圈模式,從而滿足苛刻的電感公差。陶瓷基板使得這些電感成為RF應用的理想元件。但是,薄膜電感能傳輸?shù)碾娏鬏^小,而且電感值范圍有限。

線繞式電感


線繞式電感通常用于低頻應用之中。線繞式電感是將銅線繞在陶瓷(氧化鋁)磁芯上制成的。

因其結(jié)構(gòu)和材料的原因,線繞式電感可以提供很好的電特性。水平繞線結(jié)構(gòu)使得公差很小而雜散電容很小,而銅線使得直流電阻很小,從而增加了品質(zhì)因子性能以及額定電流。

錐形電感

錐形電感是面向?qū)拵Ш透哳l應用的,它的結(jié)構(gòu) 可以展寬線圈的帶寬。錐形電感的實際尺寸較小,通常是用細線繞成的,因此雜散電容較小。

在超寬帶Bias-T器件中,錐形電感同時提供了直流偏置提取或注入路徑,它可以將電源與有源器件隔離。

磁芯的選擇

高頻器件通常使用空心或惰性(也就是陶瓷)磁芯。它們提供了比磁性鐵芯更好的熱性能,但是其電感取值有限。

中頻器件通常采用鐵芯。鐵芯不會飽和,但是無法提供鐵氧體磁芯那樣的大電感值。低頻器件通常使用鐵氧體磁芯。應該盡可能地避免使用鐵氧體磁芯,因為它們會在較小的Idc值處飽和,而且會受溫度的影響(△L/△T)。

廠商們也在開發(fā)和使用更新的鐵氧體,如無定形和納米晶體材料。
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