如何选择合适的射频电感

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 在手机、RFID、测试设备、GPS、雷达、Wi-Fi以及卫星无线电等应用的高频模拟电路和信号处理中,电感是最重要的元件之一。通常,它可以承担的几项主要功能包括电路调谐、阻抗匹配、高通和低通滤波器,还可以用作RF扼流圈。

  选择在设计中使用RF电感的电子工程师有多种选择。为了简化这种选择,本文将讨论电感元件的各种类型及其常见用法。

  RF电感的用途

  大部分电子器件都含有RF电感。“为了跟踪动物,在我们家养动物的皮肤中植入的玻璃管内部都含有一个电感”,普莱默公司的一位研发工程师 Maria del Mar Villarrubia说,“每次启动汽车的时候两个电感之间都会产生无线通信,一个在汽车内部,另一个在钥匙内部。”

  

  图1 RF电感是高频电子设备的基本组成元件之一

  不过,正如这种元件的无所不在一样,RF电感也有着非常具体的用途。在谐振电路中,这些元件通常与电容结合使用,以便选择特定的频率(如振荡电路、压控振荡器等)。

  RF电感也可以用于阻抗匹配应用,以便实现数据传输线的阻抗平衡。这是为了确保IC间高效的数据传输所必需的。

  作为RF扼流圈使用时,电感串联在电路中,起到RF滤波器的作用。简单来说,RF扼流圈是个低通滤波器,它会给较高的频率造成衰减,而较低的频率则畅通无阻。

  Q值是什么

  在讨论电感性能时,Q值是最重要的衡量指标。Q值是一种衡量电感性能的指标,它是一个无量纲的参数,用于比较振荡频率和能量损耗速率。

  Murata公司的高级产品经理Deryl J. Kimbro说:“Q值越高,电感的性能就越接近于理想的无损电感。也就是说,它在谐振电路中的选择性更好。”

  高Q值的另一个好处是损耗低,也就是说电感消耗的能量少。低Q值会造成带宽较宽,而且在振荡频率处及其附近的谐振幅度较低。

  电感值

  除了Q因子以外,电感的真正的量度当然是它的电感值。对于音频和电源应用而言,电感取值通常是数亨利,而高频率应用通常需要小得多的电感,通常在毫亨或微亨范围内。

  电感值取决于几个因素,其中包括结构、铁芯尺寸、铁芯材料以及实际的线圈匝数。电感既有电感值固定的,也有电感值可调的。

  其他规格

  电感值并不是唯一重要的取值。直流电阻、电流以及自谐振频率(SRF)是RF电感的数据单中所提供的一些更加有用的规格。

  del Mar Villarrubia说:“根据应用场合的不同,每种特性都可能是需要重点考虑的因素并决定其他特性。例如,如果元件将用在轮胎压力监测系统中,那么电感在很宽的温度范围内的稳定性是很重要的,而这种要求将会确定磁芯的选择。”

  额定电流

  在选择电感时,工作电流应该低于说明书中的额定电流。如果工作电流超过额定电流,就可能会损坏产品。

  直流电阻(DCR)

  Kimbro称,直流电阻(DCR)与额定电流有很大的关联。以线圈电阻为基准,直流电阻等于电感的损耗。如果绕线的直径增加,那么直流电阻会减小,而额定电流会增加。较大的绕线直径降低了损耗并改善了电流处理能力。

  Vishay公司电感部门的产品市场经理Doug Lillie说:“直流电阻会限制在不过热或不发生饱和(感应系数急剧降低)的情况下器件可以传输的直流电流。”

  自谐振频率(SRF)

  电感中的每一匝绕线都可以看成一块电容器极板,匝与匝之间以及线圈与铁芯之间电容的总体效果可以用与电感并联的单个电容来表示,称为分布电容(Cd)。这种并联结构的谐振频率就称为自谐振频率(SRF)。

  Lillie说:“在这个频率,电感看起来就像带有阻抗的纯电阻。如果频率超过自谐振频率,这种并联结构的容抗将成为主要因素。”

  叠层片式电感

  叠层片式电感是使用陶瓷材料结构通过集成工艺制成的。陶瓷材料结构可以在高频处提供很好的性能,而叠层片式工艺以提供各种各样的电感值。

  叠层片式器件的电感值范围要比薄膜或空芯线圈类的电感广,但是比不上线绕式元件的电感取值范围或额定电流。叠层片式技术因其很好的电特性,特别是其低廉的成本,而越来越流行。

  薄膜电感

  薄膜电感是使用光刻工艺生产的,这种工艺可以在陶瓷基底上生产出非常精确的线圈模式,从而满足苛刻的电感公差。陶瓷基板使得这些电感成为RF应用的理想元件。但是,薄膜电感能传输的电流较小,而且电感值范围有限。

  线绕式电感

  线绕式电感通常用于低频应用之中。线绕式电感是将铜线绕在陶瓷(氧化铝)磁芯上制成的。

  因其结构和材料的原因,线绕式电感可以提供很好的电特性。水平绕线结构使得公差很小而杂散电容很小,而铜线使得直流电阻很小,从而增加了品质因子性能以及额定电流。

  锥形电感

  锥形电感是面向宽带和高频应用的,它的结构 可以展宽线圈的带宽。锥形电感的实际尺寸较小,通常是用细线绕成的,因此杂散电容较小。

  在超宽带Bias-T器件中,锥形电感同时提供了直流偏置提取或注入路径,它可以将电源与有源器件隔离。

  磁芯的选择

  高频器件通常使用空心或惰性(也就是陶瓷)磁芯。它们提供了比磁性铁芯更好的热性能,但是其电感取值有限。

  中频器件通常采用铁芯。铁芯不会饱和,但是无法提供铁氧体磁芯那样的大电感值。低频器件通常使用铁氧体磁芯。应该尽可能地避免使用铁氧体磁芯,因为它们会在较小的Idc值处饱和,而且会受温度的影响(△L/△T)。

  厂商们也在开发和使用更新的铁氧体,如无定形和纳米晶体材料。

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