射頻電感選用技巧

在手機(jī)、RFID、測試設(shè)備、GPS、雷達(dá)、Wi-Fi以及衛(wèi)星無線電等應(yīng)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(dān)的幾項(xiàng)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(shè)計(jì)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(dòng)物，在我們家養(yǎng)動(dòng)物的皮膚中植入的玻璃管內(nèi)部都含有一個(gè)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(dòng)汽車的時(shí)候兩個(gè)電感之間都會(huì)產(chǎn)生無線通信，一個(gè)在汽車內(nèi)部，另一個(gè)在鑰匙內(nèi)部。”

　　圖1 RF電感是高頻電子設(shè)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(yīng)用，以便實(shí)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(shí)，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(gè)低通濾波器，它會(huì)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(shí)，Q值是最重要的衡量指標(biāo)。Q值是一種衡量電感性能的指標(biāo)，它是一個(gè)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(gè)好處是損耗低，也就是說電感消耗的能量少。低Q值會(huì)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(dāng)然是它的電感值。對于音頻和電源應(yīng)用而言，電感取值通常是數(shù)亨利，而高頻率應(yīng)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(gè)因素，其中包括結(jié)構(gòu)、鐵芯尺寸、鐵芯材料以及實(shí)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(yīng)用場合的不同，每種特性都可能是需要重點(diǎn)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(huì)確定磁芯的選擇。”

　　額定電流

　　在選擇電感時(shí)，工作電流應(yīng)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(huì)損壞產(chǎn)品?！　?/p>

直流電阻（DCR）

　　Kimbro稱，直流電阻（DCR）與額定電流有很大的關(guān)聯(lián)。以線圈電阻為基準(zhǔn)，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(huì)減小，而額定電流會(huì)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(huì)限制在不過熱或不發(fā)生飽和（感應(yīng)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(gè)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(gè)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用的，它的結(jié)構(gòu) 可以展寬線圈的帶寬。錐形電感的實(shí)際尺寸較小，通常是用細(xì)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(shí)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(huì)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(yīng)該盡可能地避免使用鐵氧體磁芯，因?yàn)樗鼈儠?huì)在較小的Idc值處飽和，而且會(huì)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。