Конический индуктор или индуктор с воздушным сердечником: что лучше для радиочастотных цепей? 

Для инженеров-радиотехников выбор зависит в основном от того, какую функцию должен выполнять индуктор.

Конический индуктор, как правило, применяется в широкополосных сдерживающих цепях РЧ и цепях постоянного смещения, тогда как обычный спиральный индуктор с воздушным сердечником часто используется для согласования импеданса, фильтрации или настройки в заданном диапазоне частот.

На микроволновых частотах номинальная индуктивность — лишь один из критериев выбора. Частотная характеристика, паразитная ёмкость, компоновка печатной платы и геометрия крепления могут оказывать не меньшее влияние на работу конечной схемы.

Конический индуктор и индуктор с воздушным сердечником: в чём разница?

Эта терминология может вводить в заблуждение.

Термин «конический» характеризует геометрию обмотки. Диаметр катушки плавно изменяется по всей её длине.

Термин «воздушный сердечник» обозначает индуктор, не содержащий феррита или другого материала магнитного сердечника.

Эти два варианта не исключают друг друга. Конический индуктор также может иметь воздушный сердечник. Например, компания HOAN предлагает конический индуктор с воздушным сердечником номинальной индуктивностью 1000 нГн для диапазона частот 25 МГц–40 ГГц.

В данной статье под индуктором с воздушным сердечником понимается традиционная цилиндрическая или спиральная катушка с воздушной обмоткой, широко используемая в радиочастотных цепях.

Почему для широкополосного подавления радиочастотных помех используется конический индуктор?

Физическая радиочастотная катушка включает в себя паразитную ёмкость между витками, сопротивление проводника, а также паразитные эффекты, обусловленные выводами и конструкцией крепления.

Эти эффекты приобретают всё большее значение по мере увеличения частоты.

Изменяющаяся геометрия обмотки конического индуктора формирует распределенную радиочастотную структуру. Это делает его полезным в тех случаях, когда дроссель должен поддерживать подходящее радиочастотное сопротивление в гораздо более широком диапазоне частот, чем тот, который обычно охватывает обычная однородная катушка.

Это можно продемонстрировать на примере нескольких современных моделей конических индукторов HOAN для широкополосных цепей:

Диапазон частот зависит от конкретного компонента и не должен рассматриваться как общая характеристика для всех конических индукторов.

Например, широкополосная коническая индуктивность HALT40005 емкостью 550 нГн рассчитана на диапазон частот от 50 МГц до 40 ГГц; для оценки её радиочастотных характеристик доступны данные S2P Touchstone.

Типичные области применения

Конические индукторы обычно применяются в следующих случаях:

Широкополосные разветвители с смещением; сети смещения для РЧ- и СВЧ-усилителей; схемы подачи постоянного тока; сети смещения для фотодиодов; широкоположное РЧ-измерительное оборудование. В этих областях применения инженеры, как правило, больше заинтересованы в РЧ-изоляции в пределах требуемого диапазона частот, чем в получении одного точного значения индуктивности на отдельной частоте.

Рекомендуемый рисунок: Вставьте сюда результаты измерений S11/S21 или результаты анализа с помощью векторного анализатора частотных характеристик (VNA) для широкополосного конического индуктора HOAN. В подписи укажите номер модели и фактические условия испытаний.

Где применяется индуктор с воздушным сердечником?

Обычный спиральный индуктор с воздушным сердечником целесообразно использовать в тех случаях, когда в цепи требуется определённая индуктивность в пределах заданного диапазона радиочастот.

Одним из примеров является индуктор с воздушным сердечником HALA0600503R компании HOAN.

Такая компактная РЧ-катушка по своим характеристикам в большей степени подходит для импедансного согласования, фильтрации и настравочных цепей, чем для замены широкополосного конического дросселя.

К типичным областям применения относятся согласующие сети РЧ, микроволновые фильтры, усилители и другие РЧ-схемы, предназначенные для работы на определённых частотах.

Компания HOAN предоставляет данные S2P для модели HALA0600503R, что позволяет оценить её радиочастотные характеристики до окончательной интеграции в печатную плату.

Рекомендуемое изображение: добавьте сюда фактическую кривую S-параметров HALA0600503R или реальное изображение монтажа на печатной плате вместо типовой иллюстрации.

Важность компоновки печатной платы при микроволновых частотах

При частотах 10, 20 или 40 ГГц этот компонент нельзя рассматривать в отрыве от печатной платы.

Длина выводов, паяные соединения, размеры контактных площадок, геометрия линии передачи и расположенные поблизости проводящие структуры — все это приводит к возникновению дополнительных паразитных эффектов.

Это особенно важно для индукторов с воздушным сердечником и низким значением nH. Избыточная длина соединения может привести к увеличению индуктивности настолько, что это повлияет на работу предусмотренной согласующей цепи.

Широкополосные конические индукторы также чувствительны к геометрии установки.

При практическом проектировании РЧ-устройств лучше рассматривать структуру в целом:

Индуктор + монтажные площадки + соединительные провода + линия передачи на печатной плате. Именно поэтому при оценке компонентов для микроволновых цепей данные S-параметров являются более полезными, чем только номинальная индуктивность.

Способ крепления тоже имеет значение

Ассортимент радиочастотных индукторов HOAN включает различные механические конфигурации в зависимости от модели, в том числе конструкции с выводами, для поверхностного монтажа и, ориентированные на SMT.

Способ крепления влияет не только на процесс сборки.

На микроволновых частотах более короткие соединительные линии, как правило, способствуют снижению нежелательных паразитных эффектов, при этом ориентация компонентов и геометрия контактных площадок должны оцениваться в рамках проектирования РЧ-схемы.

Всегда следуйте требованиям к монтажу, предусмотренным для конкретной модели, а не исходите из того, что для всей линейки продуктов можно использовать одну и ту же монтажную площадку печатной платы или один и тот же метод сборки.

Что выбрать?

Начнём с описания работы схемы.

Для сети с широкополосным смещением

Если постоянный ток должен проходить через ветвь смещения, а радиочастотную энергию необходимо изолировать в широком диапазоне частот, рассмотрите возможность использования конического индуктора или широкополосного РЧ-дросселя.

В настоящее время компания HOAN предлагает конические модели с заявленной верхней частотой до 40 ГГц.

Для подбора или настройки

Если конструкция требует определённой низкой индуктивности для сети согласования импеданса, фильтрации или настройки, более подходящим вариантом может оказаться спиральный индуктор с воздушным сердечником.

Например, модель HALA0600503R обеспечивает индуктивность 7 нГн ±20 % при рекомендуемом рабочем диапазоне 5–20 ГГц.

В любом случае не следует принимать окончательное решение, основываясь исключительно на значении nH.

Перед окончательным выбором компонента необходимо проверить рабочую частоту, потребляемый ток, характеристики S-параметров, компоновку печатной платы и геометрию монтажа.

Часто задаваемые вопросы

Может ли конический индуктор быть одновременно индуктором с воздушным сердечником?

Да. Термин «конический» описывает геометрию обмотки, а «с воздушным сердечником» — отсутствие материала магнитного сердечника. Эти два термина характеризуют разные свойства индуктора.

Лучше ли использовать конический индуктор в Т-образном разветвителе?

Для широкополосного Т-образного разветвителя конический индуктор может стать отличным выбором, поскольку его конструкция с распределенной обмоткой обеспечивает эффективную работу в качестве РЧ-дросселя в широком диапазоне частот. Конкретную модель всё же необходимо выбирать с учётом диапазона частот, постоянного тока и РЧ-параметров.

Что ещё следует проверять, помимо индуктивности, при работе на микроволновых частотах?

Проверьте требуемый диапазон частот, характеристики S-параметров, паразитные явления, номинальный ток, геометрию выводов или крепления, а также окончательную компоновку печатной платы. На микроволновых частотах эти факторы могут существенно повлиять на рабочие характеристики установленного устройства.

Выбор РЧ-индуктора от компании HOAN Microwave

Компания HOAN Microwave поставляет конические индукторы, широкополосные РЧ-индукторы и индукторы с воздушным сердечником для применения в РЧ- и микроволновых системах.

При проектировании сетей с широкополосным смещением следует сначала определить требуемый диапазон частот и постоянный ток, а затем оценить радиочастотные характеристики рассматриваемого дросселя. При проектировании сетей согласования и настройки необходимо учитывать требуемую индуктивность, а также радиочастотные характеристики компонента и геометрию печатной платы, на которой он будет установлен.

Лучший РЧ-индуктор — это не просто тот, у которого значение nH соответствует требуемому. Это тот, чьи измеренные характеристики после установки соответствуют требованиям схемы.