宽频锥形电感的特点

宽频锥形电感的特点

宽频电感器是射频（RF）和微波电路设计中的一个组成部分，通常用作阻抗匹配元件或偏置阻滞。有各种各样的电感器被设计来满足当今的各种应用。在给定的应用场景中使用电感器需要了解它的能力和局限性。电感器的带宽主要限制是它的自共振频率或第一平行共振频率（PRF）。

电感器的典型结构包括形成平面状或螺旋状的金属线圈，如图1所示。

图1.各种类电感器

电感器内线圈的紧密接近允许互磁耦合增加线圈的总净电感。基于Si或GaAs微波单片集成电路（MMIC）的电感器的值通常低于47nH，si-MMIC被大量应用于 4GHz 以下频段的微波小功率， PRF一般低于10GHz。而硅基 SiGe 射频 CMOS 和 BiCMOS 工艺技术在21 世纪进展很快，该类器件的工作频率可达到60GHz 以上，但其输出功率很小，仅在 100mW以内，这限制了其应用。 MMIC电感器非常适合RF和微波调谐元件以及低功率微波偏置扼流圈，因为其尺寸紧凑且制造重复性好。然而，为了创建良好的宽带RF扼流圈，表面贴装（SMT）电感器（图2）由于其封装结构增加了稳定性，安装方便，从而在生产中得到了大规模应用。

图2. 表面贴装（SMT）电感器

对于SMT型电感器，一种大大增加线圈磁耦合的常见方法是在线圈中心包括或嵌入铁氧体材料。但是，存在与高电感值相关的性能必须和带宽权衡。因为高频会在边缘场会产生相关的寄生电抗。即使在较低的频率下，理想的电感器也无法实现没有寄生电抗，电感器的典型集总元件等效电路如图3所示。

图3. 电感器的典型集总元件等效电路

电感器的有用带宽由其初级电感和相关的并联和并联寄生电容决定。图3中，第一个限制是绕组电感两端存在的净反馈电容C_f。第二个限制是由于与电感器绕组和连接焊盘相关的对地的分流电容C₁和C₂。跨接电感器的净并联绕组电容C_f将与初级电感L₁谐振并确定第一并联谐振频率。在高于PRF的工作频率下，电感器的主要电抗是电容性的，它不能再用作调谐电感器或扼流圈。在比PRF更高的频率下，电感器可以具有其他谐振模式（图3中的简单模型没有表示这些模式）。

标准的SMT电感器具有广泛的电感值、电流处理能力、Q（耗散损耗）和容易量化安装等特点。使用SMT电感器所需的主要权衡之一是电感量和可用带宽的选择。例如，工作频率为10 MHz至2 GHz的宽带功率放大器需要具有高值电感（6–10µH）的RF扼流圈，该扼流圈在所需带宽内无谐振。然而，对于典型的电感器，由于螺旋结构，50 nH–10µH范围内的高电感值也具有非常低的PRF，这限制了它们作为扼流圈的可用带宽。为了执行从10MHz到2GHz的RF扼流，必须使用不同类型的电感器。而本文介绍的宽带锥形电感器既可以为射频至毫米波扼流提供高电感值，也可以同时提供大的无谐振带宽。谐振带宽为10 MHz至40 GHz，电感量的范围为0.5至8µH，电流处理能力高达1 A。飞线和和锥形SMT电感器的如图4所示。甚至通过参数设计，可以达到近70GHz。这对于射频微波电路是非常高性能的电感器，可用于非常宽带的超高频到毫米波或偏置馈电应用。

图4. 飞线锥形电感器和SMT锥形电感器

在微波和毫米波频率下使用圆锥形电感器需要更为细致的组装。因为锥形电感器的高阻抗、高频端部是在锥形线圈直径最小的端。为了不引入任何与包装相关的寄生物，从而在电感器性能中产生谐振，SMT封装的电感器的附加垫片必须具有非常低的分流电容，并且电感器引线必须小心地连接到垫片上。电感器还必须充分放置在其支撑基板之上，以便不产生可以降低PRF的额外的绕组反馈或分流电容。