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浅谈锥形电感器

2023-02-24 14:14:12 John Dunn,EDN专栏作者 阅读:
在射频(RF)和微波工作时,有一种情况是必须将直流电源(DC)导入信号传输线,但又不至于降低该线路的高频作用...

在射频(RF)和微波运作时,有一种情况是必须将直流电源(DC)导入信号传输线,但又不至于降低该线路的高频作用。此时,常用的设备称为“偏置器”(bias-tee)。以下示意图说明使用该设备的两种方法。BjCednc

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图1:使用偏置器的两种常见方法。BjCednc

在上面的电路中,DC电源被输送到正从某处接收信号的某物。而在下面电路中,DC电源被输送至正在传输信号至某处的某物上。在这两种情况下,作为RF扼流圈的电感器,都不应该在工作信号频率时表现自谐振,这正是挑战所在。BjCednc

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制作RF扼流圈的方法之一是以锥形螺旋方式绕制电感器,如下图BjCednc

BjCednc

图2:锥形线圈示意图。BjCednc

任意标注在线圈之间的电容为“Cn”电容器组合,而从每个线圈到RF接地的电容则显示为“Cm”电容器组合。采用锥形排列的匝数,信号频谱中的最高频率可由靠近锥形顶端的电感支持,而较低频率则由远离信号线本身的较大线圈支持。“Cm”和“Cn”电容在靠近信号线之处保持较小,而在远离信号线之处则允许较大电容,因为它们的影响较不那么关键。BjCednc

我们可以制做一个非常粗略的电路模型,以说明如何设置自谐振,从而使RF扼流圈的最低自谐振频率高于信号输入到信号输出路径频率范围的最高工作频率。BjCednc

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图3:锥形扼流圈的电路模型。BjCednc

每一匝线圈由Ln和Cn的并联组合以及Cm的并联电容表示。虽然每匝线圈之间存在交叉耦合,但我在此选择假设交叉耦合为零,只是为了使数学易于处理而不至于受到我个人的分析限制。为此,我跪求原谅,但无论如何,还是出现了一个有用的见解。BjCednc

假设我们的起点在右边,并且面对一个阻抗,假设它是主要的电感,但我们将其电感值设为零,所以,在这个模型的左边看到的将会是一个仅由锥形线圈本身产生的阻抗。BjCednc

对于该模型的每个部分来说,从j X1开始,可以推导出如下的j X2等式:BjCednc

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图4 :锥形线圈每匝阻抗的数学推导。BjCednc

每个部分呈现的j X2可以作为左边到下一部分的新j X1。针对我们所选择检查的每个频率,这项计算被重复了多少次,就有多少线圈匝数。因此,这个计算过程是迭代的。BjCednc

现在我们看看一个实际的锥形电感器的一部分规格,感受一下现实世界的组件特性。BjCednc

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图5:实际的锥形电感器。BjCednc

值得注意的是,该组件的指定可用频率范围为100kHz至40GHz。这是一个8.644个八进制数或2.602个十进制数的范围,坦率说是非常巨大的。如下图6,我所尝试的仿真结果并没有那么好,但它仍然显示具有足够的带宽用于卫星广播服务。BjCednc

BjCednc

图6 :锥形电感器的模拟感抗。BjCednc

请注意,现实世界中的组件实体非常小。从几个第一匝Ln为50nHy的假设开始,我们选择将44个后续匝数的Ln值减少0.9452倍,这在1MHz时测试的最终电感值为840nHy,远远低于任何谐振。BjCednc

我们还假设每个电容具有0.001pF的超级微小的电容值,进一步将后续匝数每匝减小0.6倍。仿真的结果是:在略低于10GHz的频率下,并没有谐振的电感行为。BjCednc

这些结果是正确的吗?我无法证明这一点,但我猜想应该是正确的。至少它们似乎表明了市面上可购得组件的锥形结构之有效性和优点。BjCednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:A look at conical inductors,由Susan Hong编译。)BjCednc

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