01 電感的定義
電感是由導(dǎo)線繞成的線圈,用于增加穿過線圈間的磁鏈數(shù),最終增加該線圈的自感系數(shù)。
02 高頻電感的作用
高頻電感(High frequency inductors),是一種具有效率最高、速度最快,且低耗環(huán)保特點的電磁感應(yīng)元件。它是用絕緣導(dǎo)線(例如漆包線、紗包線等)繞制而成的,主要由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、磁心或鐵心等組成。目前,高頻電感在生活中的應(yīng)用比較廣泛。
高頻電感在射頻電路中主要有以下幾種作用:
匹配(Matching):與電容一起組成匹配網(wǎng)絡(luò),消除器件與傳輸線之間的阻抗失配,減小反射和損耗;
濾波(Filter):與電容一起組成LC濾波器,濾出一些不想要的頻率成分,防止干擾器件工作;
隔離交流(RF choke):在PA等有源射頻電路中,將射頻信號與直流偏置和直流電源隔離;
諧振(Resonance):與電容一起構(gòu)成LC振蕩電路,作為VCO的振蕩源;
巴侖(Balun):即平衡不平衡轉(zhuǎn)換,與電容一起構(gòu)成LC巴侖,實現(xiàn)單端射頻信號與差分信號之間的轉(zhuǎn)換。
03 高頻電感的等效模型
電感器作為射頻扼流圈(Radio Frequency Chokes)將晶體管和直流電壓相連接。是專門設(shè)計的一種特殊電感器,它們通過為高頻提供高阻抗路徑來阻止高頻進入或離開系統(tǒng)中的一部分。
線圈除了具有與頻率有關(guān)的導(dǎo)線電阻,還具有電感,另外相鄰的導(dǎo)線間有了間隔恒定的移動電荷,所以存在寄生電容,其模型原理圖可以參考如下:
所以電感器的等效電路模型可以參考如下:
解析:
Rs代表串聯(lián)的電阻,Cd代表寄生電容。
04 高頻電感的頻率響應(yīng)
在高頻時(比如1GHz時),射頻扼流圈的特性偏離了理想電感的預(yù)期特性。當工作頻率接近諧振點時,射頻扼流圈的阻抗迅速提高。由于Rs的阻值不為0,總阻抗的最大值是有限的。當工作頻率繼續(xù)提高時,寄生電容Cd的影響成為主導(dǎo),同時線圈的阻抗開始下降。
解析:
從該圖可以看出,整個諧振曲線分為兩個部分。他們以fr為分界點。
1、當f小于fr時,電感線圈的電抗(X=WL)隨頻率的升高而增加;
2、當f大于fr時,電感線圈的電抗隨頻率的升高而減小。
3、當f=fr時,電感線圈發(fā)生諧振(電感線圈的感抗被寄生電容的容抗所抵消),理論上來說,此時電感的感抗為無窮大,由于Rs的阻值不為0,總阻抗的最大值是有限的。
電感線圈的品質(zhì)因素Q=XL/Rs=WL/Rs,對于一個理想電感,其中Rs=0,則電感的品質(zhì)因素Q為無窮大,在低頻段,由于Rs比較小,則Q很大,但是隨著頻率的上升,由于趨膚效應(yīng)和線圈寄生電容Cd的影響,電感線圈的品質(zhì)因素逐漸下降。
從上圖可以看出,隨著頻率的升高,Q會逐漸增加到Q0,此時工作頻率=f0,當f0<>
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原文標題:高頻電感的等效特性
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