Исследование основных параметров высокочастотных катушек индуктивности

где ΔL – изменение значение индуктивности в диапазоне температур ΔТ.

     Увеличение  индуктивности катушки при росте  температуры определяется следующими явлениями:

     – увеличивается длина и диаметр  каркаса, что приводит к изменению  шага обмотки и диаметра витков;

     – увеличивается длина и диаметр  провода обмотки, что приводит к тем же последствиям;

     – увеличивается сопротивление провода  обмотки, что может снижать добротность катушки;

     – увеличиваются потери  в материалах каркаса и  изменяется его диэлектрическая проницаемость, что может изменять собственную емкость катушки.

     Все перечисленные явления приводят к изменениям индуктивности, добротности и собственной емкости катушек, что в большинстве случаев крайне нежелательно. Устранить или скомпенсировать действие этих дестабилизирующих факторов не представляется возможным, однако при рациональном выборе конструкции их действие можно свести к минимуму [2]. Зависимость Q от температуры определяется температурным коэффициентом добротности ТКД.

     

                  .                    (16)

     Практически величина добротности лежит в  пределах от 10 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями. С учетом потерь и собственной емкости катушку индуктивности можно представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рис. 3. Сопротивление r_п характеризует общие потери энергии в катушке индуктивности, вызванные различными факторами, а С₀ собственную емкость катушки.

1.2. Катушки индуктивности  современной РЭА

     Современная РЭА характеризуется повсеместной миниатюризацией и уменьшением ее массогабаритных характеристик. Широкое применение больших интегральных микросхем (БИС) позволило резко снизить размеры и массу большинства образцов РЭА. Применение поверхностного монтажа элементов и миниатюризация пассивных компонентов электронных устройств потребовало уменьшения размеров катушек индуктивности, соизмеримых по габаритным характеристикам с размерами основных элементов для поверхностного монтажа.

     Обычно  катушки индуктивности для поверхностного монтажа имеют три конструктивных разновидности. Многослойные, толстопленочные и намотанные. На рис. 4 показан внешний вид малогабаритных ЧИП катушек.

     

     

     Типичные  варианты конструкций катушек индуктивности, например, компании MuRata показаны на рис. 5. Конструктивно катушки выполнены в четырех вариантах, схематично изображенных на рисунке 5.

     Катушки, представленные на рис. 5а содержат в конструкции сердечник из окиси алюминия с вертикальным расположением проволочной обмотки. Катушки такой конструкции являются высокочастотными и предназначены для работы на частотах до 6 ГГц. Эти конструкции отличаются высокой добротностью и большими токами.

     Катушки, представленные на рис. 5б представляют собой многослойную конструкцию, где в качестве каркаса используют специальное стекло. Обмотка катушки в таком варианте выполнена пленочным проводником, нанесенным несколькими слоями внутри каркаса. Это позволяет получить катушку индуктивности для высокочастотного диапазона с малыми размерами корпуса и достаточно большими токами.

     Катушки, представленные на рис. 5в изготовлены на стеклянной основе однослойным пленочным проводником. Эти катушки обладают малыми отклонениями от номинала и имеют рекордно малые размеры (0,6х0,3х0,3 мм). Они предназначены для применения в сложной малогабаритной переносной РЭА, например, такой как мобильные телефоны.

     Катушки, представленные на рис. 5г отличаются от других горизонтальной проволочной обмоткой. При этом каркас катушки выполнен из окиси алюминия, а корпус сверху покрыт полимерным материалом, который защищает и фиксирует обмотку. Эти катушки допускают работу в диапазоне температур -50 - +120 ⁰С. Верхняя рабочая частота ограничена собственным резонансом катушки и для некоторых катушек составляет 11 – 18ГГц.

     Некоторые производители малогабаритных катушек  используют в качестве каркаса высококачественную ферритовую керамику. В настоящее время различные производители выпускают широкую номенклатуру катушек индуктивности для поверхностного монтажа. Так, например, в таблице 2 представлены основные характеристики и внешний вид некоторых образцов катушек индуктивности компании SUMIDA

                                                                       Таблица  2

       
 

     В таблице 3 представлены основные параметры некоторых катушек индуктивности для поверхностного монтажа компании Yageo (ЧСР – частота собственного резонанса катушки).

                                                                       Таблица 3

       

     В таблице 4 представлены основные параметры некоторых СВЧ катушек индуктивности компании MuRata, выполненные по конструктивному варианту, показанному на рис. 5, а. 

                                                                       Таблица 4

 

1.3. Метод измерения  параметров катушек  индуктивности

     В лабораторной работе измерение основных параметров катушек индуктивности производится одним из хорошо известных резонансным методом с применением прибора измерителя добротности или Q-метра. Как следует из его названия, он может применяться для измерения добротности и обычно применяется при измерении добротности катушек индуктивности. Упрощенная схема Q-метра показана на рис. 6.

     В приборе используется явление резонанса  в последовательном колебательном контуре. Этот контур сформирован исследуемой катушкой индуктивности L и образцовым (обычно воздушным) переменным конденсатором С1. На контур подается напряжение с высокочастотного генератора G, частоту f которого можно изменять в широких пределах. На определенной частоте f₀ сигнала генератора G, изменяя емкость конденсатора C1, контур настраивается в резонанс, который фиксируется по максимальному значению напряжения на вольтметре V2. Сопротивление R характеризует общие потери во всех элементах колебательного контура. В момент резонанса добротность контура Q определяется как отношение показаний вольтметров V2 и V1, т.е. Q = V2/V1. Если поддерживать напряжение генератора G на известном уровне, (например 1В) то шкалу вольтметра V2 можно проградуировать прямо в значениях добротности Q. Предполагая, что конденсатор С1 практически не имеет потерь, то добротность в контуре при резонансе будет определять параметр Q катушки индуктивности.

     Рассмотрим  основные соотношения в системе  катушка индуктивности со своей эквивалентной схемой (рис. 3) и последовательно включенным образцовым конденсатором С1. В этой системе возможны два вида резонанса - последовательный на частоте Fпос, определяемой соотношением

                                                                                (17)

и параллельный на частоте Fпар, определяемой соотношением

                                               .                                                (18)

     Параллельный  резонанс – это собственный резонанс катушки индуктивности, обусловленный собственной емкостью С₀ . На частоте собственного резонанса добротность катушки индуктивности максимальна. После частоты собственного резонанса добротность катушки индуктивности резко падает, поэтому катушки индуктивности практически не используют на частотах выше частоты собственного резонанса.