寬頻錐形電感的特點

寬頻電感器是射頻（RF）和微波電路設計中的一個組成部分，通常用作阻抗匹配元件或偏置阻滯。有各種各樣的電感器被設計來滿足當今的各種應用。在給定的應用場景中使用電感器需要了解它的能力和局限性。電感器的帶寬主要限制是它的自共振頻率或第一平行共振頻率（PRF）。

電感器的典型結構包括形成平面狀或螺旋狀的金屬線圈，如圖1所示。

圖1.各種類電感器

電感器內線圈的緊密接近允許互磁耦合增加線圈的總凈電感。基于Si或GaAs微波單片集成電路（MMIC）的電感器的值通常低于47nH，si-MMIC被大量應用于 4GHz 以下頻段的微波小功率， PRF一般低于10GHz。而硅基 SiGe 射頻 CMOS 和 BiCMOS 工藝技術在21 世紀進展很快，該類器件的工作頻率可達到60GHz 以上，但其輸出功率很小，僅在 100mW以內，這限制了其應用。 MMIC電感器非常適合RF和微波調諧元件以及低功率微波偏置扼流圈，因為其尺寸緊湊且制造重復性好。然而，為了創建良好的寬帶RF扼流圈，表面貼裝（SMT）電感器（圖2）由于其封裝結構增加了穩定性，安裝方便，從而在生產中得到了大規模應用。

圖2. 表面貼裝（SMT）電感器

對于SMT型電感器，一種大大增加線圈磁耦合的常見方法是在線圈中心包括或嵌入鐵氧體材料。但是，存在與高電感值相關的性能必須和帶寬權衡。因為高頻會在邊緣場會產生相關的寄生電抗。即使在較低的頻率下，理想的電感器也無法實現沒有寄生電抗，電感器的典型集總元件等效電路如圖3所示。

圖3. 電感器的典型集總元件等效電路

電感器的有用帶寬由其初級電感和相關的并聯和并聯寄生電容決定。圖3中，第一個限制是繞組電感兩端存在的凈反饋電容C_f。第二個限制是由于與電感器繞組和連接焊盤相關的對地的分流電容C₁和C₂。跨接電感器的凈并聯繞組電容C_f將與初級電感L₁諧振并確定第一并聯諧振頻率。在高于PRF的工作頻率下，電感器的主要電抗是電容性的，它不能再用作調諧電感器或扼流圈。在比PRF更高的頻率下，電感器可以具有其他諧振模式（圖3中的簡單模型沒有表示這些模式）。

標準的SMT電感器具有廣泛的電感值、電流處理能力、Q（耗散損耗）和容易量化安裝等特點。使用SMT電感器所需的主要權衡之一是電感量和可用帶寬的選擇。例如，工作頻率為10 MHz至2 GHz的寬帶功率放大器需要具有高值電感（6–10μH）的RF扼流圈，該扼流圈在所需帶寬內無諧振。然而，對于典型的電感器，由于螺旋結構，50 nH–10μH范圍內的高電感值也具有非常低的PRF，這限制了它們作為扼流圈的可用帶寬。為了執行從10MHz到2GHz的RF扼流，必須使用不同類型的電感器。而本文介紹的寬帶錐形電感器既可以為射頻至毫米波扼流提供高電感值，也可以同時提供大的無諧振帶寬。諧振帶寬為10 MHz至40 GHz，電感量的范圍為0.5至8μH，電流處理能力高達1 A。飛線和和錐形SMT電感器的如圖4所示。甚至通過參數設計，可以達到近70GHz。這對于射頻微波電路是非常高性能的電感器，可用于非常寬帶的超高頻到毫米波或偏置饋電應用。

圖4. 飛線錐形電感器和SMT錐形電感器

在微波和毫米波頻率下使用圓錐形電感器需要更為細致的組裝。因為錐形電感器的高阻抗、高頻端部是在錐形線圈直徑最小的端。為了不引入任何與包裝相關的寄生物，從而在電感器性能中產生諧振，SMT封裝的電感器的附加墊片必須具有非常低的分流電容，并且電感器引線必須小心地連接到墊片上。電感器還必須充分放置在其支撐基板之上，以便不產生可以降低PRF的額外的繞組反饋或分流電容。