为关键射频电路应用选配电感器

雷达、磁共振成像 (MRI)、通信系统和医疗电子设备等应用中的射频 (RF) 和微波电路需要精确、稳定和低损耗的应用特定型无源元件。这些要求对电感器尤为适用，因为电感器必须具有稳定的电感值，且受温度和频率的影响要最小。它们还必须最大限度地减少损耗，避免在应用带宽内出现自谐振频率 (SRF)，从而保持信号完整性。

本文回顾了射频应用中电感器的要求和特性。然后介绍了 Knowles 的高 Q 值陶瓷芯电感器，设计人员可利用这些电感器来满足最苛刻的射频应用需求。

射频电路中的电感器

电感器是一种无源电抗元件，通过在磁场中储存能量来抵消电流的变化。它们由一个线圈组成，结构相对简单，但线圈会产生几个寄生元件。电感器的等效电路包含引线电感和电容、线圈电阻以及匝间电容。（图 1）。

图 1：电感器的等效电路包括电感、电容和电阻等寄生元件。（图片来源：Art Pini）

电感器在射频电路中的作用多种多样，从用于隔离交流和直流信号元件的简单扼流圈，到用于储能电路和滤波器的微调器件，不一而足。它们在射频和微波频率下工作，要尽量减少反射和驻波，设计时就必须采用寄生电容和电感较小的元件。在此类应用中，还必须考虑频率相关效应，如趋肤效应和辐射。射频电感器在处理小信号时不能容忍损耗，需要高品质因数 (Q) 和低等效串联电阻 (ESR)。因此，电感器规格不仅包括电感、容差和额定功率，还包括一些射频特定要求，主要是 Q 值、SRF 和 ESR。

什么是电感器的 Q 值？

Q 值是一个性能指标，表示特定电感器与理想电感器的接近程度。理想电感器的阻抗完全由感抗构成。通过电感器的电流将与外加电压的相位相差九十度。实际电感器具有寄生元件，包括漏感、电容和电阻（再次参见图 1）。电阻是由导线的串联电阻、趋肤效应、磁芯损耗和辐射损耗造成的。直流电阻 (DCR) 是电阻的主要来源。

Q 是一个无量纲系数，等于电感器的感抗与电阻之比，公式为 Q = X_L/R = (2pfL)/R

其中：

Q 是质量系数

X_L 是感抗，单位为欧姆 (Ω)

f 是频率，单位为赫兹 (Hz)

L 是电感，单位为亨利 (H)

R 是 ESR (Ω)

Q 可以看作是电感器中能量损耗相对于存储能量的测量值。Q 值越高，能量损耗就越低，电感器的性能就越理想。由于电感电抗和电阻趋肤效应，Q 值与频率有关（图 2）。

图 2：电感器 Q 值与频率的函数关系图显示了频率依赖性。（图片来源：Knowles）

为了降低损耗，应尽量增大 Q 值，减小串联电阻。

什么是射频电感器的 SRF？

射频电感器的 SRF 是电感器与并联寄生电容形成并联谐振回路的频率。在 SRF 频率下，电感器的阻抗变得非常高，表现为开路。电感器看起来只有到达 SRF 频率时才有电感（图 3）。

图 3：从图中可以看出，电感与频率的函数关系在 SRF 频率之前是平的。（图片来源：Knowles）

电感器的 SRF 与电感成反比。较高的电感需要增加匝数，寄生绕组电容也会相应增加，从而导致 SRF 较低。

定义电感器 ESR

电感器的 ESR 由两部分组成：DCR 和频变电阻。频变电阻是由趋肤效应造成的，在高频情况下，通过导体的电流并不是均匀地分布在导体的整个横截面上，而是趋向于向外表面集中。DCR 分量比较容易测量，通常列在电感器的规格中。趋肤效应与频率有关，一般描述为图 2 所示 Q 值曲线的一部分。

用于关键射频电路的高 Q 值陶瓷芯电感器

为了满足雷达、MRI、通信系统和医疗电子设备中关键射频电路的要求，Knowles 开发出了 CL1008 系列表面贴装高 Q 值陶瓷绕线电感器。这些高度可靠的电感器可在宽频率范围内工作，通过高 Q 值和降低信号损耗的组合带来了高信号完整性。

这些电感器由一个非磁性陶瓷芯组成，作为铜线线圈的基座（图 4，上）。它们的结构也非常紧凑，尺寸为 0.115" × 0.110" × 0.08" (2.80 mm × 2.60 mm × 2.30 mm)（图 4，下）。

图 4：CL1008 系列高 Q 值射频电感器采用非磁性陶瓷芯（上图），尺寸为 0.115" × 0.110" × 0.08" （下图）。（图片来源：Knowles）

陶瓷芯为绕组提供支撑，不会产生功率损耗。这使得器件结构与表面贴装工艺兼容，而气芯电感器则很难做到这一点。

线圈连接到烧结银的底部终端，并带有镀锡的铜屏障。电感器的顶面具有光滑的表面，因此可以进行拾放操作。

与任何此类电感器一样，电感量与线圈的匝数成正比。该系列电感器的电感范围为 12 nH 至 10 mH，+85°C 时额定电流为 140 mA 至 1000 mA，在 +125°C 时为 70 mA 至 1000 mA。它们的工作温度范围为 -55°C 至 +125°C，符合 RoHS 规范，不含卤素。

虽然有多种制造技术可用于制造陶瓷电感器，包括绕线式、薄膜式和多层式，但绕线式陶瓷芯电感器具有一些优势。首先，电感器绕组并不局限于封闭的封装内。这样可以增加导线匝数，从而实现更大的电感范围。此外，导体横截面不受薄膜和多层材料印刷工艺的限制，因此可以使用较粗的导线，从而可以提高额定电流并降低电阻。电阻减小，Q 值就会提高。

陶瓷芯电感器的射频应用

射频电感器的典型用途是用于振荡器，如图 5 所示的柯比兹振荡器。

图 5：这款柯比兹振荡器使用两个射频电感器，一个作为调谐元件 (L1)，另一个作为扼流圈 (L2)。（图片来源：Art Pini）

所有振荡器都使用正反馈来实现振荡。在这个柯比兹振荡器示例中，从集电极到 Q1 基极的反馈是通过 C3 从由 C1、C2 和 L1 组成的调谐振荡电路进行的。它们构成了一个 π 型网络，其谐振频率由电感 L1 以及电容 C1 和 C2 的串联组合决定。L1 应具有较高的 Q 值，以尽量减少损耗并保持频率稳定。

电感器 L2 是一个射频扼流圈。它允许直流电通过，但阻止输出信号进入电源。L2 需要具有较低的 DCR，以限制电压损耗，并具有足以为振荡器供电的额定电流。用作扼流圈的电感器的 SRF 应远高于输出信号频率，以确保其在相关频段内具有电感特性。

电感电容 (LC) 滤波器是电感器的另一种常见射频应用。滤波器通常在射频级之间串联使用，以形成传输信号的通带并限制带外 (OOB) 能量，包括谐波和电磁干扰 (EMI)。在射频频率下，由于所需的电感和电容相对较小，因此使用 LC 设计可以轻松实现滤波器，且外形可以很紧凑。滤波器按其频率限制特性可分为低通、高通、带通（图 6）或带阻类型。

图 6：五阶巴特沃斯 LC 带通滤波器使用了五个电感器（L1 至 L5）。（图片来源：Art Pini）

该滤波器采用五阶巴特沃斯配置，因此使用五个 LC 部分来实现带通频率响应。影响电感器选择的因素包括元件的电感和容差、SRF、Q 值和 DCR。

所用电感器的 SRF 必须至少比滤波器的频带高十倍，以确保电感器具有可预测的性能。Q 值应尽可能高，以确保滤波器的精度。为了最大限度地减少功率损耗和内部发热，需要较低的 DCR。

电感器的电感值和公差会影响滤波器的频率响应，包括角频率位置，因此要在滤波器设计过程中进行选择。

高 Q 值陶瓷芯电感器实例

Knowles 的 CL1008 系列高 Q 陶瓷芯电感器旨在优化射频和微波频率范围内的信号完整性和效率。例如，CL1008-2124JQL1T-1 是 120 nH ±5% 陶瓷芯电感器，在 350 兆赫 (MHz) 频率下 Q 值为 60，SRF 为 900 MHz。其 DCR 为 0.63 Ω，额定电流在 125°C 时为 300 mA，85°C 时为 600 mA。

与更高频率兼容的低电感器件有 CL1008-2123JQL1T-1，这是一个 12 nH ±5% 的电感器，在 500 MHz 时 Q 值为 50，SRF 为 3,300 MHz。电感值越低，所需的匝数越少，电阻也越小，在本例中具体为 0.09 Ω，因此在 +125°C 时最大额定电流可以实现 1000 mA。

检查 CL1008-2823JQL1T-1，并将其规格与其他电感器的规格进行比较，可以明显看出电感、SRF、Q 值和 DCR 之间存在明显的关系。CL1008-2823JQL1T-1 是一款 82 nH ±5% 电感器，在 350 MHz 时 Q 值为 60，SRF 为 1200 MHz。其 DCR 为 0.22 Ω，125°C 时最大电流为 370 mA，85°C 时最大电流为 730 mA。

最后是 CL1008-2474JQL1T-1，这是一款 470 nH ±5% 陶瓷芯电感器，100 MHz 时 Q 值为 45，SRF 为 450 MHz。其 DCR 为 1.17 Ω，125°C 时最大额定电流为 240 mA，85°C 时为 470 mA。

比较不同电感之间的 Q 值关系，可以参照图 2。请注意，峰值 Q 值会随着电感的增加而减小。

结语

Knowles 高 Q 值陶瓷芯电感器为射频电路设计人员带来了稳定的电感值、高 Q 值和低 ESR，适合用于要求出色信号完整性、最小功率损耗和卓越可靠性的关键射频应用。