挑選關鍵 RF 電路應用的電感

在雷達、磁振造影 (MRI)、通訊系統及醫療電子等應用中，無線射頻 (RF) 與微波電路需要具備精確、穩定且低損耗的特定應用被動元件。這些要求對電感來說尤其重要，必須具有穩定的電感值，且隨著溫度和頻率變化的程度要盡可能最小。還必須將損耗最小化並避免應用頻寬內的自諧振頻率 (SRF)，藉此維持訊號完整性。

本文將回顧 RF 應用的電感要求與特性。接著會介紹來自 Knowles 的高 Q 值陶瓷芯電感；設計人員可在最嚴苛的 RF 應用中使用此產品滿足需求。

RF 電路中的電感

電感屬於被動的反應式元件，會在磁場中儲存能量以抵抗電流的變化。由線圈組成，在結構上相對簡單，但線圈會產生多個寄生元素。電感的等效電路包含引線電感與電容、線圈電阻，以及匝間電容 (圖 1)。

圖 1：電感的等效電路包含電感、電容和電阻等寄生元素。(圖片來源：Art Pini)

電感在 RF 電路中有眾多作用，從當作簡單的扼流圈，以隔離 AC 和 DC 訊號元件，到諧振電路和濾波器中用的精細調諧元件。因為以 RF 和微波頻率運作，必須要將反射和駐波降至最低，此時就需採用具有低寄生電容和電感的元件設計。在這類應用中，還必須考慮與頻率相關的效應，例如集膚效應和輻射。RF 電感可處理無法容忍損耗的小訊號，因此需具備高品質因數 (Q) 及低等效串聯電阻 (ESR)。有鑑於此，電感的規格不僅包括電感值、公差和功率額定值，還包括幾項 RF 專用的要求，主要是 Q 值、SRF 和 ESR。

電感的 Q 值為何？

Q 值是一項效能指數，可用來表示指定電感接近理想狀態的程度。理想電感的阻抗將完全由感性電抗組成。電感中的電流將與施加的電壓反相九十度。實際的電感具有寄生元素，包括漏電感、電容和電阻 (圖 1)。電阻是由導線的串聯電阻、集膚效應、磁芯損耗及輻射損耗所引起。直流電阻 (DCR) 是主要的電阻來源。

Q 值是無因次的效能指數，等於電感的感性電抗與其電阻值的比，公式為 Q = X_L/R = (2pfL)/R

說明：

Q 是品質因數

X_L 是感性電抗，單位為 Ω

f 是頻率，單位為 Hz

L 是電感值，單位為 H

R 是 ESR (Ω)

Q 值可視為電感中相對於儲存能量的能量損耗測量值。Q 值越高，能量損耗越低，電感的效能越理想。Q 值會因感性電抗和電阻性集膚效應而隨頻率變化 (圖 2)。

圖 2：電感 Q 值隨頻率變化的曲線圖，可顯示出與頻率的關係。(圖片來源：Knowles)

為了達到低損耗，應將 Q 值最大化並將串聯電阻降至最低。

RF 電感的 SRF 是什麼？

RF 電感的 SRF 是指電感與並聯寄生電容共同形成並聯諧振迴路的頻率。在 SRF 下，電感的阻抗會變非常高，就像開路一樣。電感器的電感特性僅在 SRF 之前較明顯 (圖 3)。

圖 3：此圖顯示出電感值隨頻率變化，在 SRF 之前保持平坦。(圖片來源：Knowles)

電感的 SRF 與其電感值成反比。較高的電感值需要增加匝數，而寄生繞組電容值也會等比增加，導致 SRF 降低。

電感的 ESR 定義

電感的 ESR 包含兩個部分：DCR 及頻率相關電阻。頻率相關電阻是由集膚效應引起，在高頻率時，導線中的電流不會均勻分佈在導線的整個橫切面，而是傾向集中於外表面。DCR 部分相對容易測量，通常會在電感的規格中列出。集膚效應與頻率相關，通常會在 Q 值曲線中呈現，如圖 2 所示。

關鍵 RF 電路用的高 Q 值陶瓷芯電感

為了符合雷達、MRI、通訊系統及醫療電子等關鍵 RF 電路的要求，Knowles 開發了 CL1008 系列表面黏著高 Q 值陶瓷繞線式電感。這些高可靠度的電感能在寬廣的頻率範圍內運作，兼具高 Q 值並降低訊號損耗，因此能提供高訊號完整性。

這些電感含有一個非磁性陶瓷芯，可當作銅線圈的底座 (圖 4 上)。採用超緊湊設計，尺寸為 0.115" × 0.110" × 0.08" (2.80 mm × 2.60 mm × 2.30 mm) (圖 4 下)。

圖 4：CL1008 系列高 Q 值 RF 電感採用非磁性陶瓷芯 (上)，尺寸為 0.115" × 0.110" × 0.08" (下)。(圖片來源：Knowles)

陶瓷芯可提供繞組支撐，且不會引起功率損耗。因此能讓裝置結構相容於表面黏著製程，反之空心電感較難採用此製程。

線圈連接到燒結銀的底部端子，並具有鍍錫銅隔離層。電感的頂端表面平滑，因此可相容於拾放操作。

如同任何此類電感，電感值與線圈的匝數成正比。此系列電感的電感值範圍介於 12 nH 至 10 mH，額定電流在 +85°C 時為 140 mA 至 1000 mA，於 +125°C 時為 70 mA 至 1000 mA。工作溫度範圍為 -55°C 至 +125°C，且符合 RoHS 標準且無鹵素。

雖然有多種製造技術可用於製作陶瓷電感，包括繞線式、薄膜式和積層式實作，但繞線式陶瓷芯電感還是有一些優勢。首先，電感的繞組並未受限於封閉式封裝內。如此便可增加匝數，讓將可達到的電感值範圍擴大。此外，導線截面並不受薄膜及積層材料的印刷工藝限制，因此可以使用較粗的導線，便可提升電流承載能力並降低電阻。降低的電阻可帶來更高的 Q 值。

陶瓷芯電感的 RF 應用

RF 電感的典型用途是振盪器，例如圖 5 所示的 Colpitts 振盪器。

圖 5：此 Colpitts 振盪器使用兩個 RF 電感；一個當作微調元件 (L1)，另一個當作扼流圈 (L2)。(圖片來源：Art Pini)

所有振盪器皆採用正回饋來達到振盪。在此 Colpitts 振盪器範例中，從集極到 Q1 基極的回饋是透過 C1、C2 和 L1 組成的諧振電路中的 C3 進行。這可形成一個 π 網路，其共振頻率由 L1 以及 C1 和 C2 的串聯組合所決定。L1 應具有高 Q 值，以將損耗降至最低並增進頻率穩定度。

電感 L2 是 RF 扼流圈。可讓 DC 通過，但可避免輸出訊號回流至電源。L2 需要具有低 DCR，以限制電壓損耗，且電流額定值須足以驅動振盪器。電感 SRF 要當作扼流圈使用，就應遠高於輸出訊號頻率，以確保在相關頻段中展現電感特性。

電感電容 (LC) 濾波器是電感在 RF 應用中的另一個常見用途。濾波器通常會在 RF 級之間串聯使用，以調整傳輸訊號的通帶並限制頻外 (OOB) 能量，包括諧波與電磁干擾 (EMI)。在 RF 頻率下，濾波器可以使用 LC 設計輕鬆實作，因為需要的電感值和電容值相對較小，因此能達到緊湊尺寸。濾波器依據其頻率限制特性分為低通、高通、帶通 (圖 6) 或帶止。

圖 6：五階巴特沃斯 LC 帶通濾波器使用五個電感 (L1 至 L5)。(圖片來源：Art Pini)

此濾波器採用五階巴特沃斯配置，因此使用五個 LC 區段來達到帶通頻率響應。影響電感器挑選的因素包括元件的電感值與容差、SRF、Q 值以及 DCR。

電感使用的 SRF 必須至少比濾波器的頻率範圍高出十倍，以確保電感的行為可預測。Q 值應盡可能高，以確保濾波器的準確性。為了將功率損耗與內部發熱降至最低，會希望達到低 DCR。

電感的電感值與容差會影響濾波器的頻率響應，包括角頻率的位置，皆會在濾波器設計過程中選定。

高 Q 值陶瓷芯電感的範例

Knowles 的 CL1008 系列高 Q 值陶瓷芯電感專為在廣泛的 RF 與微波頻率範圍內達到最佳化訊號完整性與效率而設計。以 CL1008-2124JQL1T-1 為例，就是一款 120 nH ±5% 的陶瓷芯電感，在 350 MHz 時的 Q 值為 60，SRF 為 900 MHz。其 DCR 為 0.63 Ω，額定電流在 125°C 時為 300 mA，85°C 時為 600 mA。

若要較低電感值且相容於較高頻率，CL1008-2123JQL1T-1 就是範例之一；這款 12 nH ±5% 的電感，在 500 MHz 時的 Q 值為 50，SRF 為 3,300 MHz。較低的電感值需要較少的匝數，且具有較低的電阻值，本例為 0.09 Ω，因此可讓最大電流額定值達到 +125°C 時 1,000 mA。

檢查 CL1008-2823JQL1T-1 並將其規格與其他電感比較後，可以清楚看出電感量、SRF、Q 值及 DCR 之間的明顯關係。CL1008-2823JQL1T-1 是一款 82 nH ±5% 的電感，在 350 MHz 時的 Q值 為 60，SRF 為 1200 MHz。其 DCR 為 0.22 Ω，最大電流在 125°C 時為 370 mA，85°C 時為 730 mA。

最後，CL1008-2474JQL1T-1 是一款 470 nH ±5% 的陶瓷芯電感，在 100 MHz 時 Q 值為 45，SRF 為 450 MHz。其 DCR 為 1.17 Ω，最大電流額定值為 125°C 時 240 mA 及 85°C 時 470 mA。

回去參考圖 2，會更容易比較不同電感值間的 Q 值關係。請注意，隨著電感值增加，峰值 Q 值會下降。

結論

Knowles 的高 Q 值陶瓷芯電感能為 RF 電路設計人員提供穩定的電感值、高 Q 值及低 ESR，適用於需要優異訊號完整性、極低功率損耗及絕佳可靠性的關鍵 RF 應用。