高频下无源器件的基本特性

Posted 2022-04-13 卓晴

简 介： 根据提问，就电子器件的高频特性进行总结。对于工作在高频下的电路不仅需要考虑器件本身特性的变化，还需要对器件周围环境可能存在的耦合影响进行综合考虑。

关键词： 高频，电感

 

§01 器件高频特性

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1.1 问题来源

  今天（2022-04-09）看到有同学在博文 多股Litz线制作无线耦合线圈测试 后面提问：

老师，我想询问下， 100kHz下，您绕制的线圈电感还是29uH吗？

▲ 图1.1 提问：线圈在100kHz下是否还是29uH

  的确，我在博文实验中使用的是 LCR-Reader：SmartTweezer 测量线圈的参数。 SmartTweezer最高测量频率为10kHz，与智能车竞赛中所使用的无线充电频率（150kHz）还相差一个数量级别。

  理想电感器件的电感量与工作频率无关。但实际电感器件在低频下的参数（等效串联电感、电阻以及寄生并联电容）与高频下的对应参数会发生改变。

▲ 图1.2 使用SmartTweezer测量线圈参数

1.2 器件高频特性

  在2006年“High Frequency Electronics”的一篇文章中： Fundamentals of Passive Compoment Behavior at High Frequencies 对于高频线无源器件特性变化进行了综述。

  文中提到， 在射频（RF），微波、高速以及任何高频电路设计中，需要关注到无源器件的高频特性。电子工程师中的一句老话：“在高频下，所有的器件都是电阻、电感和电容的组合”。 当频率更高时，所有的器件都是传输线和天线。

1.2.1 集中参数器件特性

  在低频下，普通的电阻的阻抗是个恒定值，电感和电容所对应的电抗（感抗、容抗）则与工作频率有关系。

▲ 图1.2.1 电容和电感对应的电抗与频率的关系

1.2.2 一阶寄生效应

  当然我们所使用的实际电子器件并不是简单按照数学公式工作的，它们各自有自己的尺寸、形状，是由一些非理想材料制作而成。 器件的一阶寄生效应是指器件所工作的电信号频率的波长远大于器件尺寸时， 实际器件中额外产生的寄生电阻、电感和电容等。

▲ 图1.2.2 高频下器件特性发生了变化

  在实际上的电阻、电感、电容器件中，器件的长、宽、高，导体和绝缘体的特性以及用于固定在电路板上的电极引线等都是器件的组成部分。它们可以产生额外的寄生效应。

• 电阻 ： 由于其长度可以产生寄生电感； 两个电极之间会产生寄生电容。
• 电容 ： 由于其具有长度所以产生寄生电感； 两个电极之间的电介质的漏电会产生损耗电阻； 它的两个电机引线之间的寄生电容可以合并到电容本身主参数中。
• 电感 ： 在电感的绕组之间存在的电容以及两个电极之间之间也会存在寄生电容； 引线的损耗电阻会随着工作频率的增加而显著增加。

  除了器件本身的寄生效应之外，当器件焊接在电路板上之后，器件与电路板引线之间、器件与器件之间也会存在着不同的寄生参数。

1.2.3 寄生参数的影响

  对于电阻，主要的寄生参数是串联电感。低频下寄生感抗影响并不明显，寄生感抗会随着工作频率的增加而变大。 与其费尽心思采用其他器件对感抗进行补偿，不知使用一些寄生感抗小的电阻，比如“无感”电阻就是用了整块或者厚膜电阻材料制成，这比起薄膜电阻对应的寄生电感要小得多。

  电容的寄生参数包括介电损耗和串联电感。 寄生电阻影响电容的品质因数Q，这是容抗与电阻之间的比值。寄生电感则会在高频线引起谐振。下面图显示了一个100pf的实际电容随着频率改变对应的参数变化。

▲ 图1.2.3 电容频率特性：（a）容抗；（b）Q；（c）等效串联电阻（ESR）

  根据上面电容谐振点的数值，可以看到这款电容具有0.66nH的寄生电感，同时也告诉我们这个电容所能够工作的最大频率范围。

  对于电感情况略微复杂一些，它具有绕线间的寄生电容以及电极之间的寄生电容。绕线中的电阻也比电容介电损耗大，所以电感的Q值往往比较低。

  下图显示了电感的感抗随着工作频率升高而变大，最终由寄生电容所产生的谐振点处达到最大。 之后对应的电抗急剧下降。

▲ 图1.2.4 电感寄生参数的影响

1.3 环境对器件影响

  在公众号后台有同学问道：

桌大您好，我想问一下无线充电组用金属支架支撑板子，对于安装在车模底部的无线充电线圈影响大吗？

  这是一个好问题。在高频下， 电路设计中还需要考虑器件与周围环境之间的耦合。 据去年参赛队伍反馈， 无论是电路板，还是金属支架都会影响接收线圈的谐振工作点。 所以，需要在安装后重现调整电路相应参数来保证最大接收功率。 通常情况下调整收线圈的尺寸来保证接收电路的最大功率。

▲ 图1.3.1 疯狂的DC电机

 

※ 总  结 ※

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  根据提问，就电子器件的高频特性进行总结。对于工作在高频下的电路不仅需要考虑器件本身特性的变化，还需要对器件周围环境可能存在的耦合影响进行综合考虑。

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■ 相关文献链接:

• 多股Litz线制作无线耦合线圈测试
• LCR-Reader：SmartTweezer
• Fundamentals of Passive Compoment Behavior at High Frequencies

● 相关图表链接:

• 图1.1 提问：线圈在100kHz下是否还是29uH
• 图1.2 使用SmartTweezer测量线圈参数
• 图1.2.1 电容和电感对应的电抗与频率的关系
• 图1.2.2 高频下器件特性发生了变化
• 图1.2.3 电容频率特性：（a）容抗；（b）Q；（c）等效串联电阻（ESR）
• 图1.2.4 电感寄生参数的影响
• 图1.3.1 疯狂的DC电机