Катушки индуктивности высокой частоты

Катушки индуктивности высокой частоты выполняются в виде обмоток и предназначены для концентрации ВЧ электромагнитного поля.

По назначению различают контурные катушки индуктивности, катушки связи, вариометры и дроссели высокой частоты.

По конструктивному исполнению катушки быывают бескаркасные и с каркасом, с сердечником или без него, экранированные и неэкранированные, однослойные и многослойные, цилиндрические, плоские и тороидальные, а в зависимости от технологии изготовления – вожжённые, намотанные, печатные и тонкопленочные.

Катушки индуктивности высокой частоты являются нестандартными изделиями, поэтому в каждом конкретном случае применения их конструкцию рассчитывают по заданным электрическим параметрам, основными из которых являются номинальная индуктивность и допуск на нее, добротность, температурная стабильность и собственная емкость.

Номинальная индуктивность катушки зависит от диапазона волн, в ко-тором её применяют. Так, для диапазона УКВ она составляет десятые – сотые доли микрогенри. Индуктивность дросселей, предназначенных для умень-шения ВЧ-тока в какой либо цепи, составляет десятки миллигенри.

Индуктивность (мкГн) катушки рассчитывают по формуле:

L=L₀ DN ² ·10 ^-3, где L₀ – безразмерный коэффициент, зависящий от соотноше-ния l/D,т.е. от формы катушки; D - диаметр каркаса, см; N- число витков; l - длина намотки, см. Зависимость коэффициента L₀ от соотношения l/D для однослойных катушек показана на рисунке 9,1,а. На рисунке 9.1,б

а) б)

Рисунок 9.1

представлены аналогичные зависимости для многослойных катушек при вариации соотношения t /D, где t – глубина, см, намотки; а D₀ = D +2t – её наружный диаметр, см; (D – диаметр каркаса, см).

Допуск на индуктивность зависит от назначения катушки. Так, контур-ные катушки имеют допуск на индуктивность ± (0,2 ÷ 0,5)%, а катушки связи и ВЧ-дроссели ± (10 ÷ 15)%.

Контурные катушки должны иметь элемент подстройки для регули-рования индуктивности катушки в пределах ±15%. Таким элементом является вводимый в катушку подстроечный сердечник из магнитного и диа- магнитного иатериала различной формы.

Индуктивность катушки с магнитным сердечником увеличивается в μ_с раз: L_с = μ_с L, где L – индуктивность катушки без сердечника, Гн; μ_с = (0,25÷ 0,5) – действующая магнитная проницаемость сердечника, зависящая от магнитных свойств его материала и формы. Коэффициент 0,25 характерен для цилиндрических сердечников, а 0,5 – для броневых.

Применение сердечников из магнитных материалов (карбонильное же-лезо, альсифер, магнетит, ферриты) позволяет уменьшить число витков кату-шки. В катушках на частоты выше 20 МГц магнитные сердечники не целесо- образны, т.к. с ростом чатсоты μ уменьшается. Поэтому для подстройки таких катушек применяют латунные или алюминиевые сердечники, позволя-ющие регулировать их параметры в пределах ± 5%. Индуктивность катушек зависит от геометрии и материала экрана.

Экраны, устраняющие паразитные связи между каскадами, выполняются в виде металлических колпаков круглой или прямоугольной формы, надеваемых на катушки. Сущность экранирования заключается в следующем: магнитное поле катушки наводит в поверхностном слое экрана вихревые токи, которые создают поле обратного направления. Если толщина экрана больше поверхностного слоя проникновения вихревых токов (глубины проникновения), взаимодействие поля катушки с полями других источников и приемников наводимых связей исключается. Для устранения возможных емкостных связей экран тщательно заземляют. Толщина экрана обычно составляет 0,5 – 1 мм.

Добротность катушек при заданных индуктивности и рабочей частоте определяется суммарным сопротивлением потерь в них, которые склады-ваются из сопротивления провода обмотки току ВЧ; сопротивлением элек-трических потерь в каркасе и изоляции провода обмотки; сопротивлением потерь, вносимых экраном и сердечником. Добротнотсь применяемых в радиоаппаратуре катушек индуктивности от 30 до 300.

Температурная стабильность катушек определяется изменением их индуктивности L и добротности Q под действием температуры. В зависимо-сти от температуры изменяются длина и диаметр каркаса катушки. Темпера-турная стабильность катушек количественно оценивается температурным коэффициентом индуктивности ТКИ и коэффициентом температурной неста-бильности индуктивности КТНИ. Их значения вычисляются по формулам: ТКИ = Δ L/(L₀ Δ L_t); КТНИ = 100% (L¹₀ – L₀ )/ L₀, где L₀ – индуктивность при 20°С, Гн; – изменение индуктивности при изменении температуры Δt, Гн;

L¹₀ – индуктивность при 20°С, получаемая после проведения нескольких циклов изменения температуры в заданном рабочем диапазоне, Гн.

Однослойные катушки с керамическим либо полистироловым каркасом имеют ТКИ (50 ÷100) ·10^-6 1/°С, а многослойные катушки (100÷200) ·10^-6 1/°С.

Для увеличения температурной стабильности в общем случае следует выпол- нять каркас с малым КТР (керамика), обеспечивать плотное сцепление провода с каркасом (горячая намотка или вжигание серебраной дорожки в керамический каркас). При этом можно получить ТКИ = (5 ÷10) ·10^-6 1/°С.

Собственная емкость катушек складывается из емкости между витка-ми через диэлектрик каркаса или изоляцией провода и емкость между витка-ми через воздух. Собственная емкость катушек определяется также видом намотки и числом витков. Так, собственная емкость однослойных катушек с шагом намотки 0,5 – 1,5 пФ, однослойных сплошных 3 – 5 пФ, катушек с на-моткой типа «универсаль» 5 – 9 пФ, а многослойных рядовых 20 – 30 пФ.

Частотные свойства катушек индуктивности. На рисунке 9.2 показана модель сосредоточенного импеданса для реальных катушек индуктивности. Здесь L – номинальная индуктивность, R_P – сумма сопротивлений утечки и сердечника, R_S – сопротивление витков, C_P – паразитная емкость, обуслов-ленная внешними выводами катушки и её конструктивными особенностями. Cемейство кривых зависимости импеданса реальных катушек от частоты приведено на рисунке 9.3.

Рисунок 9.2 Рисунок 9.3

Обычно R_P очень велико, а R_S очень мало, в таком случае можно пользоваться выражениями для расчета импеданса, приняв значение критической частоты f_c =1/[2π(LC_Р) ^{1/ 2}].

/ Z / 2πfL при R_S /2πL ≤ f ≤ f_С /3,

/ Z / = [(L / R_S C_P) ² + L /C_P ] ^1/2 при f =f_С ,

/ Z / (2πf /С_Р) ^{- 1} при f ≥ 3 f_{С .}

Обычно у ВЧ-катушек R_S заключено в пределах 0,2 < R_S < 5 Ом, а паразитная емкость – в пределах 1,5 пФ < С_Р < 4 пФ.

Вариометр – это катушка, в которой предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки частоты контуров. Принцип действия вариометра основан на изменении коэффициента связи между двумя катушками при их вращении или посту-пательном движении. Первый случай характерен для передающих устройств СВЧ. В зависимости от совпадения или противоположного направления маг-нитных полей роторной и статорной катушек, соединенных последовательно, их общая индуктивность будет максимальна либо минимальна:

L_max = L₁+L₂ +2M;

L_min =L₁+L₂ - 2M ,

где L₁ и L₂ – индуктивности статора и ротора, Гн; М – взаимная индуктивность между ними, Гн.

Коэффициент перекрытия частоты вариометра в зависимости от ин- дуктивности k = L_max / L_min. Для подобных конструкций k = 4 ÷ 5.

Список литературы

1. Электротехнические и конструкционные материалы: Учеб. пособие под ред. В.А. Филикова – М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 280 с.

2. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение. Электро-изоляционные материалы: Учеб. пособие – М.: Маршрут, 2005. – 280 с.

3. Никулин Н.В., Назаров А.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты: Учеб. пособие – М.: Высшая школа, 1986, - 208 с.

4. Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами: пер. с англ. – М.: Мир, 1990 – 238 с.

Утверждено и рассмотрено на заседании кафедры «Электроника»

31 августа 2012 г. Протокол № 1

Зав. кафедрой __________________ Ибраев А.Т.