高頻電感的作用和頻率響應(yīng)

01 電感的定義

電感是由導(dǎo)線繞成的線圈，用于增加穿過(guò)線圈間的磁鏈數(shù)，最終增加該線圈的自感系數(shù)。

02 高頻電感的作用

高頻電感(High frequency inductors)，是一種具有效率最高、速度最快，且低耗環(huán)保特點(diǎn)的電磁感應(yīng)元件。它是用絕緣導(dǎo)線(例如漆包線、紗包線等)繞制而成的，主要由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、磁心或鐵心等組成。目前，高頻電感在生活中的應(yīng)用比較廣泛。

高頻電感在射頻電路中主要有以下幾種作用：

匹配(Matching)：與電容一起組成匹配網(wǎng)絡(luò)，消除器件與傳輸線之間的阻抗失配，減小反射和損耗；

濾波(Filter)：與電容一起組成LC濾波器，濾出一些不想要的頻率成分，防止干擾器件工作；

隔離交流(RF choke)：在PA等有源射頻電路中，將射頻信號(hào)與直流偏置和直流電源隔離；

諧振(Resonance)：與電容一起構(gòu)成LC振蕩電路，作為VCO的振蕩源；

巴侖(Balun)：即平衡不平衡轉(zhuǎn)換，與電容一起構(gòu)成LC巴侖，實(shí)現(xiàn)單端射頻信號(hào)與差分信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

03 高頻電感的等效模型

電感器作為射頻扼流圈(Radio Frequency Chokes)將晶體管和直流電壓相連接。是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一種特殊電感器，它們通過(guò)為高頻提供高阻抗路徑來(lái)阻止高頻進(jìn)入或離開(kāi)系統(tǒng)中的一部分。

線圈除了具有與頻率有關(guān)的導(dǎo)線電阻，還具有電感，另外相鄰的導(dǎo)線間有了間隔恒定的移動(dòng)電荷，所以存在寄生電容，其模型原理圖可以參考如下：

所以電感器的等效電路模型可以參考如下：

解析：

Rs代表串聯(lián)的電阻，Cd代表寄生電容。

04 高頻電感的頻率響應(yīng)

在高頻時(shí)（比如1GHz時(shí)），射頻扼流圈的特性偏離了理想電感的預(yù)期特性。當(dāng)工作頻率接近諧振點(diǎn)時(shí)，射頻扼流圈的阻抗迅速提高。由于Rs的阻值不為0，總阻抗的最大值是有限的。當(dāng)工作頻率繼續(xù)提高時(shí)，寄生電容Cd的影響成為主導(dǎo)，同時(shí)線圈的阻抗開(kāi)始下降。

解析：

從該圖可以看出，整個(gè)諧振曲線分為兩個(gè)部分。他們以fr為分界點(diǎn)。

1、當(dāng)f小于fr時(shí)，電感線圈的電抗（X=WL）隨頻率的升高而增加；

2、當(dāng)f大于fr時(shí)，電感線圈的電抗隨頻率的升高而減小。

3、當(dāng)f=fr時(shí)，電感線圈發(fā)生諧振（電感線圈的感抗被寄生電容的容抗所抵消），理論上來(lái)說(shuō)，此時(shí)電感的感抗為無(wú)窮大，由于Rs的阻值不為0，總阻抗的最大值是有限的。

電感線圈的品質(zhì)因素Q=XL/Rs=WL/Rs，對(duì)于一個(gè)理想電感，其中Rs=0,則電感的品質(zhì)因素Q為無(wú)窮大，在低頻段，由于Rs比較小，則Q很大，但是隨著頻率的上升，由于趨膚效應(yīng)和線圈寄生電容Cd的影響，電感線圈的品質(zhì)因素逐漸下降。

從上圖可以看出，隨著頻率的升高，Q會(huì)逐漸增加到Q0,此時(shí)工作頻率=f0,當(dāng)f0<>