התאמת משרנים עבור יישומי מעגלי RF קריטיים

מעגלי תדר רדיו (RF) ומיקרוגל ביישומים כגון מכ"ם, דימות תהודה מגנטית (MRI), מערכות תקשורת ואלקטרוניקה רפואית דורשים רכיבים פסיביים ספציפיים-ליישום שהם מדויקים, יציבים ובעלי הפסדים נמוכים. דרישות אלו נכונות במיוחד עבור משרנים, אשר חייבים להיות בעלי ערכי השראות יציבים עם שינוי מינימלי עקב טמפרטורה ותדר. עליהם גם לשמור על תקינות אותות על ידי מזעור הפסדים והימנעות מתדרים בעלי תהודה-עצמית (SRF) בתוך רוחב-הפס של היישום.

מאמר זה סוקר את הדרישות והמאפיינים של משרנים עבור יישומי RF. לאחר מכן הוא מציג משרנים בעלי ליבת קרמיקה עם Q גבוה של Knowles‏, בהם המתכננים יכולים להשתמש כדי לענות על הצרכים של יישומי ה-RF התובעניים ביותר שלהם.

משרנים במעגלי RF

משרנים הם רכיבים ריאקטיביים פסיביים המתנגדים לשינויים בזרם על ידי אגירת אנרגיה בשדה מגנטי. הם מורכבים מסליל של חוט, המבנה שלהם פשוט יחסית, אך החוט המסולסל גורם למספר אלמנטים פרזיטיים. המעגל האקוויוולנטי עבור משרן כולל השראות וקיבוליות של המוליך, התנגדות הסליל והקיבוליות בין הליפופים (איור 1).

איור 1: המעגל האקוויוולנטי של משרן כולל אלמנטים פרזיטיים של השראות, קיבוליות והתנגדות. (מקור התמונה: ארט פיני)

תפקידם של משרנים במעגלי RF משתנה ממשנקים פשוטים לבידוד רכיבי אותות AC מ-DC ועד להתקנים מכווננים היטב במעגלי Tank‏ ומסננים. הם פועלים בתדרי RF ומיקרוגל, כאשר מזעור החזרות וגלים עומדים דורש תכנוני רכיבים עם קיבוליות והשראות פרזיטיים קטנים. ביישומים כאלה יש לקחת בחשבון גם השפעות תלויות תדר, כגון אפקט מעטפת וקרינה. משרני RF מטפלים באותות קטנים שבהם אין טולרנס להפסדים, מה שדורש גורם איכות (Q) גבוה והתנגדות טורית שקולה (ESR) נמוכה. כתוצאה מכך, מפרטי המשרנים כוללים לא רק השראות, טולרנס ודירוגי הספק, אלא גם מספר דרישות ספציפיות ל-RF, בעיקר Q‏, SRF‏ ו-ESR‏.

מהו Q עבור סלילים?

Q הוא ספרת האיכות (FOM‏) המציינת עד כמה משרן נתון קרוב להיות אידיאלי. למשרן אידיאלי יהיה אימפדנס המורכב אך ורק מראקטנס אינדוקטיבי. הזרם דרך המשרן יהיה בתשעים מעלות מחוץ לפאזה עם המתח המופעל. למשרן אמיתי יש אלמנטים פרזיטיים, כולל השראות, קיבוליות והתנגדות זליגה (ראו איור 1, שוב). ההתנגדות נובעת מהתנגדות הטורית של מוליך החוט, אפקט המעטפת (Skin Effect), הפסדי ליבה והפסדי קרינה. התנגדות הזרם הישר (DCR) היא מקור ההתנגדות העיקרי.

Q הוא ספרת איכות (FOM‏) חסרת-ממדים של היחס בין הראקטנס האינדוקטיבי של משרן לבין ההתנגדות שלו, לפי המשוואה Q = X_L/R = (2pfL)/R‏

כאשר:

Q הוא גורם האיכות

_L‏X‏ הוא הריאקטנס האינדוקטיבי באוהם (Ω)

f הוא התדר בהרץ (Hz)

L הוא ההשראות בהנרי (H)

R הוא ה-ESR‏ (Ω‏)

ניתן לחשוב על Q כמדד של הפסדי אנרגיה במשרן יחסית לאנרגיה המאוחסנת. ככל ש-Q גבוה יותר, כך הפסדי האנרגיה נמוכים יותר וביצועי המשרן אידיאליים יותר. Q תלוי תדר עקב הריאקטנס האינדוקטיבי ואפקט המעטפת ההתנגדותי (איור 2).

איור 2: גרפים של Q‏ של משרן כפונקציה של התדר מראים את התלות שלו בתדר. (מקור התמונה: Knowles‏)

עבור הפסדים נמוכים, יש למקסם את ה-Q ולמזער את ההתנגדות הטורית.

מהו SRF של משרן RF?

ה-SRF של משרן RF הוא התדר שבו ההשראות, יחד עם הקיבולים הפרזיטיים המקביליים, יוצרים מעגל תהודה מקבילי. ב-SRF, אימפדנס המשרן הופך גבוה מאוד, ומתנהג כמו מעגל פתוח. המשרן נראה אינדוקטיבי רק עד ל-SRF (איור 3).

איור 3: גרף המראה שההשראות כפונקציה של התדר היא שטוחה עד ל-SRF. (מקור התמונה: Knowles‏)

ה-SRF של משרן הוא ביחס הפוך להשראות שלו. השראות גבוהה יותר דורשת מספר גבוה יותר של סיבובים, והקיבוליות הפרזיטית של הסליל עולה באופן פרופורציונלי, וכתוצאה מכך ה-SRF נמוך יותר.

הגדרת ESR של משרן

ה-ESR של משרן מורכב משני חלקים: התנגדות DCR והתנגדות תלוית-תדר. ההתנגדות תלויית-התדר נובעת מאפקט המעטפת, שבו בתדרים גבוהים, הזרם דרך מוליך אינו מפוזר באופן אחיד על פני כל חתך הרוחב של המוליך אלא נוטה להתרכז לכיוון המשטח החיצוני. רכיב ה-DCR קל יחסית למדידה והוא מופיע בדרך כלל במפרטי המשרן. אפקט המעטפת תלוי בתדר ומתואר בדרך כלל כחלק מגרף Q המוצג באיור 2.

משרני ליבה קרמיים בעלי Q גבוה עבור מעגלי RF קריטיים

כדי לעמוד בדרישות של מעגלי RF קריטיים עבור מכ"ם, MRI, מערכות תקשורת ואלקטרוניקה רפואית, Knowles‏ פיתחה את סדרת CL1008‏ של משרנים מלופפים קרמיים בעלי Q גבוה עבור הרכבה משטחית. משרנים אמינים ביותר אלה מתוכננים לפעול על פני תחום תדרים רחב, ומעניקים תקינות אותות גבוהה באמצעות שילוב של Q גבוה והפסדי אותות מופחתים.

משרנים אלה מורכבים מליבת קרמיקה לא-מגנטית המשמשת כבסיס לסליל חוט נחושת (איור 4, למעלה). הם גם קומפקטיים ביותר, ומידותיהם הן 0.115 אינץ' × 0.110 אינץ'× 0.08 אינץ' (איור 4, למטה).

איור 4: סדרת CL1008 של סלילי RF בעלי Q גבוה משתמשת בליבת קרמיקה לא-מגנטית (למעלה) ומידותיה 0.115 אינץ' × 0.110 אינץ' × 0.08 אינץ' (למטה). (מקור התמונה: Knowles)

הליבה הקרמית מספקת תמיכה לליפוף מבלי לגרום להפסדי הספק. זה מאפשר מבנה התקן התואם לתהליכי הרכבה משטחית, דבר שהיה קשה עבור משרן בעל ליבת אוויר.

הסליל מחובר לסיומות התחתונות של כסף עם סינטור (Sintering‏) עם מחסום נחושת מצופה בדיל. הצד העליון של המשרן כולל משטח חלק, מה שהופך אותו לתואם עבור פעולות ליקוט-והשמה.

כמו בכל משרן כזה, ההשראות היא פרופורציונלית למספר הליפופים בסליל. סדרת משרנים זו זמינה עם השראות בין nH‏ 12‏ עד nH‏ 10‏, ודירוגי זרם מ-mA‏ 140‏ עד mA‏ 1,000‏ ב-C‏°‏85‏+ ומ-mA‏ 70‏ עד mA‏ 1,000‏ ב-C‏ִ°‏125‏+. תחום טמפרטורות הפעולה שלהם הוא 55°C- עד 125°C+, והם תואמי RoHS ונטולי-הלוגן.

בעוד שקיימות מספר טכנולוגיות עבור ייצור משרנים קרמיים, כולל משרני חוט-מלופף, משרני פילם ומימושים רבי-שכבות, למשרן ליבה קרמית חוט-מלופף יש כמה יתרונות. ראשית, סליל המשרן אינו מוגבל למארז סגור. זה מאפשר יותר ליפופי חוט, וכתוצאה מכך תחום גדול יותר של ערכי השראות ברי-השגה. בנוסף, חתך הרוחב של המוליך אינו מוגבל על ידי תהליך ההדפסה המשמש בפילם ובחומרים רבי-שכבות; ולכן ניתן להשתמש בחוטים כבדים יותר, מה שמגדיל את דירוג הזרם ומפחית את ההתנגדות. ההתנגדות המופחתת מניבה Q גבוה יותר.

יישומי RF של משרן ליבה קרמית

שימוש טיפוסי של משרני RF הוא במתנדים, כגון מתנד Colpitts‏ המוצג באיור 5.

איור 5: מתנד קולפיטס זה משתמש בשני סלילי RF, אחד כרכיב כוונון (L1) והשני כמשנק (L2). (מקור התמונה: ארט פיני)

כל המתנדים משתמשים במשוב חיובי כדי להשיג תנודה. בדוגמת מתנד קולפיטס זו, המשוב מהקולט לבסיס Q1 הוא דרך C3 ממעגל Tank‏ מכוונן שנוצר על ידי C1, C2 ו-L1. הם יוצרים רשת pi‏ המהדהדת בתדר שנקבע על ידי L1 והשילוב הטורי של C1 ו-C2. ל-L1 צריך להיות Q גבוה כדי למזער הפסדים ולשפר את יציבות התדר.

משרן L2 הוא משנק RF. זה מאפשר ל-DC לעבור, אך מונע מאות היציאה לעבור למקור הספקת-הכוח. ל-L2 צריך להיות DCR נמוך כדי להגביל את הפסדי המתח ודירוג זרם גבוה מספיק כדי להפעיל את המתנד. ה-SRF של משרן המשמש כמשנק צריך להיות גבוה בהרבה מתדר אות היציאה כדי להבטיח שהוא יתנהג באופן אינדוקטיבי על פני פס-התדר הרצוי.

מסנני השראות-קיבוליות (LC) הם יישום RF נפוץ נוסף עבור סלילים. מסננים משמשים בדרך כלל בטור בין דרגות RF כדי לעצב את פס-המעבר של האות המשודר ולהגביל את האנרגיה מחוץ-לפס-התדר (OOB‏), כולל הרמוניות והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). בתדרי RF ניתן ליישם בקלות מסננים באמצעות תכני LC, מכיוון שההשראות והקיבוליות הנדרשות הן קטנות יחסית, מה שמאפשר גורמי צורה קומפקטיים. מסננים מסווגים לפי מאפייני מגביל-התדר שלהם כמסננים מעבירי-נמוכים, מעבירי-גבוהים ומעבירי-פס (איור 6‏) או חוסמי-פס

איור 6: מסנן מעביר-פס LC‏ Butterworth מסדר-חמישי משתמש בחמישה משרנים (L1 עד L5). (מקור התמונה: ארט פיני)

מסנן זה כולל תצורת Butterworth מסדר-חמישי, ולכן הוא משתמש בחמישה מקטעי LC כדי ליישם את תגובת התדר של מעביר-פס. הגורמים המשפיעים על בחירת המשרנים כוללים את ההשראות והטולרנס של הרכיב, SRF, Q ו-DCR.

ה-SRF של המשרנים שבהם משתמשים חייב להיות גבוה פי עשרה לפחות מפס התדרים של המסנן כדי להבטיח שהמשרן יתנהג בצורה צפויה. ה-Q צריך להיות גבוה ככל האפשר כדי להבטיח את דיוק המסנן. רצוי DCR נמוך כדי למזער הפסדי הספק וחימום פנימי.

ערך ההשראות והטולרנס של המשרן משפיעים על תגובת התדר של המסנן, כולל מיקומי תדר הפינה, והם נבחרים במהלך תהליך תכנון המסנן.

דוגמאות למשרנים קרמיים בעלי Q גבוה

סלילי הליבה הקרמית בעלי Q גבוה סדרת CL1008 של Knowles מתוכננים למטב את תקינות האותות והנצילות על פני תחום רחב של תדרי RF ומיקרוגל. לדוגמה, ה-CL1008-2124JQL1T-1‏ הוא משרן בעל ליבה קרמית של %‏5‏± nH‏ 120‏ עם Q‏ של 60 ב-350 מגה-הרץ (MHz‏) ו-SRF‏ של MHz‏ 900‏. ה-DCR שלו הוא Ω‏ 0.63‏ והוא מדורג ל-300 מיליאמפר ב-125°C ו-600 מיליאמפר ב-85°C.

השראות נמוכה יותר, התואמת לתדרים גבוהים יותר, כוללות את ה-CL1008-2123JQL1T-1‏, משרן של %‏5‏± nH‏ 12‏ עם Q של 50 מגה-הרץ ב-500 מגה-הרץ ו-SRF של 3,300 מגה-הרץ. ההשראות הנמוכה יותר דורשת פחות ליפופים ויש לה התנגדות מופחתת, ספציפית במקרה זה Ω‏ 0.09‏, וכתוצאה מכך דירוג זרם מקסימלי של 1,000 מיליאמפר ב-125°C+.

כשבוחנים את ה-CL1008-2823JQL1T-1‏ ומשווים את המפרט שלו לאלו של שאר המשרנים, ניכר כי קיים קשר ברור בין השראות, SRF, Q ו-DCR. ה-CL1008-2823JQL1T-1 הוא משרן ‎82 nH ±5% עם Q של 60 ב-MHz‏ 350‏ ו-SRF‏ של MHz‏ 1,200‏. ה-DCR שלו הוא Ω‏ 0.22‏, עם זרם מקסימלי של 370 מיליאמפר ב-125°C ו-730 מיליאמפר ב-85°C.

לבסוף, ה-CL1008-2474JQL1T-1‏ הוא משרן בעל ליבה קרמית nH ±5%‏ 470‏ עם Q של 45 ב-100 מגה-הרץ ו-SRF של 450 מגה-הרץ. ה-DCR שלו הוא Ω‏ 1.17‏ ודירוגי הזרם המקסימליים שלו הם 240 מיליאמפר ב-125°C ו-470 מיליאמפר ב-85°C.

קל יותר להשוות את הקשר בין ערכי Q בין השראויות שונות על ידי התייחסות חזרה לאיור 2. שימו לב ששיא ה-Q יורד עם עלייה בהשראות.

סיכום

משרני הליבה הקרמית בעלי Q גבוה של Knowles מספקים למתכנני מעגלי RF ערכי השראות יציבים, Q גבוה ו-ESR נמוך עבור יישומי RF קריטיים הדורשים תקינות אותות מעולה, הפסדי הספק מינימליים ואמינות מעולה.