СОДЕРЖАНИЕ

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

В зависимости от назначения катушки индуктивности различают:

- контурные катушки (образующие совместно с конденсаторами колебательный контур);

- катушки связи (передающие высокочастотные колебания из одной цепи в другую);

- высокочастотные дроссели (катушки индуктивности, преграждающие путь токам высокой частоты).

По конструктивным признакам катушки могут быть разделены на цилиндрические, спиральные, тороидальные, однослойные, многослойные, с сердечником или без сердечника, экранированные, с постоянной или переменной индуктивностью.

На принципиальных электрических схемах рядом с условным графическим изображением катушки индуктивности помещают ее символическое буквенное обозначение (латинская прописная буква L) с порядковым цифровым (иногда буквенным) индексом. Значение индуктивности на схеме обычно не указывают (рис. 4.1).

Катушка индуктивности	Катушка индуктивности с отводами	Катушки индуктивности с магнитопроводом (L6 - с медным)

Катушка индуктивности экранированная	Ферровариометр	Индуктивно связанные катушки (ВЧ трансформатор)

Рис. 4.1. Обозначения катушек индуктивности на схемах

Дроссели имеют такое же графическое изображение, но обозначаются буквами Др.

Основные параметры высокочастотных катушек:

Индуктивность характеризует количество энергии магнитного поля, запасаемого катушкой, при протекании по ней электрического тока. Единица измерения индуктивности - генри (Гн) и ее доли: миллигенри (мГн = 10 ^-3 Гн) и микрогенри (мкГн = 10 ^-6).

В радиотехнической аппаратуре используются высокочастотные катушки с индуктивностью от долей мкГн до десятков мГн. Индуктивность катушки зависит от ее формы, размеров и числа витков, а также от свойств сердечника или экрана.

Добротность - отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь:

Q_L = 2 π F L / r,

где r - эквивалентное сопротивление потерь в катушке на частоте f.

По аналогии с конденсаторами потери энергии в катушках индуктивности можно выразить тангенсом угла потерь:

tgδ = r / 2 π F L = 1 / Q.

В большинстве радиотехнических устройств используют катушки с добротностью от 40 до 200.

Собственная емкость является паразитным (побочным) параметром катушки индуктивности, она увеличивает потери, уменьшает стабильность, коэффициент перестройки контура по частоте.

Температурный коэффициент индуктивности характеризует относительное изменение индуктивности катушки при изменении температуры на 1°С:

ТКИ = α_L = DL(T₀) • DT.

Обычные цилиндрические катушки имеют ТКИ = 30...50-10^-6 1/°С, а катушки с керамическим каркасом - 8...16-10^-6 1/°С.

Стабильность параметров катушек индуктивности зависит также от влажности, величины атмосферного давления и т.п.

Промышленность не выпускает, как правило, типовые высокочастотные катушки. Поэтому для аппаратуры различного назначения изготавливаются по возможности оптимальные индуктивные элементы.

Расчет индуктивности некоторых типов высокочастотных катушек

Приведем расчетные формулы для наиболее часто используемых конструкций.

Индуктивность прямолинейного провода с круглым сечением. Сюда относятся индуктивные элементы ДЦВ диапазона, оценка индуктивности проволочных выводов резисторов, конденсаторов, активных элементов:

L_пр = 0,002l(ln [4l/d]-1,75); lL_прl = мкГн,

где [l] = см - длина провода; d = см - диаметр провода без изоляции.

Индуктивность круглого витка из провода круглого сечения. Используют для оценки индуктивности рамочных (резонансных) антенн, катушек связи и т.п.:

L_кр = 0,00628В (ln [8D/d]-1,75),

где [D] = см - диаметр витка.

Индуктивность замкнутого геометрического контура всегда будет меньше индуктивности прямого провода той же длины. Наибольшей индуктивностью обладает тот из замкнутых геометрических контуров одинакового периметра, который имеет наибольшую площадь. Следовательно, наибольшая индуктивность будет у контура, имеющего форму окружности.

Индуктивность однослойной цилиндрической катушки (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Элементы однослойной цилиндрической катушки

Если длина намотки l = т • N (N - число витков) соответствует неравенству l >> D, то приемлема формула

L = π² · D² N² 10^-3 / l мкГн.

Если длина намотки катушки соизмерима с ее диаметром, то вводится поправочный коэффициент L₀. Значение этого коэффициента находят по графику, изображенному на рис. 4.3, а величину индуктивности определяют из выражения

L = L₀ • N² • D • 10^-3мкГн,

Рис. 4.3. Графическая зависимость поправочного коэффициента

Индуктивность многослойной цилиндрической катушки. Для получения больших значений индуктивности используют многослойные катушки. Индуктивность таких катушек можно определить по предыдущей формуле, но поправочный коэффициент L₀ (рис. 4.4) будет зависеть от соотношения толщины намотки к наружному диаметру t/D.

Рис. 4.4. Поправочный коэффициент для многослойной катушки

Индуктивность катушки с сердечником. Получить оптимальное значение индуктивности и добротности, обеспечить точную установку индуктивности позволяет применение сердечников. Индуктивность катушки с сердечником L_С = μ_СL, где L - индуктивность той же катушки без сердечника; μ_С - действующая магнитная проницаемость. Если μ - магнитная проницаемость материала, из которого выполнен сердечник, то отношение К_μ = μ_с/μ - коэффициент использования магнитных свойств. Он зависит от конструкции катушки и определяется экспериментально.

Для ферромагнетиков (ферриты, карбонильное железо) μ_с > 1, для диамагнетиков (латунь, медь, алюминий) μ_с < 1. Таким образом, используя ферромагнетики, повышают индуктивность катушки, а используя диамагнетики, понижают ее.

Индуктивность тороидальной катушки (с кольцевым сердечником) определяют по формуле

L_тор = 0,00628 • μ • N² (D - √D²_T - D_в),

где D_Т - диаметр осевой линии тора, см; D_В - средний диаметр витка; μ - начальная магнитная проницаемость материала тора.

Индуктивность экранированной катушки. Экранирование выполняют или шунтированием магнитного поля ферромагнитным экраном с большой относительной магнитной проницаемостью или вытеснением магнитного поля экраном из диамагнетика (медь, латунь, алюминий). Для экранирования ВЧ катушек используют, как правило, второй способ.

Индуктивность цилиндрической катушки с алюминиевым цилиндрическим экраном

L = L • [1-(D/D_э)^3] • [1-(I/2I_э)²],

где L - индуктивность катушки без экрана; D - диаметр обмотки; D_Э -диаметр экрана; l - длина намотки; l_Э - длина экрана. Добротность экранированной катушки всегда ниже, а собственная емкость выше катушки без экрана.

Оптимизация добротности катушек индуктивности

Не менее важным параметром, чем индуктивность, при расчете индуктивных компонентов контуров, фильтров, линий задержек является их добротность.

На заданной частоте добротность катушки индуктивности определяют по формуле

Q_L = 2 π F L / r,

где r - активное сопротивление потерь, которое имеет несколько составляющих. Сопротивление потерь можно представить в виде суммы

r = r₀ + r_f + r_k + r_ем + r_экр + r_с,

где r₀ - сопротивление обмотки постоянному току; r_f - высокочастотные потери; r_k - потери в материале каркаса; r_ем - емкостные потери; r_экр - потери в материале экрана; r_с - потери в материале сердечника.

Сопротивление высокочастотных потерь в обмотке состоит из потерь, обусловленных поверхностным (скин) эффектом и эффектом близости r_f = r_скин + r_близ. Обе эти составляющие имеют выраженную зависимость от диаметра провода намотки, как показано на рис. 4.5. Это свойство используется для получения максимальной добротности путем выбора оптимального диаметра провода намотки.

Рис. 4.5. Оптимальный диаметр провода намотки

Диэлектрические потери, возникающие в поле собственной емкости катушки через диэлектрик, имеют ту же природу, что и в конденсаторах и описываются тангенсом диэлектрических потерь на рабочей частоте.

Дросселем высокой частоты называют катушку индуктивности, включаемую в цепь для увеличения сопротивления токам высокой частоты. Основные параметры: z_др - полное сопротивление, R - сопротивление постоянному току, С_др - собственная емкость. Полное сопротивление на рабочих частотах должно быть большим и иметь индуктивный характер. Собственная емкость дросселя (рис. 4.6) определяет его критическую частоту f_кр = 1/(2п(L_дрС_др)^1/2, ниже которой расположен рабочий интервал частот.

Рис. 4.6. Эквивалентная схема и зависимость полного сопротивления дросселя

Серийно выпускаются ВЧ дроссели типа ДМ с ферритовым сердечником. Интервал индуктивностей 1...500 мкГ. Допустимое значение тока 60 мА.