Substrat IC - Menemukan misteri pengubah RF: perkenalan kepada teori, teknologi dan aplikasi

Pada dasarnya, pengubah hanya dua atau lebih loop konduktif yang disambungkan oleh medan magnetik induksi bersama. Apabila aliran magnetik yang berubah dijana dalam inti magnetik, arus yang berubah mengalir melalui satu laluan konduktif mengandungi arus dalam laluan konduktif yang lain. Semasa yang disebabkan adalah proporsional dengan nisbah jumlah sambungan magnetik antara dua gelung konduktif. Nisbah sambungan magnetik diantara loop konduktif dan inti magnetik menentukan voltaj yang diduka dalam loop konduktif tambahan, dengan itu menyediakan pengubahan impedance dan meningkat atau menurun voltaj. Dengan menambah sebanyak mungkin gelung konduktif tambahan dengan koeficien sambungan yang berbeza, berbagai fungsi boleh dicapai. Inilah sebabnya pengubah RF adalah peranti berbeza dan beragam dan digunakan secara luas di seluruh industri RF/microwave.

Pengubah frekuensi radio biasa terdiri dari dua atau lebih luka wayar berbeza pada inti magnetik (atau inti udara pada frekuensi tinggi), sebab itulah pengubah frekuensi radio sering diterangkan sebagai nisbah pembukaan atau pusingan. Pengubah RF boleh digunakan dalam pelbagai aplikasi, kerana sifat peralatan membolehkan konfigurasi berbeza untuk mencapai fungsi berbeza, termasuk:

Menyediakan pengubahan impedance untuk pertandingan impedance.

Meningkatkan atau mengurangkan tekanan atau arus.

Pengikatan efektif antara sirkuit yang seimbang dan tidak seimbang.

Penolakan mod umum meningkat.

Menyediakan pengasingan DC antara litar.

Inject DC current.

Beberapa teknologi umum yang digunakan untuk membina pengubah termasuk wayar utama, garis pemindahan, keramik dengan suhu rendah (LTCC) dan MMIC. Setiap produk dan pakej berbeza mempunyai siri indikator prestasi.

Teori Penukar Walaupun model penukar ideal tidak realistik untuk aplikasi praktik, ia boleh memperlihatkan prestasi as as penukar (seperti yang dipaparkan dalam Gambar 1). Port 1 dan 2 adalah input angin utama, dan port 3 dan 4 adalah output angin sekunder. Menurut undang-undang Faraday, arus yang melewati angin utama menghasilkan aliran magnetik melalui medan magnetik bersama-sama arus dan tekanan dalam angin sekunder. Semasa dan tekanan yang dijana adalah proporsional dengan nisbah angin atau sambungan magnetik antara angin dan inti besi. Oleh itu, impedance sekunder adalah fungsi nisbah pembuluhan kuasa dua darab dengan impedance utama. Hubungan ini boleh dijelaskan dengan formula berikut:

Di antara mereka, I1, V1 dan Z1 adalah arus, tegangan dan impedance melalui angin utama; I2, V2 dan Z2 adalah arus, tekanan dan impedance melalui angin sekunder; N1 adalah bilangan pusingan pembangingan utama; N2 adalah bilangan pusingan pembangingan sekunder.

Penukar sebenar termasuk kelebihan resistensi parasit, induktansi dan kapasitasi, termasuk kapasitasi bersama-sama dan kapasitasi parasit sendiri. Figure 2 menunjukkan model lumped bagi pengubah RF yang tidak ideal, yang menggambarkan resistensi parasitik dan induktansi kedua-dua pembuluhan, serta kehilangan resistensi inti besi dan induktansi efektif pembuluhan. Kesan parasitik menyebabkan pengubah sebenar berfungsi dalam lebar band terbatas, dengan kehilangan penyisihan dan kemampuan pengendalian kuasa terbatas (seperti yang dipaparkan dalam Gambar 3). Performasi penukar juga bergantung pada frekuensi, suhu dan kuasa.

Frekuensi batasan frekuensi rendah bagi pengubah frekuensi radio sebenar ditentukan oleh induktan aktif angin, dan frekuensi batasan frekuensi tinggi ditentukan oleh kapasitasi antara angin dan angin. Kehilangan penyisipan dalam lebar kawasan operasi adalah hasil kehilangan perlawanan dalam angin utama dan angin sekunder dan kehilangan dalam inti. Kerana kerugian perlahan sering fungsi frekuensi dan suhu, lebar jalur kerja yang berkesan pengubah terhad oleh faktor-faktor ini. Sebab sambungan magnetik yang tidak lengkap diantara pembukaan, beberapa jenis pengubah RF akan memperkenalkan induksi kebocoran. Oleh kerana reaksi induksi kebocoran adalah proporsional dengan frekuensi, kesan parasit ini akan mengurangi kehilangan kembali pada frekuensi tinggi dan meningkatkan kehilangan penyisihan pada frekuensi rendah. topologi pengubah frekuensi radio yang lebih kompleks, seperti pengubah dengan pelbagai angin, pita, dan komponen lain, akan menunjukkan prestasi yang berbeza bergantung pada struktur topologi dan pengubah. Contohnya, jenis peralatan frekuensi radio yang dipanggil balun digunakan untuk menyambung secara efektif sirkuit yang seimbang (iaitu isyarat perbezaan) ke sirkuit yang tidak seimbang (iaitu isyarat satu-akhir) melalui pengubahan impedance, yang boleh dicapai oleh pengubah frekuensi radio. Peranti lain yang sama dengan balun dipanggil balun, yang digunakan untuk menyambungkan sirkuit frekuensi radio yang tidak seimbang. Ia juga boleh disedari oleh pengubah frekuensi radio. Balon umum yang terbentuk oleh pengubah ialah balon bersambung aliran, yang membina satu sisi angin utama dengan mengalirkan wayar terpisah disekitar inti magnetik dan mendaratnya. Isyarat frekuensi radio satu-akhir yang memasuki angin utama yang tidak seimbang mengalami pengubahan impedance dan adalah output sebagai isyarat perbezaan (ie seimbang) melalui angin sekunder. Pengubah RF yang mengandungi inti besi bukan magnetik (biasanya ferromagnetik) mempunyai beberapa kelemahan. Induktan magnetisasi inti besi mengatasi prestasi pengubah frekuensi rendah. Induktansi adalah fungsi penerbangan inti, kawasan melintas, dan bilangan angin di sekitar inti. Induktan magnetisasi meningkatkan kehilangan penyisihan frekuensi rendah dan mengurangkan kehilangan kembalian. Kepermeabiliti inti besi juga fungsi suhu. Kebolehan yang meningkat dengan suhu meningkatkan kehilangan penyisihan frekuensi rendah.

Teknologi pengubah RFThe two main types of discrete radio frequency transformers are the core type and the transmission line type. Selain itu, LTCC dan MMIC adalah dua rekaan penukar halus dan kompat umum.

Pengubah frekuensi radio jenis wayar utama

Pengubah jenis-utama dibuat dengan mengalirkan wayar konduktif (biasanya wayar tembaga terisolasi) pada inti magnetik (seperti cincin). Boleh ada satu atau lebih angin sekunder, atau mereka boleh ditaip di tengah untuk fungsi tambahan. Figure 4 menunjukkan pengubah frekuensi radio yang dibuat dari inti toroidal dan pembetulan wayar tembaga terisolasi. Sebab sambungan induktif antara wayar dan inti magnetik, pengubah inti saiz lebih kecil patut berfungsi pada frekuensi yang lebih tinggi daripada pengubah inti saiz lebih besar. Namun, saiz yang lebih kecil bagi pengubah kompat meningkatkan kehilangan perlahan angin dan inti, yang menyebabkan kehilangan penyisihan yang lebih besar pada frekuensi yang lebih rendah.

Penukar RF jenis garis penghantaran

topologi pengubah garis trasmis termasuk garis trasmis yang direka secara tepat yang ditempatkan antara dua muatan yang tidak sepadan atau adalah pengaturan kompleks garis trasmis berbilang. Contohnya, panjang garis penghantaran boleh digunakan untuk mencapai pengubahan impedance antara dua muatan yang tidak sepadan. Beberapa pengubah garis trasmis menggunakan wayar terisolasi dibungkus sekitar inti ferrit, yang sangat mirip dengan pengubah wayar-core biasa dan biasanya dianggap pengubah jenis-core.

Penukar garis transmisi asas terdiri dari dua garis transmisi konduktor. konduktor pertama disambung dari generator ke muatan, dan konduktor lain disambung ke tanah pada hujung output garis penghantaran pertama (seperti yang dipaparkan dalam Figur 5). Dengan konfigurasi ini, semasa mengalir melalui muatan adalah dua kali lipat semasa mengalir melalui generator, dan V0 adalah separuh dari tekanan V1. Oleh itu, resistensi muatan hanya seperempat dari resistensi yang dilihat di sisi generator, yang menghasilkan pengubah 1:4, seperti yang dipaparkan dalam persamaan berikut:

Versi umum pengubah garis trasmis ialah garis trasmis panjang ombak-empat. Topologi ini menggunakan garis penghantaran dengan impedance karakteristik yang membuat impedance sepadan antara impedance input dan muatan mungkin. Panjang penukar gelombang-empat ditentukan oleh frekuensi operasi, dan lebar bandnya terhad kepada satu oktave sekitar frekuensi tengah. Pertimbangkan garis penghantaran tanpa kehilangan dengan impedance karakteristik Z0 dan panjang L, yang tersambung antara impedance input Zin dan impedance muatan ZL (seperti dipaparkan dalam Gambar 6). Untuk sepadan Zin dengan ZL, keterlaluan karakteristik garis transmisi gelombang-kuart Z0 ditentukan dengan formula berikut:

Salah satu keuntungan pengubah garis transmisi adalah bahawa terdapat kapasitasi besar dan induktansi kebocoran antara angin. Berbanding dengan jenis wayar utama, ia menghasilkan lebar jalur operasi yang lebih luas.

Pengubah LTCC

Pengubah LTCC adalah peranti berbilang lapisan yang dihasilkan menggunakan substrat berasaskan keramik. Pengubah LTCC menggunakan garis bersambung sebagai garis penghantaran untuk mencapai penukaran impedance dan penukaran isyarat dari hujung tunggal ke seimbang. Pengubah LTCC bergantung pada sambungan kapasitif, sehingga pengubah LTCC boleh bekerja pada frekuensi yang lebih tinggi daripada pengubah ferromagnetik. Namun, ini boleh menyebabkan penghancuran prestasi frekuensi rendah. Salah satu keuntungan teknologi LTCC adalah kemampuan untuk menghasilkan pengubah kecil dan kuat, yang ideal untuk aplikasi kepercayaan tinggi (seperti yang dipaparkan dalam Gambar 7).

Pengubah MMIC

Seperti pengubah LTCC, pengubah MMIC juga dibuat dari substrat 2D dengan metalisasi planar lapisan yang tepat. Secara umum, pengubah MMIC dihasilkan menggunakan induktor spiral, yang dicetak pada substrat dengan dua garis penghantaran, dan garis adalah selari. Proses peranti pasif terpasang GaAs boleh digunakan untuk menghasilkan pengubah MMIC (seperti yang dipaparkan dalam Gambar 8). Litografi ketepatan membantu mencapai kemudahan ulang yang baik, prestasi frekuensi tinggi dan efisiensi panas yang baik.

Fungsi dan aplikasi penukarThe different functions of the RF transformer depend on its topology:

Penyesuai-Penyesuai boleh sepadan dengan dua sirkuit dengan impedance yang berbeza, atau menyediakan langkah-up atau langkah-down voltas bekalan kuasa. Dalam sirkuit frekuensi radio, ketidaksepadan impedance antara dua nod boleh menyebabkan penghantaran kuasa kurang dan refleksi masalah. Penukar yang sepadan impedance menghapuskan refleksi secara efektif dan menyediakan penghantaran kuasa maksimum diantara dua nod sirkuit (seperti yang dipaparkan dalam Gambar 9).

Balun dan penyukar tidak seimbang (Balun) digunakan untuk menyambungkan bahagian sirkuit yang seimbang dan tidak seimbang. Untuk garis tidak seimbang, pengubah automatik (pengubah) boleh dikonfigur untuk sepadan impedance, iaitu, unun.

Penyedutan bias dan pengubah-RF izolasi boleh dirancang untuk menyediakan izolasi DC antara angin utama dan angin sekunder. Ini sangat berguna untuk memisahkan sirkuit RF yang menggunakan bias DC dan terkesan negatif oleh tensi DC. Jika sebahagian sirkuit memerlukan semasa DC, pengubah RF yang dedikasi boleh digunakan untuk menyuntik semasa ke laluan isyarat. Contohnya, dua pengubah ditetap-tengah boleh suntik bias DC dan menggantikan dua tees bias (seperti yang dipaparkan dalam Figur 10).

Penukar fungsi-RF lain boleh dirancang untuk menyediakan penolakan mod-biasa berkembang untuk sirkuit yang seimbang (iaitu perbezaan). Topologi lain boleh digunakan sebagai penyekik untuk penapis komponen frekuensi tinggi dari garis isyarat.

Penukar RF ringkasan boleh dihasilkan dalam pelbagai kaedah dan bahan. Mereka dikonfigur ke dalam pelbagai topologi untuk melakukan banyak fungsi dalam sirkuit frekuensi radio. Bergantung pada bahan, konstruksi, dan desain, pengubah RF boleh menjadi band sempit atau band lebar, dan boleh bekerja pada frekuensi rendah atau tinggi. Memahami nuansi pengubah RF boleh membantu desainer optimize desain mereka dengan memilih pengubah terbaik. Artikel lain yang membahas pengubah RF akan diterbitkan secara berturut-turut.