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针对宽带应用的绕线铁氧体射频无源器件的设计与生产挑战
材料来源:《微波杂志》2019年7/8月号            录入时间:2019/8/6 15:33:57

Design and Production Challenges of Wire-Wrapped Ferrite RF Passives for Broadband Applications

Richard Bay-Ramyon, MiniRF

最新的电缆和亚6 GHz 5G无线网络不仅给有源半导体器件还给广泛使用的绕线铁氧体射频器件,如变压器、分路器、耦合器和巴伦,带来了设计和制造方面的挑战。随着频率和带宽需求从数百MHz扩展到数GHz,这些无源器件的性能必须提高。寄生现象会降低性能和造成质量控制的挑战。经过创新的设计、材料和制造方法,通过减少寄生现象,在达到更高工作频率和实现更宽带宽的同时缩小了尺寸。

信息市场不断增加的需求导致了所采集、传输和处理的数据量的大幅增长。一些预测显示,未来五年数据业务流量将增加三倍以上,到2023年移动数据业务流量将增长近8倍。1-2这些流量的大部分预计将由即将到来的5G网络承载。2数据业务流量的激增正在推动增强CATV网络基础设施和移动网络,以适应更高的数据速率,进而适应有源和无源器件方面更高的频率和带宽技术。

因此,对更高性能和更高频率的绕线铁氧体射频无源器件(绕线铁氧体)的需求日益增长,特别是变压器、巴伦、分路器和耦合器,这并不奇怪。3-4这些器件用于阻抗匹配、平衡和信号功率流;它们对网络基础设施中几乎所有数字和射频通信设备的运行至关重要。它们也见于许多“最后一英里”的宽带设备中。至于其他数字和射频通信组件,为了适应更高的频率和更高的带宽,也存在着大量的设计挑战。

挑战和设计考虑

在过去的几年中,基于绕线铁氧体的射频无源器件对带宽的要求仅限于MHz频率。最近的趋势已达GHz带宽,即将超过2到3 GHz。在较高的频率下,许多因素都会降低绕线铁氧体的性能。例如,集肤效应增加的电阻损耗与频率成正比,在超过几百MHz时开始发挥更大的作用。邻近效应和边缘场效应也会在更高频率下产生更大的损耗。此外,导线间还存在寄生电容,称为绕组间电容和寄生串联电感。这些因素在低频时往往不太重要,其中不足的并联电感和磁芯损耗是造成插入损耗的最重要因素。

因此,在高带宽和高频绕线铁氧体器件的设计和制造中,一个重要的挑战是在宽带运行中如何在低、高频电感之间实现平衡。其他需要考虑的因素包括在整个运行带宽内的相位和振幅平衡。一般来说,低频时的相位和振幅平衡较好,但在更高的频率下,与高频寄生、制造公差和电线质量有关的挑战则变得非常突出。

绕线的几何结构和绕制技术对绕线铁氧体的阻抗特性、线芯尺寸和整体尺寸也起着重要作用。因此,在设计更小的器件时,必须仔细考虑与阻抗相关的尺寸因素。此外,线芯材料的磁导率是温度的函数;随着电路板密度提高和铁氧体器件更靠近高功率密度器件,如高功率GaN放大器,确保一致的阻抗、平衡和最小运行损耗是一个挑战。

在高性能半导体中,通过使用高度自动化的制造和质量控制系统,许多制造问题已得到解决。这对于绕线铁氧体器件来说仍然是可行的,更高程度的制造自动化可以显著改善公差,这直接影响绕线铁氧体性能的几乎所有方面。

新的挑战仍会出现,因为具有独特需求的新兴应用需要定制设计的器件。与线绕铁氧体有关的专业知识已成为并且将继续成为一个小众领域,只有少数公司具备创新的高频/高带宽线绕铁氧体的设计和制造知识。

技术、方法和技巧

降低与高频相关的损耗的一种方法是减小整体尺寸。减少线芯的几何尺寸,同时容纳更紧凑和经济的器件,也减少能降低高频性能的串联电感。图1对常规尺寸的表面安装变压器与缩小后的几何封装进行了比较。例如,MiniRF S21封装的占地面积只有常规封装的七分之一,能够实现更高的频率和带宽。减少铁氧体尺寸也提供了制造效益,同时限制了寄生、损耗和板级干扰的影响。最新5G无线和高通量数据互连标准,如DOCSIS 3.1,所使用的集成电路引线间距降低了,更小的线绕铁氧体封装可更好地与之匹配。

1:带焊接引线的常规表面安装变压器与带熔接线的S20S21封装对比5常规尺寸变压器封装,S20封装,S21封装

另一种提高高频性能的封装解决方案是消除焊料——将熔合线直接通向触点。熔接消除了对焊锡材料的需求,提供了机械强度更高的结合,提高了可靠性,并在宽温度范围内提高了电气性能。由于同样的原因,线熔合通常用于IC封装和高性能和高功率射频/微波器件,使得对尺寸敏感的线绕铁氧体保持更为严格的公差。影响相位和振幅平衡的引线长度公差也得到了改善。

铁氧体内核材料的选择是实现期望的电感-频率特性的关键。在大部分工作带宽上,与频率和温度有关的内核磁导率是电感的主要决定因素。对于高带宽高频的绕线铁氧体,要求内核材料的磁导率在低频时高并随频率升高持续降低。此外,还要求芯材的磁导率对温度不敏感且居里温度高于150°C。

导线的选择是另一种设计和制造考虑。导线尺寸、长度、几何稳定性、编织方式(如适用)和导线层压材料都影响阻抗、寄生和损耗。匹配线和内核的几何结构非常重要,尤其是在更高的频率下,此时即使是很小的几何缺陷也会显著影响性能。

绕线铁氧体的制造自动化在不断发展,其测试自动化也有了一些创新。自动化的生产后测试捕获每个器件经宽带小信号扫描的完整S参数。图2展示了定向耦合器的性能。产生的数据包括回波损耗、插入损耗、耦合性和方向性,以及计算出的振幅和相位平衡。以这些数据为依据,采用标准化的调节过程单独处理每个器件以确保质量。

 

2MiniRF 1.8 GHz绕线定向耦合器所测插入损耗和耦合(a);回波损耗(b);方向性(c)

结论

在频率和带宽不断增长的行业中,对满足严格性能标准的高频宽带绕线铁氧体射频无源器件的需求日益增长。克服设计和制造挑战需要更小、更高性能的器件,这些器件具有更严格的公差,采用更加流畅的调整和质量保证方法生产。

参考文献(略)


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