3. Резонансные катушки

Высокочастотные катушки с постоянной или переменной индуктивностью широко используются для перестройки резонансных контуров в процессе эксплуатации и настройки РЭА, в полосовых фильтрах входных и выходных каскадов передатчиков и приемников т.д.

1. Параметры резонансных катушек

Основные параметры катушек индуктивности следующие:

1. Номинальное значение индуктивности, которое характеризует количество энергии, запасаемой катушкой, при протекании по ней электрического тока. Индуктивность катушки зависит от формы, размеров, числа витков катушки, а также от размеров, формы и материала ее сердечника. Методики расчета индуктивности основных типов используемых катушек приведены в разделе 3.2. Измеряется в [Гн]

2. Добротность – это отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению суммарных потерь. Измеряется в относительных единицах.

3. Собственная емкость – паразитный параметр, который представляет собой межвитковую емкость катушки. Измеряется в [Ф].

4. Стабильность параметров катушки – это сохранение заданных параметров катушки при изменении температуры, влажности, а также во времени. Температурная стабильность индуктивности характеризуется температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на 1 градус. Этот параметр играет большую роль для катушек контуров гетеродина, узкополосных фильтров.

Добротность катушекзависит от частоты, индуктивности и сопротивления потерь

, (3.16)

где ω– угловая частота;

r_K– сопротивление потерь в катушке.

Если бы сопротивление потерь в катушке было постоянным, то добротность катушки увеличивалась бы линейно с частотой. Однако с повышением частоты сопротивление потерь возрастает, что приводит к уменьшению добротности. Сопротивление потерь состоит из многих компонент:

, (3.17)

где r₀– сопротивление провода катушки постоянному току;

r_S – сопротивление, обусловленное поверхностным эффектом;

r_БЛ– сопротивление, обусловленное эффектом близости;

r_Э– сопротивление, обусловленное влияние экрана;

r_ε– сопротивление, обусловленное потерями в диэлектрике катушки;

r_μ– сопротивление, обусловленное потерями в магнитном сердечнике;

Наличие конечного сопротивления катушки провода (обычно медного) приводит к разогреву катушки за счет Джоулева тепла, вызывая потери.

При переменном токе сопротивление проводника существенно возрастает, т.к. ток протекает преимущественно по поверхности провода, что связано со «скин-эффектом». Величина поверхностного сопротивления круглого провода равна

, (3.18)

где ρ– удельное сопротивление провода;

Х_СК– толщина «скин-слоя», равная

. (3.19)

Для уменьшения потерь за счет поверхностного эффекта необходимо увеличивать диаметр провода катушки, покрывать его поверхность слоем серебра, толщиной не менее толщины «скин-слоя», либо использовать для намотки многожильные эмалированные провода, перевитые специальным образом – литцендраты.

Эффект близости, как и поверхностный эффект, связан с протеканием токов высокой частоты в проводе катушки и связан с возникновением вихревых токов в объеме проводника, обусловленных взаимным влиянием через магнитное поле близкорасположенных параллельных проводников. Пусть по витку проводнику протекает ток высокой частотыI₁. Очевидно, что магнитные поля ветвей витка будут иметь взаимно противоположное направление. Это приведет к возникновению в осевом сечении проводника множества элементарных контуров, в которых под действием наведенной э.д.с. возникают вихревые токи (рис.3.4). По внешней стороне витка вихревой ток течет навстречу основному току в проводнике, а на внутренней стороне – направление токов совпадает. Таким образом, за счет эффекта близости с увеличением диаметра провода неравномерность плотности тока увеличивается, и сопротивление провода повышается. Это противоположно влиянию поверхностного эффекта, из-за влияния которого с ростом диаметра провода сопротивление уменьшается (рис.3.5). Диаметр провода, при котором его сопротивление минимально называется оптимальным.

Для обеспечения максимальной добротности катушки индуктивности диаметр провода должен быть оптимальным. Расчет оптимального диаметра провода проводится графоаналитическим методом по методике [].

На добротность катушек индуктивности в области высоких частот влияют и потери в диэлектрике изоляции провода и каркаса катушки. Сопротивление таких потерь определяется из эмпирического выражения

, [Ом] (3.20)

где С₀– емкость через диэлектрик, пФ;

L– индуктивность, мГн;

f– частота, МГц;

tgδ_ε– угол потерь в диэлектрике.

Экспериментально установлено, что добротность катушек максимальна при вполне определенных соотношениях размеров. Так для однослойных неэкранированных катушек ; в однослойных экранированных катушках -; в многослойных катушках -и.

Сопротивление потерь, обусловленное потерями в магнитном сердечнике и экранированием, рассматривается ниже в соответствующих разделах.

Собственная емкостькатушки обусловлена межвитковой емкостью. Наличие собственной емкости катушки определяет его собственную критическую частоту:

. (3.21)

На частотах ниже критической полное сопротивление катушки носит индуктивный характер, а на частотах выше критической – емкостной характер. Поэтому критическая частота катушки должна быть большей ее рабочей частоты. Для понижения собственной емкости катушки необходимо уменьшать электрическую связь между витками обмотки и окружающими элементами катушки, увеличивая расстояние между ними. Поэтому ВЧ катушки индуктивности изготавливают с прогрессивно увеличивающимся шагом.

Если катушка намотана на каркасе, то ее собственная емкость будет определяться также емкостью не только через воздух, но и через диэлектрик каркаса. Поэтому в качестве материала каркаса катушки выбирают неполярные диэлектрики, имеющие малые значения диэлектрической проницаемости иtgδ. Снижению собственной емкости катушки, намотанной на каркасе, способствует намотка провода не в пазах каркаса, а на вершинах ребер винтовой нарезки (рис.3.6).

Собственную емкость многослойных катушек уменьшают секционированием и выполнением каждой секции универсальной намоткой. Однако чрезмерное увеличение числа секций уменьшает магнитную связь между ними и приводит к снижению индуктивности катушки. Поэтому число секций обычно не превышает пяти.

Стабильность параметров катушки.Наибольшее влияние на характеристики катушек оказывает температура, под действием которой изменяются индуктивность, сопротивление и собственная емкость катушки. Температурный коэффициент индуктивностиα_L (ТКИ) зависит от температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) диаметра намотки α_D, от температурного коэффициента линейного расширения длины намоткиα_lи от температурного коэффициента магнитной проницаемостиα_μ:

(3.22)

Для повышения стабильности каркасы катушек изготовляют из материалов с малым ТКЛР и применяют специальные методы намотки: намотку с натяжением до 0,6 от усилия разрыва, намотку горячим проводом, приклеиванием провода к каркасу стеклоэмалью. Наилучшие параметры дает последний метод.

Воздействие температуры приводит также к изменению удельного сопротивления провода обмотки, что изменяет индуктивность и добротность катушки. Это приводит к изменению глубины проникновения высокочастотного тока, что эквивалентно изменению диаметра витка обмотки. Нестабильность, обусловленная изменением характера распределения плотности тока под воздействием температуры, называется высокочастотной составляющей ТКИ, которая зависит от диаметра катушки и материала провода обмотки. Ориентировочно она равна:

(3.23)

где k=1…1,5 для катушек с плоским проводом илиk=2 для катушек с круглым проводом.

Нестабильность собственной емкости катушки зависит от ТКЛР каркаса, температурного коэффициента диэлектрической проницаемости и ТКЛР провода обмотки.

ТКИ катушек с многослойной намоткой существенно выше, чем у однослойных, что связано с трудностью фиксации диаметра витка в многослойных обмотках. Снизить ТКИ многослойных катушек можно пропиткой их обмоток клеящими составами с малым ТКЛР.

ТКИ катушек с магнитным сердечником, в основном, определяется температурным коэффициентом магнитной проницаемости, который обычно превосходит все остальные составляющие.

Наличие экрана у катушки также сказывается на ее стабильности, поскольку под действием температуры меняются геометрические размеры экрана и его расстояние до катушки. Чем больше расстояние от центра катушки до края экрана, тем более стабильна катушка.

Для защиты катушек от влаги применяется пропитка, заливка, обволакивание и герметизация. Электрические параметры катушек при всех способах влагозащиты ухудшаются, поскольку диэлектрическая проницаемость и tgδлюбых материалов выше, чем у воздуха. Наилучшие результаты достигаются при полной герметизации катушки.