3. Экранирование катушек индуктивности

Экранирование катушек индуктивности применяется для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электроманитным полем катушки и окружающим пространством. Катушка располагается внутри замкнутого металлического заземленного экрана. Эффективность экранирования определяется отношением напряженности поля катушки в данной точке пространства при наличии экрана к напряженности поля, когда экран отсутствует. Для экрана в виде алюминиевого стакана это отношение равно 0,01 -0,05.

Наиболее распространены электромагнитные экраны изготовленные из немагнитных металлов (медь, латунь, алюминий). Внешнее переменное магнитное поле катушки возбуждает в экране индукционный ток, который создает в свою очередь магнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку катушки. Таким образом, экран ослабляет (экранирует) поле катушки в окружающем ее пространстве. Одновременно ослабляется поле и внутри катушки и изменяются ее параметры: уменьшается индуктивность и добротность, увеличивается собственная емкость, понижается стабильность. Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран. Для того, чтобы индуктивность и добротность падали не более чем на 10%, для однослойных обмоток рекомендуется соотношение диаметров экрана и катушки D_э / D == 1,5 - 2,5.

Эффективность экранирования повышается при увеличении частоты переменного поля, толщины экрана и уменьшении удельного сопротивления материала экрана. Экраны высокочастотных катушек индуктивности изготавливают из меди и алюминия толщиной 0,4 - 0,5 мм. При такой толщине экрана эффективность экра­нирования на частоте 1 МГц составляет 0,01.

4. Пленочные катушки индуктивности

Пленочные катушки индуктивности применяют в интегральных микросхемах и микросборках. Они выполняются в виде плоских спиралей из проводящего материала, наносимого на изоляционную или ферритовую подложку (рис. 62).

Рис.62

Индуктивность плоской катушки зависит от размеров и формы среднего витка, расстояния между витками и числа витков. Величину индуктивности круглой пленочной спирали можно рассчитать по эмпирической формуле:

a^{2 .} N²

L = 0.394 –––––––––––

8 ^. a + 11 ^. C

где С - ширина полосы занимаемой витками, С = 0,5 (D₂ - D₁); а -средний радиус витка, а = 0,25 (d₁ + d₂); N - число витков.

При одинаковых габаритных размерах и числе витков индуктивность квадратной спирали в 1,27 раза больше.

На величину добротности пленочной катушки сильное влияние оказывают потери в проводнике переменному току и диэлектрические потери в материале подложки. Для уменьшения потерь в проводнике необходимо увеличивать его ширину и толщину, которая должна быть больше глубины скин-слоя. Диэлектрические потери снижаются при увеличении расстояния между витками и соответствующем выборе подложки с малой величиной диэлектрической проницаемости  и угла диэлектрических потерь tg.

Добротность спиральной катушки (без учета скин-эффекта) с точностью 15 - 20% можно оценить по формуле

16 ^. f ^. D₁ ^. k^{2 .} b

Q = –––––––––––––––

R_ t (D₂² / D₁² - 1)

где f - рабочая частота, МГц, t - толщина проводника, мм; R_ - удельное поверхностное сопротивление материала проводника, Ом/; k - коэффициент, определяемый по графику (рис 63); b - ширина проводника, мм.

Оптимальное отношение размеров d₁/d₂, соответствующее наибольшей добротности (80 - 120), для круглой катушки равно 0,4, а для квадратной - 0,36. Наличие шероховатостей на поверхности подложки в 4 - 10 мкм может в 2 - 3 раза снизить добротность за счет увеличения сопротивления поверхностного слоя проводника. Наличие толстых экранов (например, крышки корпуса ИМС) на расстоянии менее 0,2 D или тонких металлических пленок на расстоянии менее D уменьшают индуктивность катушки и

Рис.63 снижают ее добротность.

Пленочные катушки используют в диапазоне рабочих частот 10 МГц - 2 ГГц. Нижний предел рабочего диапазона определяется предельной индуктивностью катушки, величина которой порядка 10 мкГн из-за ограниченных геометрических размеров. Верхний предел частотного диапазона ограничен разрешающей способностью технологических процессов фотолитографии, которые обеспечивают получение катушек индуктивности менее 8 нГн при диаметре D = 1,5-2,0 мм.

Для повышения добротности применяют достаточно толстые пленочные проводники (до 30- 100 мкм), формируемые путем элек­трохимического наращивания меди на подслой титана или ванадия; при использовании тонких пленок производят напыление золота на подслой ванадия.

Контрольные вопросы

1.Как классифицируют катушки индуктивности? Какими параметрами их характеризуют?

2.От каких факторов зависит добротность катушки индуктивности?

3.Объясните влияние поверхностного эффекта и эффекта близости на добротность катушки индуктивности?

4.Какие факторы влияют на стабильность катушки индуктивности?

5.Какие типы сердечников используют в высокочастотных катушках индуктивности? Каково их назначение?

6.Как влияют сердечники на параметры катушки индуктивности?

7.Зачем применяется экранирование катушек индуктивности? Какие требования предъявляются к экрану?

8.Охарактеризуйте достоинства, недостатки, области применения пленочных катушек индуктивности.