射频电路中的RF电阻、RF电容和RF电感

原创面包板社区 2022-02-14 19:59

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RF电路一般由无源元件、有源器件和无源网络组成，这些元器件主要是电阻器、电容器和电感器，其频率特性与低频电路中的元器件大不相同。

在低频电路中，电阻、电感和电容呈现的都是纯净的电阻特性，电感特性或者电容特性。在RF电路中，任何一个元器件都有其工作的特定频段，超过这个工作频段，其特性也会发生变化。

1.RF电路特点

RF电路元器件都有工作频段，例如电阻器，其电容特性会随着频率的升高越来越明显。当然电感特性也会突出，在某个频率处，引线电感和电容产生谐振，过了这个谐振点，电感特性就会成为主要特性。

其次，RF电路存在杂散电容和杂散电感，杂散电感存在于导线连接以及组件本身，杂散电容存在于电路的导体之间以及组件和地之间。随着频率的增加，这些杂散参数的影响越来越大，以至于一些高频电路不再另外添加电容。

第三，RF电路还存在趋肤效应。与直流不同的是，在直流条件下电流在整个导体中流动，而在高频条件下电流在导体表面流动，其结果是高频交流电阻要大于直流电阻。　　

还有一个问题是电磁辐射效应。随着频率的增加，当波长可与电路尺寸比拟时，电路会变为一个辐射体。这时，在电路之间、电路和外部环境之间会产生各种耦合效应，因而引出许多干扰问题。这些问题在低频条件下往往是无关紧要的。

2.阻容感元件

电阻、电容、电感是电子线路中的三种基础元件，在低频或直流电路中，这些元器件的特性很一致，到了RF电路中问题就复杂得多。

（1）电阻器

在电子线路中，电阻基本功能是将电能转换成热产生电压降。一个或多个电阻可构成降压或分压电路，也可用作直流或交流电路的负载电阻实现某些特定功能。

图1. RF电阻器及等效电路

电阻种类最多，常见的有碳膜电阻、金属膜电阻、厚膜电阻、实芯电阻、线绕电阻等。在RF/微波电子电路中，使用最多的是表面贴装的薄膜电阻，例如碳膜和金属膜。单片微波集成电路中使用的RF电阻有三类：半导体电阻、沉积金属膜电阻，以及金属和介质组成的混合物电阻。

在RF应用中，电阻的等效电路比较复杂，不仅具有阻值，还会有引线电感和线间寄生电容，其性质将不再是纯电阻，而是“阻”与“抗”兼有。

在低频率下阻抗即等于电阻，而随着频率的升高达到10MHz以上，电容Ｃa的影响开始占优，导致总阻抗降低；当频率达到20GHz左右时，出现了并联谐振点；越过谐振点后，引线电感的影响开始表现出来，阻抗又加大并逐渐表现为开路或有限阻抗值。

这说明，看似与频率无关的电阻器，用于RF/微波波段将不再是一个电阻器，而是一个振荡网络，这需要特别加以注意。因此，低频电路中的电阻器是长方体，RF及微波电路中的电阻器可能是曲面形状，以优化某些寄生参数。

（2）电容器

在低频率下，电容器一般都可以看成是平行板结构，其极板的尺寸要远大于极板间距离。理想状态下，极板间介质中没有电流。

在RF/微波频率下，实际的介质并非理想介质，介质内部存在传导电流，也就存在传导电流引起的损耗，更重要的是介质中的带电粒子具有一定的质量和惯性，在电磁场的作用下，很难随之同步振荡，在时间上有滞后现象，也会引起能量损耗。

图2. RF电容器及等效电路

RF/微波应用中，还要考虑引线电感L以及引线导体损耗的串联电阻Rs和介质损耗电阻Re。从等效电路的频率响应曲线看出，其特性在高频段已经偏离理想电容很多。

在真实情况下，损耗角正切本身还是频率的函数，这时的特性曲线变异将更严重。

（3）电感器

电感一般用直导线沿柱状结构缠绕而成，导线的缠绕构成电感的主要部分。

低频电路中，电感器一般是线圈结构，所以通常称作电感线圈。这时，导线本身的电感可以忽略不计，发挥作用的是细长螺线管所感应出的电感量。

高频率环境下，电感器被称为扼流圈，主要功能包括电路调谐、阻抗匹配、高通和低通滤波器、RF扼流圈。

在RF/微波应用中，考虑了寄生旁路电容Cs以及引线导体损耗的串联电阻Rs后，电感的等效电路以及对应的阻抗频率特性曲线已经变化。这一铜电感线圈的高频特性已经完全不同于理想电感，在谐振点之前其阻抗升高很快，而在谐振点之后，由于寄生电容Cs的影响已经逐步处于优势地位而逐渐减小。