Тенденции развития ферритовых пассивных компонентов

Тенденции развития ферритовых пассивных компонентов

Выпуск 13(6687) от 04 июля 2019 г.
РУБРИКА: СРЕДСТВА СВЯЗИ

Появление кабельных сетей последнего поколения и беспроводных сетей 5G, работающих в частотном диапазоне менее 6 ГГц, породило проблемы проектирования и производства не только активных полупроводниковых приборов, но и широко используемых намоточных ферритовых РЧ-компонентов, таких как трансформаторы, расщепители, ответвители и симметрирующие устройства. По мере того как полосы частот сдвигаются от сотен мегагерц в гигагерцовый диапазон, растут и требования к производительности этих пассивных компонентов. С этой целью создаются инновационные конструкции и методы производства, подбираются необходимые материалы, позволяющие достичь более высоких рабочих частот и расширенных полос частот за счет снижения паразитных явлений, ведущих к деградации эксплуатационных характеристик и потере качества.

Растущий спрос на рынке информационных технологий вызвал существенный рост объема передаваемых, приобретаемых и обрабатываемых данных. По некоторым прогнозам, в ближайшие пять лет трафик увеличится более чем в три раза. При этом трафик мобильной передачи данных в период до 2023 г. вырастет более чем в восемь раз, и большая его часть будет реализовываться в рамках разворачиваемых сетей 5G. Резкий рост трафика приведет к совершенствованию инфраструктуры кабельного телевидения и мобильных сетей – ​через рост скорости передачи данных, освоение более высоких частот, расширение используемых диапазонов частот как активных, так и пассивных компонентов [1].

В этой связи неудивительно, что растет спрос на намоточные ферритовые пассивные радиокомпоненты с повышенной производительностью, работающие на более высоких частотах. К таким компонентам относятся трансформаторы, симметрирующие устройства, ответвители и расщепители [2] – ​они используются для согласования полного сопротивления (согласования импедансов), симметрирования и потока мощности сигналов и имеют решающее значение для работы практически всех цифровых и радиоприборов связи в сетевой инфраструктуре, а также встречаются во многих широкополосных применениях «последней мили».

Как и в случаях с другими радиочастотными компонентами связи, переход к работе на более высоких частотах и расширенных полосах частот требует рассмотрения ряда проблем и внесения изменений в существующие конструкции.

ПРОБЛЕМЫ И СООБРАЖЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО КОНСТРУКЦИЙ

В предшествующие годы требования к пропускной способности радиочастотных ферритовых пассивных компонентов ограничивались мегагерцовым диапазоном. В последнее время возникла тенденция выхода на гигагерцовые частоты, при этом наибольший потенциал спроса находится за пределами 2–3 ГГц. На более высоких частотах существует большое число факторов, отрицательно воздействующих на эксплуатационные характеристики намоточных ферритовых приборов. Так, например, поверхностный эффект (скин-эффект) увеличивает активные (омические) потери пропорционально частоте и начинает играть возрастающую роль при выходе за пределы нескольких сотен мегагерц. Эффект близости (перераспределение тока в проводнике под действием поля другого или других расположенных поблизости токонесущих проводников) также вносит свой вклад в увеличение потерь на бЧльших частотах. Кроме того, существует паразитная емкость между проводами, известная как междуобмоточная емкость, и индуктивность последовательного рассеяния. Эти факторы, как правило, менее значимы на низких частотах, где наиболее значимыми причинами вносимых потерь являются недостаточная параллельная индуктивность и потери в сердечнике.

Следовательно, существенной проблемой при проектировании и производстве высокочастотных ферритовых компонентов с высокой пропускной способностью становится достижение баланса между низкочастотной и высокочастотной индуктивностью при осуществлении широкополосных операций. К другим факторам, которые необходимо рассматривать, относятся низкочастотный баланс и амплитуда. Как правило, они относительно хороши, но при переходе к высоким частотам способствуют возникновению высокочастотных паразитных сигналов и элементов. Кроме того, на высоких частотах обостряются вопросы качества проводов и производственных допусков.

В формировании свойств импеданса намоточных ферритовых приборов также играют свою роль геометрические параметры проволоки (длина, диаметр и т. д.) и методика намотки, а также размеры сердечника. Поэтому при проектировании компонентов с меньшими физическими размерами необходимо тщательно учитывать факторы масштабирования, связанные с полным сопротивлением. Кроме того, проницаемость материала активной зоны представляет собой функцию температуры. По мере увеличения плотности расположения элементов на плате и эффекта близости компонентов высокомощных приборов (с высокой плотностью размещения элементов), таких как высокомощные GaN-усилители, проблемой становится обеспечение последовательного импеданса, баланса и минимальных потерь.

В высокопроизводительных полупроводниковых приборах многие проблемы решаются за счет повышения уровня автоматизации производства и совершенствования систем проверки качества. В отношении намоточных ферритовых компонентов это еще предстоит сделать – ​их уникальная физическая конструкция традиционно выходит за рамки возможностей автоматизированных технологий. Тем не менее повышение уровня автоматизации производства может значительно улучшить ситуацию с допусками, которые непосредственно воздействуют на все аспекты характеристик намоточных ферритовых компонентов.

Еще одна причина возникновения новых проблем – ​появление перспективных применений с уникальными возможностями, требующих разработки специализированных заказных компонентов. Область намоточных ферритовых приборов была и продолжает оставаться нишевой зоной, в которой действует малое число фирм, обладающих знаниями, опытом и технологиями, позволяющими проектировать и производить инновационные высокочастотные ферритовые намоточные компоненты, а также подобные компоненты с высокой пропускной способностью.

ТЕХНОЛОГИИ, МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ

Один из способов уменьшения потерь, связанных с переходом на более высокие частоты, – ​уменьшение общего размера приборов. Уменьшение габаритов сердечника не только позволяет создать более компактные и рентабельные компоненты, но и способствует снижению последовательной индуктивности, ухудшающей высокочастотные характеристики. На рис. 1 сопоставляются стандартный трансформатор для поверхностного монтажа и аналогичные приборы с уменьшенными размерами. Например, прибор MiniRF S21 занимает 1/7 часть площади стандартного устройства, но при этом обеспечивает работу на бЧльших частотах с увеличенной пропускной способностью. Снижение габаритов ферритовых приборов обеспечивает не только производственные преимущества, но и ограничивает воздействие паразитных явлений, потери и помехи на уровне платы. Намоточные ферритовые приборы уменьшенного размера лучше подходят к ИС с уменьшенным шагом выводов, используемым в последних применениях беспроводной связи 5G, и стандартам межсоединений (таких как DOCSIS 3.1) с высокой пропускной способностью данных.



Источник: Microwave Journal

Рисунок 1. Сопоставление обычного преобразователя со свинцовым припоем с модулями S20 и S21 со сварными соединениями. Для сравнения размеров – 10-центовая монета диаметром 17,91 мм


Другим решением на уровне модуля или корпуса, ориентированным на повышение производительности в области более высоких частот, стал отказ от припоя – ​вместо этого сварное соединение осуществляется непосредственно к контактам. Это позволяет увеличить прочность соединения, повысить надежность и улучшить электрические характеристики в широком температурном диапазоне. Соединения, получаемые методом проволочного монтажа, широко используются при корпусировании ИС и в высокомощных радиочастотных и СВЧ-приборах с высокой производительностью, что обеспечивает использование меньших допусков и поддержку чувствительных к размерам намоточных ферритовых изделий. При таких подходах улучшаются допуски на длину выводов, что также оказывает влияние на баланс фазы и амплитуды.

Выбор материала ферритового сердечника – ​важный фактор достижения желаемой индуктивности и частоты. Основной фактор, воздействующий на индуктивность на большей части рабочей полосы пропускания, – ​проницаемость сердечника, зависящая от частоты и температуры. Для ферритов с высокой пропускной способностью и высокочастотных намоточных ферритов желательно использовать вещества активной зоны с высокой проницаемостью на низких частотах. Кроме того, необходим материал сердечника, менее чувствительный к температуре и обладающий значением точки Кюри, превышающим 150 °C.

При проектировании и производстве существенное значение будут иметь габаритные параметры, такие как длина, диаметр, геометрические критерии устойчивости, а также паразитные явления и потери. Сопряжение геометрических параметров провода и сердечника очень важно, так как на высоких частотах даже небольшие геометрические дефекты могут значительно влиять на производительность.

В последнее время наблюдается автоматизация производства ферритов с проволочной намоткой. Автоматизированное тестирование полностью охватывает S-параметры каждого компонента. На рис. 2 показаны характеристики направленного ответвителя, включая возвратные потери, вносимые потери, а также вычисленную амплитуду и баланс фаз. Далее на основе использования стандартизированных процедур настройки для каждого компонента подбираются индивидуальные решения.



Источник: Microwave Journal

Рисунок 2. Измеренные параметры вносимых потерь и спаривания (а), возвратные потери (б) и направленность (в) 1,8-ГГц системы MiniRF с обмоточным направленным ответвителем


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По мере развития тенденции к увеличению используемых частот и ширины полос частот растет спрос на обмоточные радиочастотные ферритовые пассивные компоненты, при этом к ним предъявляются все более жесткие требования по качеству. Существующие проблемы проектирования и производства требуют перехода к компонентам с меньшими размерами и более жесткими допусками, полученными с использованием оптимизированных методов настройки и обеспечения качества [1].

 

1. Bay-Ramyon Richard. Design and Production Challenges of Wire-Wrapped Ferrite RF Passives for Broadband Applications. Microwave Journal, May 14, 2019: https://www.microwavejournal.com/articles/32232-design-and-production-challenges-of-wire-wrapped-ferrite-rf-passives-for-broadband-applications  

2. Explosive Growth on Global Inductor Market Globally by Key Companies as Taiyo Yuden Co. Ltd., Murata Manufacturing Co. Ltd., Panasonic Corp., Pulse Electronics, Vishay Intertechnonogy Inc. Data Bridge Market Research, February 2019: Reportsherald.com/explosive-growth-on-global-inductor-market-globally-by-key-companies-as-taiyo-yuden-co-ltd-murata-manufacturing-co-ltd-panasonic-corporation-pulse-electronics-vishay-intertechnonogy-inc/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 20(6744) от 14 октября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.