重要な高周波回路アプリケーションへのインダクタの適合

レーダ、磁気共鳴画像装置（MRI）、通信システム、医療用電子機器などのアプリケーションにおける高周波数（RF）およびマイクロ波回路には、高精度で安定性が高く、低損失な用途に特化した受動部品が求められています。これらの要件は特にインダクタに当てはまり、温度や周波数による変動を最小限に抑えた安定したインダクタンス値が必要となります。また、損失を最小限に抑え、アプリケーションの帯域幅内で自己共振周波数（SRF）を回避することで、信号の完全性を維持しなければなりません。

本記事では、RFアプリケーション向けインダクタの要件と特性について説明します。続いて、設計者が最も要求の厳しいRFアプリケーションのニーズに対応するために使用できる、Knowlesの高Qセラミックコアインダクタをご紹介します。

RF回路のインダクタ

インダクタは、磁界にエネルギーを蓄えることで電流の変化に抵抗する受動的なリアクティブ部品です。コイル状のワイヤで構成されるため、構造は比較的単純ですが、コイル状のワイヤはいくつかの寄生素子を生み出します。インダクタの等価回路には、リード線によるインダクタンスと静電容量、コイル抵抗、線間容量が含まれます（図1）。

図1：インダクタの等価回路には、インダクタンス、静電容量、抵抗の寄生素子が含まれます。（画像提供：Art Pini氏）

RF回路におけるインダクタの役割は、ACとDC信号成分を分離する単純なチョークから、タンク回路やフィルタにおける精密に調整されたデバイスまで多岐にわたります。これらはRFおよびマイクロ波周波数で動作し、反射や定在波を最小限に抑えるためには、寄生容量および寄生インダクタンスの小さい部品設計が求められます。このようなアプリケーションでは、表皮効果や放射などの周波数依存性のある影響も考慮する必要があります。高周波インダクタは、損失が許容されない微小信号を扱うため、高い品質係数（Q）と低い等価直列抵抗（ESR）が求められます。その結果、インダクタの仕様には、インダクタンス、許容差、定格電力だけでなく、主にQ、SRF、ESRといった高周波特有の要件も含まれます。

インダクタにおけるQ値について

Qは、特定のインダクタが理想的な特性にどれだけ近いかを示す性能指数です。理想的なインダクタは、誘導リアクタンスのみで構成されるインピーダンスを持ちます。インダクタを流れる電流は、印加電圧に対して90度の位相差を持ちます。実際のインダクタには、漏れインダクタンス、静電容量、抵抗などの寄生素子が存在します（再び図1を参照）。この抵抗は、ワイヤ導線の直列抵抗、表皮効果、コア損失、放射損失に起因します。DC抵抗（DCR）が抵抗の主な原因となります。

Qは、インダクタの誘導リアクタンスとその抵抗の比に等しい無次元の性能指数であり、次の式で表されます。Q = X_L/R = (2pfL)/R

ここで、式の記号の意味は以下のとおりです。

Q：品質係数

X_L：誘導リアクタンス（単位：オーム（Ω））

f：周波数（単位：ヘルツ（Hz））

L：インダクタンス（単位：ヘンリー（H））

R：ESR（等価直列抵抗）（Ω）

Qは、インダクタに蓄積されたエネルギーに対するエネルギー損失の尺度と考えることができます。Qが高いほど、エネルギー損失が小さくなり、インダクタの性能はより理想的なものとなります。Qは誘導リアクタンスと抵抗性の表皮効果により周波数に依存します（図2）。

図2：周波数依存性を示す周波数の関数であるインダクタQのプロット図。（画像提供：Knowles）

低損失を実現するためには、Qを最大化し、直列抵抗を最小化する必要があります。

RFインダクタのSRF（自己共振周波数）について

RFインダクタのSRFは、インダクタンスが並列に結合した寄生容量と組み合わさり、並列共振回路を形成する周波数です。SRFでは、インダクタのインピーダンスは非常に高くなり、開放回路のように振る舞います。インダクタはSRFまでしか誘導性として振舞いません（図3）。

図3：周波数の関数としてのインダクタンスがSRFまでフラットであることを示すプロット図。（画像提供：Knowles）

インダクタのSRFはインダクタンスに反比例します。より高いインダクタンスを得るには巻数を増やす必要があり、それに比例して巻線寄生容量も増加するため、SRFは低下します。

インダクタのESR（等価直列抵抗）の定義

インダクタのESRは2つの部分から構成されています。それはDCRと周波数依存抵抗です。周波数依存抵抗は表皮効果によるもので、高周波では導体を流れる電流は導体の断面全体に均一に分布せず、外表面に向かって集中する傾向があります。DCR成分は比較的容易に測定でき、通常インダクタの仕様に記載されています。表皮効果は周波数依存性があり、一般的に図2に示すQプロットの一部として説明されます。

重要RF回路向け高Qセラミックコアインダクタ

レーダ、MRI、通信システム、医療用電子機器など、重要RF回路の要求を満たすため、Knowlesは面実装型高Qセラミック巻線インダクタのCL1008シリーズを開発しました。これらの高信頼性インダクタは、広帯域での動作を想定して設計されており、高いQ値と低信号損失を両立させることで、優れた信号の完全性を実現します。

これらのインダクタは、銅線コイルのベースとなる非磁性セラミックコアで構成されています（図4、上図）。またサイズも非常に小型で、0.115インチ × 0.110インチ × 0.08インチ（2.80mm × 2.60mm × 2.30mm）です（図4、下図）。

図4：高Q RFインダクタのCL1008シリーズは、非磁性セラミックコアを採用し（上図）、サイズは0.115インチ × 0.110インチ × 0.08インチ（2.80mm × 2.60mm × 2.30mm） （下図）です。（画像提供：Knowles）

セラミックコアは、電力損失を発生させることなく巻線を支えます。これにより、空芯インダクタでは困難な面実装プロセスに対応可能なデバイス構造が実現されます。

コイルは、錫メッキされた銅バリアを介して焼結銀製の低部終端に取り付けられます。インダクタ上面は滑らかな表面をしており、ピックアンドプレース作業に対応可能です。

このようなインダクタ全般と同様に、インダクタンスはコイルの巻数に比例します。本シリーズのインダクタンスは12nH～10mHまで、定格電流は+85°Cで140mA～1000 mA、+125°Cで70mA～1000mAで利用可能です。動作温度範囲は-55°C～＋125°Cで、RoHS対応、ハロゲンフリーです。

セラミックインダクタの製造技術には、巻線式、フィルム式、多層式など複数ありますが、巻線式セラミックコアインダクタにはいくつかの利点があります。まず、インダクタの巻線は密閉されたパッケージの中に閉じ込められていません。これにより、より多くの巻線が可能となり、達成可能なインダクタンス値の範囲が広くなります。さらに、導体断面積は、フィルムや多層材料で使用される印刷プロセスによる制限を受けません。そのため、より太いワイヤを使用することができ、定格電流が増加し、抵抗が減少します。抵抗の減少により、よりQ値が高くなります。

セラミックコアインダクタのRFアプリケーション

RFインダクタの代表的なアプリケーションは、図5に示すコルピッツ発振器などの発振器です。

図5：このコルピッツ発振器では2つのRFインダクタを使用されています。1つは同調部品（L1）として、もう1つはチョーク（L2）として使用されています。（画像提供：Art Pini氏）

すべての発振器は、発振を実現するために正帰還を利用しています。このコルピッツ発振器の例では、コレクタからQ1のベースへの帰還は、C1、C2、L1で構成される同調タンク回路を経由してC3を介して行われます。これらは、L1とC1とC2の直列接続の組み合わせによって決定される周波数で共振するπネットワークを形成します。L1は、損失を最小限に抑え、周波数安定度を高めるために高いQ値を持つ必要があります。

インダクタL2はRFチョークです。DCは通過させますが、出力信号が電源へ侵入するのを防ぎます。L2は電圧損失を抑えるため低DCRを有し、発振器を動作させるのに十分な定格電流容量を備えている必要があります。チョークとして使用されるインダクタのSRFは、対象帯域全体で確実に誘導性を維持するため、出力信号周波数よりもはるかに高く設定する必要があります。

インダクタのもう1つの一般的なRFアプリケーションとして、インダクタンス-静電容量（LC）フィルタが挙げられます。フィルタは通常、RF段間に直列に接続され、送信信号の通過帯域を形成し、高調波や電磁妨害（EMI）を含む帯域外（OOB）エネルギーを制限するために使用されます。RF周波数領域では、必要なインダクタンスと静電容量が比較的小さいため、小型の形状が実現できるため、LC設計を用いてフィルタを容易に実装することができます。フィルタは、周波数制限特性に基づき、ローパス、ハイパス、バンドパス（図6）、バンドストップに分類されます。

図6：5次のバターワースLCバンドパスフィルタは5つのインダクタ（L1〜L5）を使用します。（画像提供：Art Pini氏）

このフィルタは5次のバターワース構成を採用しているため、5つのLCセクションを用いてバンドパス周波数特性を実現しています。インダクタ選定に影響する要素には、部品のインダクタンスと許容差、SRF、Q、DCRなどがあります。

使用するインダクタのSRFは、インダクタの挙動を確実に予測するために、フィルタの周波数帯域の少なくとも10倍以上である必要があります。フィルタの精度を確保するため、Q値は可能な限り高く設定すべきです。電力損失と内部発熱を最小限に抑えるため、DCRが低いことが望まれます。

インダクタのインダクタンス値と許容差は、コーナー周波数の位置を含むフィルタの周波数特性に影響を与え、フィルタ設計プロセスにおいて選択されます。

高Qセラミックコアインダクタの例

KnowlesのCL1008シリーズ高Qセラミックコアインダクタは、広範囲のRFおよびマイクロ波周波数の信号の完全性と効率を最適化するように設計されています。たとえば、CL1008-2124JQL1T-1は120nH±5%のセラミックコアインダクタで、350メガヘルツ（MHz）でQ値は60、SRFは900MHzです。DCRは0.63Ωで、定格電流は125°Cで300mA、85°Cで600mAです。

より低いインダクタンスで、より高い周波数に対応する製品としては、CL1008-2123JQL1T-1があります。これは12nH±5%のインダクタで、500MHzでのQ値は50、SRFは3,300MHzです。低インダクタンスのため巻数が少なく、抵抗値も低減されており、具体的には0.09Ωです。これにより、+125°Cでの最大定格電流は1000mAとなります。

CL1008-2823JQL1T-1を検討し、その仕様を他のインダクタと比較すると、インダクタンス、SRF、Q、DCRの間に明確な関係があることが明らかです。CL1008-2823JQL1T-1は、82nH±5%のインダクタで、350MHzにおけるQ値は60、SRFは 1200MHzです。DCRは0.22Ωで、最大電流は125°Cで370mA、85°Cで730mAです。

最後に、CL1008-2474JQL1T-1は、470nH±5%のセラミックコアインダクタで、100MHzでのQ値は45、SRFは450MHzです。そのDCRは1.17Ωで、最大定格電流は125°Cで240mA、85°Cで470mAです。

図2を参照すると、異なるインダクタンス間のQ値の関係を比較しやすくなります。ピークQ値はインダクタンスの増加とともに減少することに注意してください。

まとめ

Knowlesの高Qセラミックコアインダクタは、優れた信号の完全性、最小限の電力損失、および優れた信頼性が求められる重要なRFアプリケーション向けに、安定したインダクタンス値、高Q値、低ESRをRF回路設計者に提供します。