7- L’inductance réelle en UHF

On distinguera les inductances destinées à accorder les circuits  LC,  et les inductances dites "de choc" ou de "blocage" destinées à s'opposer au passage des courants RF. Pour ces deux types d'application, on ne demandera pas les mêmes caractéristiques...

 Pour les réseaux LC et circuits accordés, on demandera à ces inductances un minimum de pertes.

Aux inductances "de choc", on demandera une impédance maximale  voire souvent un certain facteur d'amortissement.

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Les trois paramètres principaux 

La valeur de l'inductance , en nH en général. Pour les circuits accordés et les réseaux LC, les inductances feront au maximum quelques centaines de nH en VHF ( 30 à 200MHz ) et quelques dizaines de nH en UHF ( 200 à 1000 MHz)

La résistances "série" équivalente rs . Pour les inductances destinées aux réseaux LC  et aux circuits accordés,  on exigera une résistance rs la plus faible possible.   A cet effet, on définiera   Qo = ZL /rs  ( ou ZL est l'impédance de l'inductance à la fréquence considérée). 

La résistance série en RF est toujours supérieure à celle qu'on pourrait mesurer en continu !

La capacité parasite parallèle Cp.  Pour les réseaux d'accord LC, cette capacité parasite s'ajoute aux capacités du réseau.   Pour les inductances de choc, cette capacité va modifier l'impédance totale. Très souvent le fabricant ne donne pas la valeur de cette capacité parasite , mais donne la fréquence de résonance du circuit LC parallèle, fréquence à laquelle l'impédance est maximale. 

Pour les circuits accordés à faibles pertes,  ou de puissance:  

 

il faudra utiliser des inductances de dimensions suffisantes, en fil émaillé, voire argenté,  de diamètre suffisant , pour avoir un Qo suffisant.

Sans exagérer le diamètre,  quand même. N'oublions pas que des bobines de grand diamètre rayonnent en UHF, ce qui va poser des problèmes de couplages à d'autres circuits de la carte .  Dans ce cas, il sera parfois  nécessaire de placer l'inductance dans un boîtier blindé.

Jusqu'à quelques dizaines de watts, des diamètres de bobines de 3 mm à 6 mm , en fil de diamètre 6 ou 8 dixièmes de mm, sont un bon compromis...Nous donnons plus loin un tableau en exemple de valeurs d’inductances en fil émaillé.

Lors de la construction d'une inductance, on tente de minimiser la capacité parasite. Pour cette raison, on évitera absolument les inductances à plusieurs couches, où la première spire côtoie la dernière. De toute façon, le nombre de spires d’une inductance d’accord en UHF n’est jamais bien élevé…

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Les inductances CMS :

On utilise des inductances CMS pour plusieurs raisons : encombrement, moins de rayonnement... Si on craint des couplages parasites sur une carte, on aura tout intérêt à utiliser des petits formats . Mais attention, le  Qo ne sera pas extraordinaire !…

Il faudra en effet connaître les défauts des inductances de petites dimensions :

Ces inductances CMS ( 1 ou 2 mm) ont des résistances telles qu'elles sont pratiquement impropres à constituer des circuits accordés avec un Q raisonnable. Par exemple, une inductance en boitier 1206 pourra présenter une résistance de plusieurs ohms en UHF.

( Attention, la résistance mesurée à l'ohm-mètre en continu est plus faible, puisque la résistance d'un conducteur augmente avec la fréquence , à cause de l'effet de peau !)

Ainsi, à 160 MHz, une petite inductance aura un Qo de 20 . Si on l'utilise dans un circuit accordé de Qc = 10, on perdra la moitié de l'énergie dans ce circuit ( voir chapitre 2)

On choisira des inductances CMS  monocouche pour éviter d'avoir trop de capacité parasite ( les premières spires doivent être éloignées des dernières) . On évitera les inductances à ferrites, car les ferrites induisent des pertes, et sont peu stables.....La qualité des ferrites se dégrade très vite au-delà de la centaine de MHz. Encore utilisables en VHF, on les évitera en UHF, en tout cas pour les circuits accordés.

Enfin, on trouve des inductances dont le fil conducteur n'est pas trop fin , de l'ordre de 50/100, qui ont encore des Qo tout à fait honorable, de l'ordre de 200. Vous trouverez plus loin une description de ce genre de selfs , que l'on peut soi même fabriquer. 

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Et au delà du GHz?

Si nous avons affaire à des cartes de petites dimensions, comme celles des téléphones portables, par exemple, une solution consistera à réduire toutes les dimensions de façon à avoir des selfs de l'ordre de quelques millimètres cubes. Mais on a vu que plus on rapetisse la self, plus le Qo baisse. La réalisation de filtres à forte sélectivité va devenir difficile, et on s'orientera souvent pour ces filtres vers des filtres "céramique" ou à ondes de surface....On réservera les micro-selfs pour les applications ne nécessitant pas un Q élevé, ni, bien sur, trop de puissance.....

Si nous disposons par contre de suffisamment de place, on pourra conserver des Q importants en passant aux composants à constantes réparties en imprimant des lignes , avec un isolant meilleur que l’époxy , comme nous l'avons vu pour les condensateurs. La théorie des lignes et l'abaque de Smith permettront d'en calculer les dimensions.

Mesure d’une inductance

Les inductances-mètres classiques sont rarement capables de mesurer correctement les inductances de l’ordre de quelques nH.

Voici un exemple utilisant la méthode du réjecteur : Nous confectionnons un circuit résonnant série en soudant une capacité CMS de 10 pF en série avec l’inductance à mesurer , et nous plaçons ce circuit série en parallèle sur une ligne de transmission reliant un générateur à un analyseur de spectre . ( FIG 71) 

La figure 72 montre l'écran de l'analyseur tracking, avec une réjection de 34 dB

Connaissant la capacité et la fréquence de résonance, nous en déduisons l’inductance :

L = 25,4 / F2 . C           ( F en GHz, C en pF)

D’où L = 74 ,8 nH          

Enlevons environ 1 nH apporté par le boitier CMS de la capacité CMS , et nous obtenons une valeur l’inductance de 74 nH.

FIG71

FIG72

Cette mesure va même nous apprendre plus : La réjection est rej = 34 dB.

Nous pouvons calculer la résistance série à cette fréquence, ce qui nous donnera une idée de la qualité de ce circuit résonant série .

rs = 25 / ( (10 exp ( rej / 20) )  -1)

D’où rs = 25 / ( (10 exp ( 34/20) ) -1) = 0,5 ohms.

En réalité, le condensateur est du type « High Q », avec une résistance série de 0,1 ohm. Donc la résistance série de la self est de 0,4 ohms.

Quel Qo peut-on espérer obtenir avec cette inductance utilisée dans un circuit accordé à cette fréquence ?

A 184 MHz, l’impédance de 74 nH est L 2 pi F = 86 ohms.

Associée à un condensateur parfait, le Qo du circuit serait, si ZL est l’impédance de l’inductance, Qo = ZL /rs = 86 /0,4 = 215 

Valeur de rs en fonction de la réjection sur une ligne 50 ohms :

réjection :     6dB            10 dB        16 dB       20 dB       30 dB           40 dB

rs ( ohms) =   25              11,5          4,7            2,7           0,8               0,25 

Confectionner des inductances.

A l’aide de fil émaillé, nous pouvons confectionner des inductances d’assez bonne qualité comme celle mesurée ci-dessus.

Nous utilisons du fil émaillé de diamètre 8/10 .

Nous enroulons ce fil à spires "quasi jointives"  sur un mandrin de diamètre donné ( par exemple un foret…);  Les spires sont écartées juste pour ne pas avoir contact, car cela rajouterait de la capacité , et la soudure pourrait fondre l'émail et provoquer un contact

Vu de face, cela donne : FIG 74 

FIG 74

Le tableau suivant donne la valeur de l’inductance en nH, en fonction du diamètre sur lequel le fil a été enroulé, et du nombre de spires quasi jointives.

                                         2 spires        3 spires      4 spires      5 spires         6 spires  

Diamètre intérieur D :  

5mm                                  26 nH          48 nH          72 nH        100 nH           125nH

4mm                                  18nH           35nH           53nH         72nH             90nH 

2,5mm                                10nH           18nH 

     

Au delà du GHz, pour réduire l'encombrement et le rayonnement, nous aurons intérêt à avoir des inductances plus petites encore. Par exemple, avec du fil de cuivre  55/100 ( émaillé  6/10) , selfs bobinées sur un foret de 2mm, spires toujours "quasi jointives" . nous aurons les valeurs suivantes :

Diamètre intérieur 2 mm:

                        2 spires               3 spires            4 spires   

                         8,5 nH                  14 nH               20 nH   

Avec des valeurs aussi basses, la longueur des "pattes" rajoute de l'inductance, environ 1 nH par mm. Les valeurs ci-dessus sont mesurées au ras de la bobine. 

Le Qo de ces selfs est encore acceptable ( pas loin de  200) du fait que le diamètre du fil n'est pas encore trop réduit, si on le compare aux selfs CMS courantes  du commerce. 

Inductance de  "blocage" 

On a parfois besoin d'utiliser une inductance pour empêcher la RF de circuler dans un conducteur, tout en présentant une résistance nulle en continu. C'est le cas par exemple en CEM pour filtrer des pistes d'alimentation. 

Si je veux "bloquer" la RF en UHF avec une inductance CMS, je pourrais innocemment me dire que plus il y a de µH, mieux ce sera...Et je choisirai une inductance de 10 µH....Hélas, une inductance CMS de 10 µH se comportera non plus comme une inductance, mais comme une capacité, ( sa capacité parasite !) qui laissera passer les UHF que je voulais bloquer...Sans oublier  que son fil très fin ne supportera pas de forts courants.  

Si je veux bloquer la RF dans une bande relativement étroite, par exemple autour de 500 MHz, je pourrai utiliser une inductance CMS de 470 nH monocouche et sans ferrite: Avec sa capacité parasite, elle constituera un circuit bouchon ( résonance parallèle) et présentera une impédance de plusieurs milliers d'ohms.

Mais en général, on cherche a bloquer la RF sur une large bande On utilisera à cet effet  des "selfs de choc" ou "de blocage", composées d'un conducteur entouré de ferrite. Leur impédance R + jX , de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines d'ohms,  augmente avec la fréquence. Aux  fréquences UHF, c'est le terme R qui devient prépondérant, ce qui évite de provoquer des résonances parasites. De plus,  elles sont pratiquement exemptes de capacité parallèle parasite. 

Les gros formats comme la "VK200" sont utilisables de quelques dizaines à quelques centaines de MHz.  Les formats CMS  s'utilisent de quelques centaines de MHz jusqu'à plus du GHZ . 

Pour les petites selfs a ferrites, on vérifiera qu'on ne dépasse pas le courant continu qui provoque la saturation de la ferrite...