解密神秘的射頻器件之電感

對于電阻和電容，我們很容易從名字上得到它的功能——阻止電流和容納電荷，但是電感，就顯得詞不達(dá)意，是感謝電流呢？還是感覺電流。其實這里的感是感應(yīng)電流。這個感應(yīng)電流的存在才使得電感能夠正常工作。

電感的發(fā)現(xiàn)

感應(yīng)電流的發(fā)現(xiàn)其實是一個很了不起的發(fā)現(xiàn)。因為首先科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的是電生磁，丹麥科學(xué)家奧斯特（Hans Christian ?rsted）在一次偶然的實驗中發(fā)現(xiàn)在電流線的周圍，小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。也就是說電流線的周圍存在著磁場。電生磁 成為了當(dāng)代科學(xué)家的共識，這個發(fā)現(xiàn)被安培(André-Marie Ampère)進(jìn)一步總結(jié)出了著名的安培定律，也就是右手螺旋定律，靠右手來確定磁場的方向。

電生磁之后的另一個重大的發(fā)現(xiàn)就是磁生電。在電磁學(xué)歷史上有一個偉大的科學(xué)家叫做法拉第，法拉第最偉大的貢獻(xiàn)就是第一個發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為之后麥克斯韋推導(dǎo)麥克斯韋方程組，并預(yù)言電磁波提供了堅實的實驗基礎(chǔ)，被稱為電學(xué)之父和交流電之父。

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中作切割磁感線運動，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。如下圖所示，當(dāng)磁場通過線圈時，產(chǎn)生的感應(yīng)電流會引起電流表指針的轉(zhuǎn)動。

這個電磁感應(yīng)現(xiàn)象就是發(fā)電機的基礎(chǔ)。由軸承及端蓋將發(fā)電機的定子，轉(zhuǎn)子連接組裝起來，使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，做切割磁力線的運動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產(chǎn)生了電流。我們之前的文章中講到過，這個發(fā)電機的發(fā)明直接帶來了第二次工業(yè)革命：電力革命。

于此同時，美國也有一位偉大的科學(xué)家約瑟夫·亨利，其實在法拉第實驗的同時，亨利也在干相同的事情：1829年，他對電磁鐵進(jìn)行了改進(jìn)，通過用電線代替鐵芯絕緣，他能夠在鐵芯周圍纏繞大量的電線，從而大大增加了磁鐵的功率，并制作了一個可以支撐 2,063 磅的電磁鐵，這是當(dāng)時的世界紀(jì)錄。在1931年，法拉第提出電磁感應(yīng)定律的同時，亨利也在著手建造一個超級電磁體。當(dāng)他還在選擇合適的實驗場地時，得知了法拉第實驗成功的消息。不過亨利也沒有放棄繼續(xù)研究電和磁的關(guān)系，在實驗中，亨利發(fā)現(xiàn)了自感應(yīng)現(xiàn)象：當(dāng)導(dǎo)體中的電流發(fā)生變化時，它周圍的磁場就隨著變化，并由此產(chǎn)生磁通量的變化，因而在導(dǎo)體中就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個電動勢總是阻礙導(dǎo)體中原來電流的變化，此電動勢即自感電動勢。這個自感應(yīng)想象就是電感的理論基礎(chǔ)：阻礙電流的變化。

為了致敬亨利的偉大發(fā)現(xiàn)，我們把電感的單位名為亨利（H）：如果電路中電流的變化率為每秒 1 安培，則電路的電感為 1 亨利，這導(dǎo)致電動勢為 1 伏。

電感的應(yīng)用

最常用的電感的應(yīng)用有兩種：自感和互感。

自感就是上文中提到了利用自感應(yīng)現(xiàn)象，自感是電路（通常是線圈）的特性，由于電流引起的磁效應(yīng)，電流的變化會導(dǎo)致該電路中的電壓發(fā)生變化。可以看出，自感適用于單個電路——換句話說，它是一個電感，通常在單個線圈內(nèi)。這種效果用于單線圈或扼流圈。

感應(yīng)電壓VL的大小等于線圈匝數(shù)乘以單位時間內(nèi)磁通量的變化量。

互感也是利用的電磁感應(yīng)原理，其中一個電路中的電流變化會導(dǎo)致第二個電路兩端的電壓發(fā)生變化，這是由于連接兩個電路的磁場的作用。這種效果用于變壓器。

無論時自感還是互感，只有交流電才能起作用，只有變化的電流產(chǎn)生的變化的磁場才能引起感應(yīng)電流，對于直流，電感就如同一個加長了的導(dǎo)線一樣。

導(dǎo)線的電感

對于交流電來說，無論導(dǎo)線的是一根直線或者是線圈，都存在電感。通常線圈用于電感器，因為線圈不同匝之間的磁場鏈接增加了電感并使導(dǎo)線能夠包含在更小的體積內(nèi)。對于大多數(shù)低頻應(yīng)用，直導(dǎo)線的電感可以忽略不計，但隨著頻率增加到 VHF 區(qū)域及以上，導(dǎo)線本身的電感會變得很大，并且互連需要保持較短以盡量減少影響。

可以使用計算來相當(dāng)準(zhǔn)確地計算導(dǎo)線的電感，但線圈的電感稍微復(fù)雜一些，并且取決于多種因素，包括線圈的形狀以及線圈內(nèi)部和周圍材料的常數(shù)。一般來說，可以根據(jù)麥克斯韋方程組的知識來計算電感。然而，所涉及的數(shù)學(xué)可能并不總是那么容易。除了這種高頻信號之外，還需要考慮趨膚效應(yīng)等方面，因為它會影響表面電流密度和磁場等問題，而這些可能涉及使用拉普拉斯方程。因此，可以應(yīng)用一些實際的簡化來提供更多可用的計算和方程來確定電感。例如，通常可以假設(shè)，在使用“細(xì)”導(dǎo)線的情況下，穿過導(dǎo)線的電流分布在導(dǎo)線的直徑上是恒定的，這本身就可以大大簡化計算導(dǎo)線的電感。

電感是電線和線圈的一個關(guān)鍵方面。電感是必不可少的特性，可在許多電路中發(fā)揮巨大作用。電感的電路符號

電感器的電路符號表示電感器的線圈性質(zhì)。有幾種格式表示電感器或變壓器是空芯還是磁芯。

雖然基本電感廣泛用于許多電路，但變壓器也用于許多應(yīng)用。變壓器的電路符號

電感器的類型實際電路中應(yīng)用的電感器按照不同的實現(xiàn)方式可以分為多種類型：一種是導(dǎo)線電感，結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低，但是頻率特性比較差；第二種是繞線電感，其中空心繞線電感的損耗最小，寄生電容也最小，陶瓷繞線電感的性能接近空心繞線電感，但是其結(jié)構(gòu)強度更好；鐵氧體磁芯繞線電感尺寸小，電感值大，損耗和頻率相關(guān)；印刷線層壓繞線電感成本低，但Q值也比較低。第三種是螺旋電感，微帶螺旋電感常用在MMIC中，通常使矩形的，但是圓形螺旋電感具有更好的高頻特性。

在射頻電路設(shè)計中，電感通常作為射頻扼流圈用在偏置電路中，射頻電抗很大，但是直流電阻很小，進(jìn)而起到阻斷射頻信號的功能。電感還可以用在做濾波器/諧振器的調(diào)諧元件中，以及阻抗匹配電路中。在實際設(shè)計中，要注意考慮電感的穩(wěn)定性，損耗特性，電抗精度以及自諧振頻率。還要考慮電感的寄生電容，Q值和電流容限。

上一信息：電感線圈基于磁場的應(yīng)用

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