TURUN AMMATTIKORKEAKOULU SUURTAAJUUSPIIRIEN PERUSTEET. Suurtaajuuspiirit. 230BS Henry Gylén

Transkriptio

1 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU SUURTAAJUUSPIIRIEN PERUSTEET 230BS Henry Gylén Suurtaajuuspiirit Tämän päivän tietoliikennelaitteissa tiedonsiirtonopeudet ovat huomattavasti korkeammat kuin vuotta sitten ja langattomien sovellutusten suosio on kasvanut melkein räjähdysmäisesti Niinpä yhä useampi elektroniikka-alalla työskentelevä joutuu tavalla tai toisella tekemisiin radiotekniikan (tai suurtaajuustekniikan) kanssa niin suunnittelussa kuin valmistuksessa Perinteisesti RF-tekniikka on ollut siihen erityisesti perehtyneiden suunnittelijoiden oma erikoissektori, jota tavallisen elektroniikan suunnittelijat ovat suorastaan karttaneet Vieroksumisen syynä voivat hyvinkin olla huonot kokemukset, joita asioita tuntemattomille helposti kertyy Tieto ja asioihin perehtyminen auttavat tähänkin pulmaan Tällä kurssilla valotetaan hieman, mistä RF-taitotiedossa oikein on kyse ja miten ainakin pahimpia ongelmia voidaan välttää Käsite korkea taajuus tai suurtaajuus (high frequency, HF) on suhteellinen samoin kuin raja elektroniikan käyttämien taajuuksien ja radiotaajuuksien (radio frequency, RF) välillä Taajuuden korkeana pitäminen on muuttunut vuosien ja vuosikymmenien saatossa kärsinyt eräänlaisen inflaation kun elektroniikan komponentteja on kehitetty toimimaan yhä suuremmilla taajuuksilla Matalien taajuuksien tai ns peruselektroniikan taajuusalue on laajentunut vähitellen kattamaan aiemmin selvinä radiotaajuuksina pidettyjä taajuuksia Niinpä tarkan rajan vetäminen matalien ja korkeiden taajuuksien välille on keinotekoista ja mahdotontakin Tässä monisteessa tarkastellaan ilmiöitä ja ominaisuuksia lähinnä VHF-taajuusalueella, joka käsittää taajuudet MHz Sitä voidaan pitää matalien RF-taajuuksien alueena Erilaiset ilmiöt ja käsitteet, jotka tässä tulevat esille, pätevät kyllä muillakin RF-alueilla (UHF, SHF jne), mutta taajuuksien kasvamisen myötä tarvitaan lisää sopivia tekniikoita Aluksi tarkastelemme yleisimpiä elektroniikassa käytettäviä komponentteja Näitä ovat johdin, vastus, kondensaattori ja kela Niillä on epäideaalisuuksia, joista taajuudesta riippuvat käyttäytymiserot johtuvat Lisäksi käymme läpi joitakin tärkeimpiä ominaisuuksia RF-piirilevyjen ja laitekoteloiden osalta Havaitsemme että monet peruselektroniikassa hyväksi havaitut suunnittelu- ja toteutustavat eivät olekaan käyttökelpoisia RF-taajuuksilla Myös mittalaitteet ja laitteille asetettavat suoritusvaatimukset poikkeavat peruselektroniikan käyttämistä Niinpä RFsuunnittelijan onkin osattava paitsi piirin suunnittelu ja mittaaminen sekä sopivien komponenttien valikoiminen, myös piirilevy- ja mekaniikkasuunnittelun toimivat ratkaisut

2 Hajareaktanssit Piiriteoriassa analysoidaan sähköisiä piirejä yleensä niiden impedanssien avulla Näiden elementtejä on kolmenlaisia: resistiiviset, induktiiviset ja kapasitiiviset Ideaalinen vastus, kondensaattori ja kela edustavat kukin yhtä näistä Käytännön komponenteissa nämä ideaaliset ominaisuudet hallitsevat matalilla taajuuksilla, mutta komponentin rakenteesta, koosta, materiaalista yms riippuen muut elementit korostuvat taajuuden kasvaessa Näitä ei-haluttuja reaktansseja kutsutaan hajareaktansseiksi, sillä ne ovat hajautuneet kaikkialle piirin rakenteisiin Riittävän korkeilla taajuuksilla useat komponentit toimivat aivan toisin kuin matalilla taajuuksilla Kun suunnitellaan piiriä matalille taajuuksille, voidaan rakentaa testipiiri vaikka kytkentäalustalle ja yhdistää samaan solmupisteeseen kuuluvat komponentit kytkentälangoilla Tällainen rakennelma esim ULA-radion taajuuksille on valmiiksi tuomittu epäonnistumaan Miksi se selviää myöhemmästä tekstistä Hajainduktanssi Kun virta kulkee johtimessa, sen ympärille muodostuu magneettikenttä Tämä kenttä vastustaa virran muutoksia, joita AC-virrassa tapahtuu taajuuden tahdissa Tätä ominaisuutta kuvataan induktanssilla (L) Induktanssia syntyy aina ja joka paikkaan, missä virta kulkee: komponenttien jalkoihin, piirilevyn johtimeen, kytkentälankaan, jne Tällaista induktanssia kutsutaan hajainduktanssiksi (parasitic / stray inductance) erotukseksi erityisen kelan (keskitetystä) induktanssista Em kohteissa sen arvo on keskimäärin 1 nh/mm Koska induktanssista aiheutuva reaktanssi riippuu suoraan verrannollisesti taajuudesta (X = wl), tulee sen vaikutus esiin vasta kun taajuus on riittävän korkea Matalilla taajuuksilla siitä ei tarvitse yleensä välittää Hajainduktanssi aiheuttaa siis suurilla taajuuksilla signaalireitin tukkeutumista kasvattamalla sarjaimpedanssia Nyrkkisääntö: Hajainduktanssi on 1 nh/mm Hajakapasitanssi Kapasitanssi kuvaa kykyä varausten ylläpitämiseen tietyllä jännitteellä (C = Q/U) Sen muodostumiseen tarvitaan varautuvia alueita, siis johdinpintoja, joiden välinen jännite-ero näkyy kapasitanssina Levykondensaattorin kaavasta C = ea/d nähdään, miten fyysiset mitat ja väliaine vaikuttavat kapasitanssin arvoon e on väliaineen permittiivisyys eli sähköinen tiheys (tunnetaan myös dielektrisyysvakiona) Tyhjiössä e o = 8, F/m, väliaineissa e = e r e o Piirirakenteisiin syntyy hajakapasitanssia, jota voimme arvioida edellisen kaavan avulla Signaalitien ja maapintojen väliin syntyy kapasitanssia, joka oikosulkee signaalia maahan RF-piireissä maa-alueet pyritään tekemään melko suuriksi, jotta ne olisivat kauttaaltaan samassa potentiaalissa Pieniä hajallaan olevia maa-alueita yhdistävät kannakset ovat yleensä liian induktiivisia Turhan kapasitanssin välttämiseksi signaalitielle ei pidä tehdä suuria pintoja Myös mahdollisen metallikotelon seinät ja kansi edustavat yleensä maapotentiaalia, ja niiden etäisyys on pidettävä riittävän suurena signaalitiestä Hajakapasitanssia syntyy myös

3 sarjakomponenttien yli potentiaalieron mukaan Tällöin kapasitanssi pyrkii oikosulkemaan komponentin RF-taajuuksilla eli signaali ohittaa jossain määrin komponentin Sanonta kuuluukin, että RF-signaali valitsee helpoimman reitin (= matalimman impedanssin) eikä mene sieltä mistä haluaisimme Suora lanka suurtaajuudella Kun virta kulkee johtimessa, sen ympärille muodostuu magneetti- ja sähkökenttä Kentät pakottavat johteen elektronit aivan ulkopintaan Tämä ilmiö tunnetaan nimellä pintailmiö (skin effect) Valtaosa (63%) elektroneista kulkee kerroksessa jonka paksuutta kutsutaan tunkeutumissyvyydeksi d s (skin depth) d s = p 1 f ms Kaavassa muuttujia ovat taajuus f, magneettinen tiheys m (permeabiliteetti) sekä johteen johtavuus s (kuparin johtavuus on 5, /Wm ja m = 12, H/m) Kuparissa tunkeutumissyvyys on VHF-alueella 4 12 mm Virta joutuu siis kulkemaan sangen pienessä osuudessa koko johtimesta Tästä ahtautumisesta aiheutuu johdon resistanssin kasvu taajuuden funktiona Voidaan ajatella resistanssin kasvavan DC-arvosta koko poikkipinta-alan suhteessa tunkeutumissyvyyden tarjoamaan poikkipinta-alaan nähden Seuraavaan taulukkoon on laskettu kuparin tunkeutumissyvyys sekä edellä esitetyllä perusteella 1 mm paksuisen ja 1 m pituisen kuparilangan AC-resistanssi muutamilla taajuuden arvoilla Sen DC-resistanssi on 22 mw ja poikkipinta-ala 0,785 mm 2 f d s A AC [mm 2 ] R AC 1 khz 2,1 mm 0, mw 10 khz 0,66 mm 0, mw 100 khz 0,21 mm 0,52 33 mw 1 MHz 66 mm 0,19 91 mw 10 MHz 21 mm 0, mw 100 MHz 6,6 mm 0, mw 1 GHz 2,1 mm 0,006 2,8 W 10 GHz 0,66 mm 0, W Nämä esille tulleet ilmiöt pitää ottaa huomioon suurtaajuuspiirien suunnittelussa, jotta vältettäisiin turhien harjoituskappaleiden tekeminen Hajainduktanssit pyritään minimoimaan käyttämällä komponenteissa lyhyitä jalkoja tai mieluummin pintaliitoskomponentteja sekä lyhyitä etäisyyksiä näiden välillä Myös maaalueiden tukevuus on tärkeää, mikä tarkoittaa että maa-alue on mahdollisimman yhtenäinen eikä missään kohtaa ole kapeita induktiivisia eri alueita yhdistäviä kannaksia DC-maa syntyy, kunhan alueiden välillä on joku galvaaninen yhteys (johdekontakti), mutta RF-maa toimii vasta, kun koko maa-alue on tosiaan samaa potentiaalia Samoin maan tulee olla kunnolla yhteydessä esimerkiksi

4 signaaliliittimien maahan ja mahdolliseen metallikoteloon Hajakapasitanssien kannalta edullista on pitää pinta-alat pieninä piirilevyn signaalireitillä Jalallinen vastus Jalallisia vastuksia valmistetaan eri tavoin: vastusmassasta, hiili- sekä metallikalvosta ja ohuesta metallilangasta Niiden tarkemmat hajareaktanssit riippuvat rakenteesta, mutta yleiskuvan antaa vastinkytkennän perusmalli Siinä merkittävimmät tekijät muodostavat jalkojen induktanssi ja itse vastuksen yli syntyvä kapasitanssi R L 1 2 C Jalkojen induktanssi riippuu suoraan niiden pituudesta Tyypillisesti vastuksen kummallakin puolella on lankaa noin 1cm, jolloin induktanssia kertyy yhteensä 20 nh Kapasitanssi on tavallisesti n 1-2 pf Ns lankavastukset ovat kuitenkin erityisen induktiivisia rakenteensa takia Niitä käytetään lähinnä DC-piireissä tarkkuusvastuksina Analysoimalla mallia huomataan, että suurilla taajuuksilla kapasitanssi oikosulkee vastuksen, mutta samalla induktanssi kasvattaa kokonaisimpedanssin suureksi Vastus menettää siis taajuuden kasvaessa resistiivisen merkityksen ja muuttuu (huonoksi) kelaksi Tarkempi analyysitulos riippuu vastuksen sekä L:n ja C:n arvosta Esim 10 kw vastus oikosulkeutuu 1 pf:n kapasitanssilla jo 16 MHz:n taajuudella niin, että todellinen R on pudonnut puoleen Mitä suurempi R on, sitä matalammalla taajuudella tämä tapahtuu Jalalliset vastukset soveltuvat edellä esitetyn perusteella huonosti RF-taajuuksilla käytettäviksi Jo muutamalla MHz:llä kannattaa lyhentää jalat mahdollisimman lyhyiksi Piirilevylle asennuksessa on kuitenkin omat sääntönsä jalkojen pituuden suhteen, joten tuotannossa valmistettavissa RF-piireissä ei jalallisia vastuksia käytetä lainkaan Chip- eli palavastus Palavastuksen runkona on keramiikkapala, jonka pinnalle levitetään sopivaa vastusmassaa nauhaksi Nauhan materiaali ja leveys on valittu niin että aluksi saavutetaan hieman tavoitetta pienempi resistanssi Nauhaan tehdään säätövaiheessa laserilla lovi, jolloin kapean kohdan resistanssi kasvaa ja samoin koko nauhan Palan päihin tehdään juottamista varten metalliset kontaktipäädyt ja itse vastusosa päällystetään eristeellä RF-malli muodostuu itse resistanssin lisäksi nauhan induktanssista ja päätyjen välisestä kapasitanssista Induktanssi on noin 0,5 2 nh riippuen palan koosta ja kapasitanssi noin 0,05 0,1 pf

5 L 1 2 R C Palavastus käyttäytyy RF-taajuuksilla hieman eri tavalla kuin jalallinen vastus Kapasitanssi alkaa oikosulkea koko komponenttia ja hallitsee korkeilla taajuuksilla Vastusarvosta riippuen impedanssi muuttuu aluksi induktiiviseksi (pienillä R:llä) tai suoraan kapasitiiviseksi (suurilla R:llä) Puhtaana resistanssina se säilyy parhaiten noin 100 W:lla Suurilla taajuuksilla se on lähes pelkkä kondensaattori Jalallinen kondensaattori Rp Rs L 1 2 C Kondensaattorin epäideaalisuudet koostuvat johtimien induktanssista L ja häviöistä R s sekä eristeen vuotovastuksesta R p (siis äärellisestä resistiivisyydestä) Rinnalla oleva R p voidaan muuntaa ekvivalentiksi sarjahäviöksi ja yhdistää R s :ään ESR:ksi (equivalent series resistance), jolloin saadaan seuraavanlainen yksinkertaistettu sijaiskytkentä: ESR L 1 2 C

6 Kokonaisimpedanssi muodostuu nyt lausekkeena: Z = ESR + jwl + 1/jwC = ESR + j(wl 1/wC) = ESR j(1/wc wl) Reaktanssi sisältää siis halutun kapasitanssin lisäksi vastakkaismerkkisen induktiivisen osuuden Tämä lähinnä jaloista aiheutuva induktanssi saa taajuuden kasvaessa reaktanssin pienentymään nopeammin kuin ideaalisella kondensaattorilla tapahtuisi Tällöin kapasitanssi näyttää nimellisarvoa suuremmalta: 1/wC eff = 1/wC wl Poikkeama kasvaa aluksi taajuuden kasvaessa Tietyllä taajuudella f r syntyy ns omaresonanssi, jolloin kapasitiivinen ja induktiivinen osa ovat yhtä suuret ja kokonaisreaktanssi on nolla 1/w r C = w r L => f r = 1/(2pvLC) Tällä taajuudella Z = ESR ja siis pienimmillään Resonanssitaajuuden yläpuolella induktiivinen osuus on suurempi ja kokonaisreaktanssi siis positiivinen Voidaan sanoa, että kondensaattori muuttuu kelaksi, kuten käy jalalliselle vastuksellekin Chip-kondensaattorit Malli on muuten sama kuin jalalliselle kondensaattorille, mutta hajainduktanssia aiheutuu vain elektrodien osalta, jolloin L on huomattavasti pienempi Tyypillisesti L = 0,5 1 nh Kondensaattorien käyttörajoitukset taajuuden suhteen Suurtaajuuspiireissä kondensaattoreita tarvitaan mm DC-reitin katkaisuun (DCblock), häiriösuodatukseen (by-pass- eli ohituskondensaattorit) ja RFmaadoitukseen (kun signaalimaa on eri kuin DC-maa) Näiltä odotetaan matalaa (mieluiten nolla) impedanssia taajuudella, jolla kytkemisen pitää olla tehokasta Tällöin kondensaattorin resonanssitaajuus on toimivin eli resonanssista voi olla hyötyäkin DC-katkon ja RF-maadoituksen tapauksessa resonanssi halutaan näin ollen signaalitaajuudelle ja ohituskondensaattorilla häiriön taajuudelle On siis arvioitava, mikä kapasitanssiarvo resonoi sopivasti käytetyllä kotelotyypillä Jos halutaan esim RF-maadoitus isommalla kaistalla, voidaan kytkeä rinnakkain erilaisia kondensaattoreita, joilla on hieman toisistaan poikkeavat resonanssitaajuudet Ideaalisilla kondensaattoreilla paras arvo näihin tarkoituksiin olisi mahdollisimman (äärettömän) suuri C, mutta induktanssin takia sellainen olisi todellisuudessa käyttökelvoton Toinen käyttökohderyhmä ovat suodattimet ja resonanssipiirit Niiden toiminta perustuu tarkkoihin impedansseihin ja komponenttien arvoihin, jotka saadaan

7 laskemalla mitoitusperiaatteiden mukaan Tarvitaan siis tarkkoja kapasitansseja, arvoja jotka tunnetaan Edellä todettiin, miten hajainduktanssi saa todellisen kapasitanssin kasvamaan resonanssitaajuuden alapuolella (siis impedanssin putoamaan ideaalista kondensaattoria nopeammin) ja muuttuu hallitsevaksi ominaisuudeksi tämän yläpuolella (jolloin impedanssi taas kasvaa, toisin kuin ideaalisella) Tämän perusteella kondensaattorit kelpaavat suodattimiin ja resonaattoreihin vain, kun niiden omaresonanssitaajuus on selvästi suurempi kuin piirin toimintataajuus Mitään tarkkaa rajaa ei voi vetää, mutta voidaan arvioida, että omaresonanssin tulisi olla vähintään kaksinkertaisella taajuudella mieluummin paljon korkeammalla Tämän sovellusryhmän piireihin voidaan RF:llä käyttää siis vain kapasitanssiltaan riittävän pieniä arvoja VHF-taajuuksilla tämä tarkoittaa <<1 nf:n kapasitansseja Piiriä suunniteltaessa voidaan tietysti mallintaa induktanssin vaikutus ja löytää siten sopiva kapasitanssi Jalalliset komponentit häviävät tässäkin chipeille kuten vastuksien tapauksessa sillä niiden hajainduktanssi on moninkertainen ja siitä syystä omaresonanssitaajuus paljon matalampi Kapasitanssithan eivät ole tarkkoja koskaan, ja piirisuunnittelija voikin joutua etsimään tarkoitukseen sopivaa kondensaattoria kokeilemalla Esim Jalallinen kondensaattori, C = 1 nf, L = 20 nh: f r = 36 MHz Tätä voidaan käyttää suodattimeen MHz alueella Chippinä 1 nf:n resonanssitaajuus on noin 4 6-kertainen, noin MHz, jolloin se kelpaa suodattimiin 50 MHz:iin tai jopa 100 MHz:iin saakka Ohessa on Philipsin palakondensaattoreiden mittaustuloksia, joista näkyy impedanssi taajuuden funktiona sekä resonanssitaajuus kapasitanssin funktiona

8 Kondensaattorin Q Reaktiivisten komponenttien häviöllisyyttä mitataan Q-arvolla (quality factor, hyvyysluku) Se tarkoittaa reaktanssin ja häviöiden suhdetta, Q = X/ESR VHFalueella tavallistenkin kondensaattoreiden Q > 100 ja niitä voidaan pitää suhteellisen hyvinä UHF-alueella joihinkin vaativampiin kohteisiin käytetään ns high-q-kondensaattoreita, jotka ovat tietysti selvästi kalliimpia Q-arvo vaikuttaa esim signaalin vaimennukseen Kelat Hajareaktanssien esittelyn yhteydessä todettiin suoran langan induktanssin olevan tyypillisesti noin 1 nh/mm Suoralla langalla on kuitenkin epäkäytännöllistä toteuttaa useimmin tarvittavia induktanssiarvoja, koska langasta tulisi pitkä ja vaikeasti sijoitettava komponentti Kelan tilantarve saadaan pienemmäksi ja induktanssi isommaksi kiertämällä lanka lähekkäisiksi silmukoiksi, jolloin virran synnyttämä magneettikenttä ulottuu useisiin silmukoihin ja tämän vaikutus tehostuu Kun kierrokset ovat aivan kiinni toisissaan, ilmakelan induktanssi on noin 1,5 nh/mm langan pituuden mukaan Ilmakela on käytännöllinen komponentti esim suodattimessa, koska sen L säätyy pienemmäksi kierroksia loitontamalla Kirjallisuudesta löytyy erilaisia kaavoja induktanssin laskemiseksi Induktanssi saadaan vielä suuremmaksi asettamalla kelan keskelle kelasydän, jolloin L riippuu vain kierrosten määrästä ja sydänmateriaalista, ei kierrosten välimatkasta Esim Ilmakelan N = 10 kierrosta ja halkaisija 5 mm Lankaa on silloin 10x5xp = 157 mm + jalat ja induktanssi on noin 157mmx1,5nH/mm + jalat 1nH/mm = 250 nh, kun kierrokset ovat kiinni toisissaan Avaamalla kierroksia L putoaa % ja tällä kelalla saadaan alueeksi nh Ilmakelan RF-malli koostuu L:n lisäksi langan häviöistä R ja kierrosten välisistä kapasitansseista, jotka voidaan VHF-alueella koota yhdeksi C:ksi L 1 2 R C Malli on siis samannäköinen kuin chip-vastuksella, mutta L on tässä hallitseva ja R pieni, tyypillisesti << 1 W Kapasitanssi riippuu kierrosten koosta, lukumäärästä ja etäisyydestä, tavallisesti C = 0,1 1 pf Ideaalisen kelan reaktanssi kasvaa suoraan verrannollisena taajuuteen Kapasitanssi aiheuttaa resonanssin taajuudella f r = 1/(2pvLC), jolloin reaktanssi on hyvin suuri Resonanssia matalammilla taajuuksilla reaktanssi kasvaa ideaalista nopeammin ja kapasitanssi saa siis induktanssin näyttämään suuremmalta Resonanssin yläpuolella kapasitanssi hallitsee ja kelasta tulee (huono) kondensaattori

9 Kelojen käyttö Keloja käytetään kondensaattoreiden kanssa suodattimissa ja resonanssipiireissä Niiden pitää olla lasketun kokoisia induktiivisia reaktansseja Koska ilmakelojen L on joka tapauksessa säädettävä kohdalleen, ei hajakapasitanssin vaikutus tule häiritseväksi, kunhan toimitaan resonanssitaajuuden alapuolella Kapasitanssi rajoittaa siis kelan kokoa ja taajuusaluetta Kierrosten avaaminen pienentää kapasitanssia nopeasti, joten ilmakela kannattaa aina mitoittaa niin, että kierrosten kiinni ollessa L on liian suuri Avatun kelan resonanssitaajuus on selvästi korkeampi ja niin ollen käyttötaajuusalue suurempi Toinen käyttösovellus on kuristin (RF choke) Se toimii täsmälleen päinvastoin kuin DC-katkokondensaattori Sen tehtävänä on läpäistä DC-virta ja estää RFsignaali Tähän tarvitaan RF-taajuudella riittävän suuri impedanssi Resonanssitaajuuden ympäristö sopii siis parhaiten DC:llähän kela on oikosulku Kuristimia käytetään esim transistorien toimintapisteen (DC-jännite ja virta) asetteluun, jolloin RF-signaalin ei haluta kuormittuvan näistä biasointipiireistä Kelan Q Kelan Q-arvo nousee taajuuden funktiona matalilla taajuuksilla, mutta romahtaa lähestyttäessä omaresonanssia Paras Q-arvo saavutetaan, kun: - käytetään paksua lankaa (jolla on pieni R) - hopeoidaan lanka (pintailmiö) - kelan pituus = paksuus - kierrokset pidetään erillään (C pieni, f r suuri)

10 Kelasydämet Ilmakelalla suurten induktanssien toteuttaminen vaatii paljon suuria kierroksia, jolloin resonanssitaajuus muodostuu matalaksi VHF-alueella käyttökelpoisten ilmakelojen induktanssi jää selvästi alle 1 mh:n Kelasydämet on valmistettu magneettisista materiaaleista, jotka keskittävät magneettikenttää tiheämmäksi Niiden avulla saadaan suuria induktansseja vähillä lankakierroksilla, jotka lisäksi saavat olla etäällä toisistaan Tällöin hajakapasitanssi jää erittäin pieneksi ja omaresonanssitaajuus korkeammaksi Sydänkelan Q-arvo on suurempi kuin ilmakelan, koska lanka on lyhyempi ja niin ollen resistanssi pienempi Lisäksi resonanssitaajuus on korkeampi Huonona puolena sydänten häviöt kasvavat nopeasti taajuuden funktiona (Q-arvokin alkaa pienentyä) ja magneettiset ominaisuudet katoavat Joidenkin sydänmateriaalien m r on jo VHF-alueella lähes 1, jolloin jäljellä on muutaman kierroksen varsin pieni induktanssi Ilmakelan magneettikenttä ulottuu kauas suhteellisen voimakkaana, jolloin lähistön johtimiin indusoituu melko voimakas signaalivirta Kelojen keskinäisen kytkennän välttämiseksi ilmakelat on sijoiteltava riittävän etäälle toisistaan tai käytettävä metalliseiniä välissä Kohtisuoraan toisiinsa nähden olevat kelat kytkevät heikommin kuin samansuuntaiset Toroidisydän (renkaan muotoinen) on erityisen sopiva, sillä toroidikelan kenttä on lähes kokonaan sydämessä, ja niitä voidaan sijoittaa toistensa lähelle piirilevylle vapaammin kuin ilmakeloja Esimerkiksi 35 mh:n ilmakelaan tulee 90 kierrosta, kun halkaisija on tuuman neljäsosa Toroidi, jonka m r = 2500, tarvitsee vain 8 kierrosta lankaa samaan induktanssiin Pintaliitoskela Keloja valmistetaan myös pintaliitoskomponentteina, joissa keraamisen tai magneettisen rungon ympärille on käämitty erittäin ohutta lankaa ja suojattu lakalla Pienet induktanssit on tehty langoitettu yksikerrosrakenteella, jolloin ne muistuttavat ominaisuuksiltaan ilmakelaa Joissakin yksilöissä saattaa kuitenkin olla jokin kierros mennyt päällekkäin toisen kanssa, jolloin kapasitanssi ja resonanssitaajuus poikkeavat selvästi muista yksilöistä Koska hajakapasitanssi kasvattaa induktanssin tehollista arvoa, sotkee tällainen erilainen kela esimerkiksi suodattimen vasteen