由于當(dāng)前無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，元件性能變得更加重要。本文討論陶瓷片狀電容以幫助讀者了解此類(lèi)元件在射頻產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用。大體積利用率(設(shè)備微型化)，高可靠性和高射頻性能對(duì)無(wú)線技術(shù)是絕對(duì)必須的，所以射頻片狀電容極為適用于無(wú)線技術(shù)。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

ATC陶瓷片狀電容在無(wú)線設(shè)計(jì)中最常用到的是多層(MLC)和單層(SLC)電容兩種。MLC使用多個(gè)電極或叫疊層電極，而SLC只用由電介質(zhì)隔開(kāi)的兩個(gè)電極。
MLC和SLC按以下標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)：
· 陶瓷電介質(zhì)
· 堅(jiān)固密封結(jié)構(gòu)
· 優(yōu)化電極形式
· 低阻電極和終端材料
· 高介質(zhì)強(qiáng)度
· MLC電極和終端之間有阻擋層保護(hù)
· 適于直接表面安裝于微帶
· 溫度和濕度變化時(shí)性能極為穩(wěn)定
· 極高Q值
· 低損耗

選擇合適的電容

為射頻無(wú)線電路選擇陶瓷片狀電容時(shí)，首先要建立電路全面性能指標(biāo)。然后，每個(gè)元件要滿足它的特定應(yīng)用的要求。一個(gè)典型的電路元件性能要求清單可以包括：
· 容值(pF)
· 精度(%)
· 額定電壓(WVDC,VRMS)
· 等效串聯(lián)電阻(ESR)
· 溫度系數(shù)(TC,PPM/°C)
· 耗散系數(shù)(%)
· 串聯(lián)諧振頻率(Fsr)
· 并聯(lián)諧振頻率(Fpr)
· 絕緣電阻(IR)
· 介質(zhì)老化效應(yīng)(每十進(jìn)時(shí)間內(nèi)容值減少的％)

性能

理想電容器將其所有能量?jī)?chǔ)存在電介質(zhì)中。而實(shí)際電容總有一些串聯(lián)電阻，在設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮。

這些串聯(lián)電阻叫做等效串聯(lián)電阻(ESR)，是設(shè)計(jì)射頻電路時(shí)不可忽視的重要因素之一。ESR的來(lái)源是介質(zhì)損耗，電極和終端金屬材料的損耗。整個(gè)生產(chǎn)流程的每一步都要妥善控制才能達(dá)到最佳ESR性能。在幾赫到幾千赫的低頻下，ESR主要來(lái)自介質(zhì)損耗。在射頻下，ESR主要來(lái)自電極和終端的金屬損耗。由于金屬的趨膚效應(yīng)，這種損耗在射頻下變得很?chē)?yán)重，并以和頻率平方根成正比的方式增長(zhǎng)。

多數(shù)制造商在特定頻率下以毫歐姆為單位表示ESR。最常用標(biāo)準(zhǔn)是EIA RS483和MIL-C-55681。ESR測(cè)量通常只在30MHz和1GHz之間的幾個(gè)頻率下進(jìn)行，因此設(shè)計(jì)者需要考慮在自己設(shè)計(jì)頻率下ESR究竟多大。例如，你設(shè)計(jì)的無(wú)線設(shè)備工作頻率是900MHz，而ESR值是在150MHz下測(cè)定的，你可以這樣計(jì)算900MHz下的ESR值：

把150MHz下的ESR值乘以這個(gè)ESR和頻率的關(guān)系式在射頻下相當(dāng)準(zhǔn)確，而且指出了趨膚效應(yīng)的作用(趨膚深度和頻率平方根成反比)。ESR是電容的主要損耗來(lái)源，電容的功率損耗即可由ESR確定：P＝I2 *ESR。

質(zhì)量因數(shù)(Q)是一個(gè)顯示性能有多優(yōu)良的指標(biāo)，用于量測(cè)電容在其介質(zhì)中儲(chǔ)存能量的能力。因?yàn)镼＝Xc/ESR，所以很明顯低ESR可以獲得高Q。因?yàn)镼和ESR一樣隨頻率變化，Q值也必須在設(shè)計(jì)頻率下計(jì)算和測(cè)定。

 例如：損耗角＝3度

因而DF＝Tan3=0.05或5％。這意味著電容總功率的5％作為熱損耗掉了。見(jiàn)圖1。

ATC100系列陶瓷片狀電容的損耗正切小于0.0001，因此Q值大于10000。這時(shí)耗散損失小于0.01％，對(duì)射頻電路達(dá)到最佳性能十分有利。使用高Q，低ESR(DF)電容能顯著提高有效增益。使用低損耗電容也能大大提高便攜設(shè)備的電池壽命。ESR，DF和Q可以用以下關(guān)系式很容易地聯(lián)系起來(lái)：
ESR=XcDF=Xc/Q.
DF=ESR/Xc
Q=Xc/ESR

寄生參數(shù)的影響

無(wú)線技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用需要注意的另一點(diǎn)是電抗元件寄生參數(shù)的作用。用等效電路的元件可以模擬電容，并解釋其寄生效應(yīng)。圖2是電容的集總元件模型，可以用于無(wú)線設(shè)計(jì)中的片式電容。使用這一模型可以幫助設(shè)計(jì)者確定諸如串聯(lián)諧振頻率(Fsr)，等效串聯(lián)電感(ESL)和傳輸函數(shù)等特性。

設(shè)計(jì)者需要分別考慮電容不同的功能應(yīng)用，例如耦合，旁路和定時(shí)等，然后決定電容在電路中的接法。例如，某種應(yīng)用中需要電容作級(jí)間耦合。散射參數(shù)能更深入地了解寄生效應(yīng)。ATC為自己的電容測(cè)定了S參數(shù)數(shù)據(jù)，以軟盤(pán)方式提供。

上述級(jí)間耦合電容例子中，必須分析電容的S參數(shù)性能。如果該電容在工作頻帶附近發(fā)生并聯(lián)諧振，它將衰減射頻能量，而不起設(shè)計(jì)者希望的耦合作用。S參數(shù)數(shù)據(jù)展示各種特性，例如并聯(lián)諧振，串聯(lián)諧振，插入損耗，插入相位，折返損耗的幅度和相位。全套S參數(shù)可與設(shè)計(jì)模擬軟件合用，通常表示為一個(gè)兩端口系統(tǒng)的前向和反向測(cè)量結(jié)果，稱(chēng)為S2P文件。

元件取向

片狀電容常以表面黏著方法安裝于微帶線上。安裝方式可以是電極平面平行或垂直于微帶平面。在上述電容耦合例子中， 確保并聯(lián)諧振不在工作頻帶附近發(fā)生至關(guān)重要。

將電容垂直安裝，即電極平面與微帶平面垂直，可消除第一并聯(lián)諧振，從而顯著擴(kuò)大可用通帶帶寬。圖3對(duì)比了同一電容型號(hào)水平和垂直安裝時(shí)的不同S參數(shù)。

S21的相位為零時(shí)的頻率就是串聯(lián)諧振頻率。在此頻率下S21幅值最小，等于ESR。

并聯(lián)諧振表現(xiàn)為S21幅值猛烈衰減，S21相位迅速經(jīng)過(guò)零度。這時(shí)的頻率就是每個(gè)并聯(lián)諧振的頻率。垂直安裝優(yōu)化了并聯(lián)諧振性能。

以50歐姆向量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量未知電容的S21幅值，當(dāng)改變頻率使S21幅值降到峰值的一半(即3dB點(diǎn))時(shí)，電容容值可以下式計(jì)算：
C＝0.159/100(F)
其中，F(xiàn)為頻率。

Richard Fiore
ATC高級(jí)應(yīng)用工程師，射頻測(cè)試實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理
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