由于當(dāng)前無線技術(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元件在射頻產(chǎn)品設(shè)計中的作用。大體積利用率(設(shè)備微型化)，高可靠性和高射頻性能對無線技術(shù)是絕對必須的，所以射頻片狀電容極為適用于無線技術(shù)。 
　 
設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 

ATC陶瓷片狀電容在無線設(shè)計中最常用到的是多層(MLC)和單層(SLC)電容兩種。MLC使用多個電極或叫疊層電極，而SLC只用由電介質(zhì)隔開的兩個電極。 

MLC和SLC按以下標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計： 

• 陶瓷電介質(zhì) 
• 堅固密封結(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 
   　  
為射頻無線電路選擇陶瓷片狀電容時，首先要建立電路全面性能指標(biāo)。然后，每個元件要滿足它的特定應(yīng)用的要求。一個典型的電路元件性能要求清單可以包括： 

6; 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)時間內(nèi)容值減少的％) 

性能 
  　   
理想電容器將其所有能量儲存在電介質(zhì)中。而實際電容總有一些串聯(lián)電阻，在設(shè)計時必須予以考慮。 

這些串聯(lián)電阻叫做等效串聯(lián)電阻(ESR)，是設(shè)計射頻電路時不可忽視的重要因素之一。ESR的來源是介質(zhì)損耗，電極和終端金屬材料的損耗。整個生產(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主要來自介質(zhì)損耗。在射頻下，ESR主要來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嚴(yán)重，并以和頻率平方根成正比的方式增長。 

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測量通常只在30MHz和1GHz之間的幾個頻率下進(jìn)行，因此設(shè)計者需要考慮在自己設(shè)計頻率下ESR究竟多大。例如，你設(shè)計的無線設(shè)備工作頻率是900MHz，而ESR值是在150MHz下測定的，你可以這樣計算900MHz下的ESR值： 

把150MHz下的ESR值乘以這個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)是一個顯示性能有多優(yōu)良的指標(biāo)，用于量測電容在其介質(zhì)中儲存能量的能力。因為Q＝Xc/ESR，所以很明顯低ESR可以獲得高Q。因為Q和ESR一樣隨頻率變化，Q值也必須在設(shè)計頻率下計算和測定。 

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。這時耗散損失小于0.01％，對射頻電路達(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： 
ESR=XcDF=Xc/Q. 
DF=ESR/Xc 
Q=Xc/ESR 

寄生參數(shù)的影響 

無線技術(shù)設(shè)計應(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，可以用于無線設(shè)計中的片式電容。使用這一模型可以幫助設(shè)計者確定諸如串聯(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為自己的電容測定了S參數(shù)數(shù)據(jù)，以軟盤方式提供。 

上述級間耦合電容例子中，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)計模擬軟件合用，通常表示為一個兩端口系統(tǒng)的前向和反向測量結(jié)果，稱為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對比了同一電容型號水平和垂直安裝時的不同S參數(shù)。 

S21的相位為零時的頻率就是串聯(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)過零度。這時的頻率就是每個并聯(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，電容容值可以下式計算： 

C＝0.159/   
100(F) 
其中，F(xiàn)為頻率。 








本文作者：Richard Fiore 
ATC高級應(yīng)用工程師，射頻測試實驗室經(jīng)理 
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