對于許多大功率射頻應用而言，嵌入式電容器的“Q 因子”是電路設計中最重要的特性之一。這包括蜂窩/電信設備、MRI 線圈、等離子發(fā)生器、激光器和其他醫(yī)療、軍事和工業(yè)電子產(chǎn)品等產(chǎn)品。

　　通常以數(shù)學公式表示，Q 因數(shù)代表給定電容器的能量損失率方面的效率。理論上，一個“完美”的電容器不會表現(xiàn)出任何損耗并且會釋放全部能量轉(zhuǎn)移，但在現(xiàn)實世界中，電容器總是表現(xiàn)出一些有限量的損耗。盡管市場上有許多高 Q 電容器，但性能可能會因設計和制造質(zhì)量而有很大差異。

　　這種能量損失越高，電容器內(nèi)產(chǎn)生的熱量就越多，必須消散或冷卻。對于低功率應用，這種熱量是微不足道的。然而，對于更高功率的應用，這種發(fā)熱可能很大。如果溫度顯著升高，可能會損壞附近的組件，在極端情況下，還會損壞電路板上的零件。

　　盡管許多低功率應用不需要考慮電容器的 Q 因子，但在較高頻率下能量損失會顯著增加，從而導致其他性能問題，即使在低功率電路中也是如此。降低的接收器靈敏度和鏈路預算有時可能與更高損耗的電容器相關(guān)。

　　出于這個原因，大功率射頻應用通常需要高 Q 電容器，其特點是具有超低等效串聯(lián)電阻 （ESR）。除了最大限度地減少能量損失外，高 Q 電容器還降低了由 ESR 引起的熱噪聲，以幫助維持所需的信噪比。

　　您的表現(xiàn)可能會有所不同

　　盡管它在射頻電子產(chǎn)品中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但并非所有的高 Q 電容器都是一樣的。事實證明，高 Q 電容器的性能實際上是相對的，在設計、制造、質(zhì)量控制甚至性能測試類型的基礎(chǔ)上變化很大。進一步攪渾水的是，制造商使用許多術(shù)語來指代他們的高 Q 電容器，包括“高 Q 值”、“超高 Q 值”、“低損耗”和“射頻電容器”。

　　“在許多方面，‘高 Q’ 是一個相對術(shù)語，”生產(chǎn)各種多層陶瓷電容器 （MLCC） 的公司 Johanson Technology 的 Scott Horton 說?！八坪趺總€ ［電容器］ 制造商都有高 Q 產(chǎn)品，但電路中部件的性能可能大不相同。”

　　為了區(qū)分選擇，大多數(shù) MLCC 電容器在線發(fā)布 ESR 性能值。然而，Horton 表示，應該對電容器制造商的性能聲明抱有懷疑態(tài)度。

　　ESR 測試在實驗室環(huán)境中進行，通常通過以下兩種方法之一得出：使用矢量網(wǎng)絡分析儀 （VNA） 或諧振線。然而，這些數(shù)據(jù)的準確性受到這些系統(tǒng)的設置和校準的限制。在網(wǎng)絡分析儀上測量電容器 Q 時，配置和校準對于確保收集到有意義的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。并非所有對 VNA 的測量都同樣有效；事實上，校準不佳的 VNA 會產(chǎn)生非常不準確的結(jié)果。

　　測試電容器 Q 值的更可靠方法是成熟的“諧振線”系統(tǒng)；幾十年來，Boonton 34A 諧振線一直是業(yè)界的事實標準。

　　Johanson Technology 等公司在線發(fā)布來自 Boonton 34A 諧振線的 ESR 性能數(shù)據(jù)。由于這種方法取決于信號發(fā)生器的頻率精度和非常穩(wěn)定的諧振線路，因此可以以可隨時間重復的極高精度進行測量。

　　“我無法評論一些電容器制造商最終如何得出他們發(fā)布的值，但是當我將電容器放在符合 mil 標準的諧振線路上，并并排測試這些部件時A/B 比較測試，我們看到與他們公布的數(shù)據(jù)存在顯著差異。我會相信這些相對的結(jié)果，”霍頓說。

　　一致的制造，層數(shù)

　　影響高 Q 電容器 ESR 的另一個方面是制造過程的質(zhì)量和一致性。

　　根據(jù)定義，MLCC 電容器由特殊配方的陶瓷介電材料疊層組成，其中散布著金屬電極系統(tǒng)。然后將層狀結(jié)構(gòu)在高溫下燒制以產(chǎn)生燒結(jié)且體積有效的電容裝置。導電終端屏障系統(tǒng)集成在芯片的暴露端以完成連接。

　　在 MLCC 中，電容主要由三個因素決定：陶瓷材料的 k、介電層的厚度、重疊面積和電極數(shù)量。因此，具有給定介電常數(shù)的電容器可以具有更多的層和更寬的電極間距，或者更少的層和更近的間距以實現(xiàn)相同的電容。

　　顯著改變 MLC 電容器的層數(shù)會顯著改變性能特征。因此，領(lǐng)先的電容器供應商嚴格控制每個部件的層數(shù)。不幸的是，這在行業(yè)中并不是一成不變的，一些供應商提供的產(chǎn)品具有相同的部件號，但層數(shù)可變。簡而言之，相同的零件編號可能具有顯著不同的設計，這可能導致電容器中出現(xiàn)不希望的阻抗變化。這些差異因供應商而異，甚至可以通過單一來源看到。

　　“如果 MLCC 制造商沒有嚴格控制層數(shù)，他們可能會在一批中提供 10 層部件，然后在隨后的批次中交付 17 層部件，”Horton 解釋道。這兩個部分在高頻下的表現(xiàn)不同。

　　當原始設備制造商通過從多家工廠購買的經(jīng)銷商進行采購時，性能變化的另一個原因會發(fā)生。在這種場景下，不同的工廠有不同的設計，具有不同的高頻性能。因此，這些產(chǎn)品來自不同的制造商，這些制造商會在高頻性能上產(chǎn)生顯著差異。這也可能導致零件不一致的非常真實的情況，從而導致系統(tǒng)性能變化。

　　串聯(lián)諧振頻率 （SRF） 是受不同層數(shù)影響的關(guān)鍵性能指標；這種變化會對使用這些電容器的任何 LC RF 濾波器的性能產(chǎn)生負面影響。例如，帶通濾波器經(jīng)常使用電容器的諧振頻率來“塑造”其性能。

　　換句話說，當層數(shù)變化時，過濾器可能無法按設計運行，并允許輻射發(fā)射超過成品中的 FCC 或 ETSI 要求。電容器性能的批次間變化可能導致代價高昂的產(chǎn)品召回。

　　“如果串聯(lián)諧振頻率發(fā)生變化，您的濾波器可能不再符合 FCC 排放要求，”Horton 說?！耙虼?，通過嚴格控制層數(shù)，制造商有助于確保 LC 過濾器性能在批次之間、每天、每月、每年都保持一致。”

　　高損耗電容器也會影響電池壽命等方面。對于使用射頻放大器的系統(tǒng)，由電容器吸收或耗散功率是低效的。然后，工程師必須使用放大器來彌補低 Q 電容器造成的損失，這會導致手持設備的電池消耗更快。高 Q 電容器還可以通過減少天線和收發(fā)器之間的損耗來提高接收器靈敏度。

　　電容器設計、構(gòu)造的差異

　　高 Q 電容器在設計上與標準電容器不同。為了實現(xiàn)最低損耗，領(lǐng)先公司使用損耗最低的電介質(zhì)、油墨和電極選項。

　　例如，大多數(shù)低成本商品電容器使用鎳電極；然而，鎳是一種不良導體，以在射頻和微波頻率下的高損耗而聞名。銀和銅電極性能優(yōu)越，性能優(yōu)于鎳，可用于大多數(shù)高 Q 值應用。這種類型的電極具有額外的優(yōu)點，即它不會像鎳那樣產(chǎn)生磁場。這個因素對于 MRI 接收器線圈等涉及強磁場的應用很重要。

　　對于最高功率的射頻應用，許多領(lǐng)先制造商提供純鈀電極。然而，在較高頻率下，與鈀相比，銀是一種優(yōu)良的導體。出于這個原因，Johanson Technology 在其超高 Q（最低 ESR 損耗）產(chǎn)品 E 系列多層射頻電容器中，在其高功率標準 1111、2525 和 3838 尺寸電容器中加入了銀電極。

　　垂直方向的電容器

　　即使是像卷帶中電容器的方向這樣的小細節(jié)也會對電路的性能產(chǎn)生直接影響。傳統(tǒng)上，當安裝在卷帶和卷盤中時，??高 Q 電容器主要采用水平電極配置。一些制造商提供水平和垂直電極方向配置的 MLCC 電容器。

　　然而，以垂直配置安裝電容器也是有效擴展電容器可用頻率范圍的行業(yè)“技巧”。

　　除了 SRF（基于給定的物理尺寸/結(jié)構(gòu)和給定的電容值）之外，電容器還表現(xiàn)出并聯(lián)諧振頻率 （PRF）。根據(jù)經(jīng)驗，PRF 大約是 SRF 的兩倍。在 PRF 處，傳輸阻抗相對較高，電容器在該頻率附近的損耗非常高。

　　通過將電容器安裝在垂直位置，可以消除奇數(shù) PRF（即，第 1、第 3、第 5 等）。這種布置將第一個 PRF 的頻率顯著提高，從而允許電容器在顯著更高的頻率下使用。

　　高Q相對論

　　如果從對高 Q 電容器的討論中得到一個教訓，那就是選擇理想的 MLC 電容器需要的不僅僅是電壓、電容值和容差。這也可以解釋為什么一個供應商的電容值可能與關(guān)鍵匹配電路中的另一個供應商不直接對應。制造的設計和質(zhì)量/一致性與驗證性能的測試類型一樣重要。

　　“不要假設因為電容器被標記為‘高Q’，它就會提供所需的性能，”Horton 總結(jié)道?！斑@些電容器在軍事、醫(yī)療和工業(yè)電子設備的射頻傳輸和接收中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此它們必須按預期運行，并進行優(yōu)化以最大限度地減少能量損失和批次間的差異。否則，這些電子設備可能無法在現(xiàn)場發(fā)揮預期的作用?！?/p>

　　審核編輯：郭婷