對(duì)于許多大功率射頻應(yīng)用而言，嵌入式電容器的“Q 因子”是電路設(shè)計(jì)中最重要的特性之一。這包括蜂窩/電信設(shè)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(xué)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(gè)“完美”的電容器不會(huì)表現(xiàn)出任何損耗并且會(huì)釋放全部能量轉(zhuǎn)移，但在現(xiàn)實(shí)世界中，電容器總是表現(xiàn)出一些有限量的損耗。盡管市場(chǎng)上有許多高 Q 電容器，但性能可能會(huì)因設(shè)計(jì)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(duì)于低功率應(yīng)用，這種熱量是微不足道的。然而，對(duì)于更高功率的應(yīng)用，這種發(fā)熱可能很大。如果溫度顯著升高，可能會(huì)損壞附近的組件，在極端情況下，還會(huì)損壞電路板上的零件。

　　盡管許多低功率應(yīng)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(huì)顯著增加，從而導(dǎo)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(yù)算有時(shí)可能與更高損耗的電容器相關(guān)。

　　出于這個(gè)原因，大功率射頻應(yīng)用通常需要高 Q 電容器，其特點(diǎn)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(huì)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(shí)證明，高 Q 電容器的性能實(shí)際上是相對(duì)的，在設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量控制甚至性能測(cè)試類型的基礎(chǔ)上變化很大。進(jìn)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(gè)相對(duì)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€(gè) ［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?！?/p>

　　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(yīng)該對(duì)電容器制造商的性能聲明抱有懷疑態(tài)度。

　　ESR 測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，通常通過以下兩種方法之一得出：使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 （VNA） 或諧振線。然而，這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受到這些系統(tǒng)的設(shè)置和校準(zhǔn)的限制。在網(wǎng)絡(luò)分析儀上測(cè)量電容器 Q 時(shí)，配置和校準(zhǔn)對(duì)于確保收集到有意義的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。并非所有對(duì) VNA 的測(cè)量都同樣有效；事實(shí)上，校準(zhǔn)不佳的 VNA 會(huì)產(chǎn)生非常不準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　測(cè)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(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　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(hào)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(shí)間重復(fù)的極高精度進(jìn)行測(cè)量。

　　“我無法評(píng)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(dāng)我將電容器放在符合 mil 標(biāo)準(zhǔn)的諧振線路上，并并排測(cè)試這些部件時(shí)A/B 比較測(cè)試，我們看到與他們公布的數(shù)據(jù)存在顯著差異。我會(huì)相信這些相對(duì)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(gè)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(dǎo)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(gè)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(shí)現(xiàn)相同的電容。

　　顯著改變 MLC 電容器的層數(shù)會(huì)顯著改變性能特征。因此，領(lǐng)先的電容器供應(yīng)商嚴(yán)格控制每個(gè)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(yīng)商提供的產(chǎn)品具有相同的部件號(hào)，但層數(shù)可變。簡(jiǎn)而言之，相同的零件編號(hào)可能具有顯著不同的設(shè)計(jì)，這可能導(dǎo)致電容器中出現(xiàn)不希望的阻抗變化。這些差異因供應(yīng)商而異，甚至可以通過單一來源看到。

　　“如果 MLCC 制造商沒有嚴(yán)格控制層數(shù)，他們可能會(huì)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(gè)部分在高頻下的表現(xiàn)不同。

　　當(dāng)原始設(shè)備制造商通過從多家工廠購(gòu)買的經(jīng)銷商進(jìn)行采購(gòu)時(shí)，性能變化的另一個(gè)原因會(huì)發(fā)生。在這種場(chǎng)景下，不同的工廠有不同的設(shè)計(jì)，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(huì)在高頻性能上產(chǎn)生顯著差異。這也可能導(dǎo)致零件不一致的非常真實(shí)的情況，從而導(dǎo)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(biāo)；這種變化會(huì)對(duì)使用這些電容器的任何 LC RF 濾波器的性能產(chǎn)生負(fù)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(dāng)層數(shù)變化時(shí)，過濾器可能無法按設(shè)計(jì)運(yùn)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(dǎo)致代價(jià)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?！耙虼耍ㄟ^嚴(yán)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(huì)影響電池壽命等方面。對(duì)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(bǔ)低 Q 電容器造成的損失，這會(huì)導(dǎo)致手持設(shè)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(shè)計(jì)、構(gòu)造的差異

　　高 Q 電容器在設(shè)計(jì)上與標(biāo)準(zhǔn)電容器不同。為了實(shí)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(xiàng)。

　　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(dǎo)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(yīng)用。這種類型的電極具有額外的優(yōu)點(diǎn)，即它不會(huì)像鎳那樣產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)因素對(duì)于 MRI 接收器線圈等涉及強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用很重要。

　　對(duì)于最高功率的射頻應(yīng)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(dǎo)體。出于這個(gè)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(biāo)準(zhǔn) 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(xì)節(jié)也會(huì)對(duì)電路的性能產(chǎn)生直接影響。傳統(tǒng)上，當(dāng)安裝在卷帶和卷盤中時(shí)，??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(kuò)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(yàn)，PRF 大約是 SRF 的兩倍。在 PRF 處，傳輸阻抗相對(duì)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(gè) 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(duì)論

　　如果從對(duì)高 Q 電容器的討論中得到一個(gè)教訓(xùn)，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(gè)供應(yīng)商的電容值可能與關(guān)鍵匹配電路中的另一個(gè)供應(yīng)商不直接對(duì)應(yīng)。制造的設(shè)計(jì)和質(zhì)量/一致性與驗(yàn)證性能的測(cè)試類型一樣重要。

　　“不要假設(shè)因?yàn)殡娙萜鞅粯?biāo)記為‘高Q’，它就會(huì)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(shè)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(yù)期運(yùn)行，并進(jìn)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(shè)備可能無法在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)揮預(yù)期的作用。”

　　審核編輯：郭婷