电容器在射频与微波电路中的运用

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1、電容器在射頻與微波電路中的運用一、電容器基本高頻參數：1.電容器高頻等效電路圖：一個實際的電容器在極低頻時，可以把它看作為一個單獨的電容器來使用。但是，一旦頻率上升到射頻、微波階段，電容器隨頻率而來的寄生參數就不能忽略了。下圖是一個電容器在高頻下的等效電路圖，其中等效並聯電阻Rp(由電介質損耗而來)在圖上沒有畫出，因為Rp僅在低頻下起作用，高頻下沒有影響(由於高頻下“趨膚效應”的影響，電介質損耗在高頻下幾乎不起作用)。CRsL$o―

2、—

3、(^XAA/—°~o1(Cp圖1其中：c為所需電容、Rs為等效串聯電阻(ESR)、Ls為等效串聯電感(ESL)、

4、等效並聯電容(Cp)2•串聯諧振頻率(FSR)、並聯諧振頻率(FPR):由電容器的高頻等效電路圖出發，首先討論電容器的兩個諧振頻率：即串聯諧振頻率(FSR)、並聯諧振頻率(FPR)。由電路圖可以得到此模組的阻抗運算式：Z=l/(jwCp+l/(Rs+jwLs-j/wC))w為角頻率。所謂諧振頻率，是指阻抗頻率變化中，淨電抗為零時的頻率。此阻抗的幅值丨Z

5、與頻率的關係，可以從下面來考慮：由於Cp值非常小，所於在頻率不高時，可以暫時不考慮。此時電路就是簡單的串聯RCL電路，其諧振發生在X,=Xc時，即wLs=l/(wC),得到w=l/sqrt(C*Ls

6、),gp下圖中的Ws。當頻率繼續上升時(大於Ws)，電容器已經對外表現為一個小電感，此小電感隨著頻率上升逐漸變大'當其Xl與等效並聯電容Cp的Xc相等時，電容器就發生並聯諧振，此頻率稱為第•一並聯諧振頻率。頻率繼續上升，電容器的阻抗頻率特性更複雜，會發生第二並聯諧振、第三並聯諧振等等。Rs•QP2P2QPRsINDUCTIVERsZ（3）RsCAPACITIVEFigure9.SLCImpedanceMagnitudevs.Frequency圖2由上面的阻抗頻率關係分析過程來看：以下幾點說明尤為重要。1）串聯諧振頻率（FSR）也叫自諧振頻率，是電容

7、器淨電抗為零時的頻率，此頻率值f=l/（2pi*sqrt（C*Ls））。此時電容器的阻抗幅值最小等於等效串聯電阻（ESR）。在電路運用中作為隔直耦合、旁路用的電容器均要求阻抗越小越好（提供最好的交流通道）。從S21曲線來看，此串聯諧振頻率與S21曲線中相角為零時的頻率一致，也與S11曲線中第一個穀底頻率一致。2）並聯諧振頻率（FPR）與等效並聯電容（Cp）關係很大，也是電容器淨電抗為零時的頻率。並聯諧振時，電容器的阻抗幅值很大，其值RPRF=ESR*Qp*Qp,其中Qp二Cp/（2pi*fFPR*Rs）,此值很大，此時的電容器不適合用在隔直耦合、旁

8、路中。從S2I曲線來看，此並聯諧振頻率與S21曲線中穀底頻率相一致。一般而言，對於電容器電極平行於基板安裝時，並聯諧振發生的頻率是串聯諧振頻率的2倍多。2•等效串聯電阻（ESR）:射頻、微波用電容器，等效串聯電阻（ESR）在電路設計中尤為重要。所有電子線路，尤其是高頻電路，對功耗要求非常嚴格，功耗在最大程度上影響線路的發熱狀況，而電容器高頻下能耗Pcd=IcA2*ESRo從運算式直接來看，也耍求ESR越小越好，一般而言0.1歐姆左右是可以接受的極限（不同線路，此要求不一樣，有設計者決定）。ESR通常以毫歐姆為單位5是電容的介質損耗（Rsd）與金屬損

9、耗（Rsm）的綜合,ESR二Rsd+Rsm。從另一角度來看，等效串聯電阻（ESR）ESR=Xc*DF。介質損耗（Rsd）:低頻表現，可用耗散係數DF來衡量，是低頻電容器損耗的主要成分。金屬損耗（Rsm）:由金屬材料的導電性質決定，以及趨膚效應引起的隨頻率變化的電極損耗決定。高頻時起作用。大於一定頻率（不同介質的電容器，此值不一樣）後等效串聯電阻主要由金屬損耗引起，不考慮介質損耗,且有以下近視公式可以估算ESR。ESR2二ESR1*sqrt（f2/fl）,ESR均隨頻率上升而上升。整個頻率段來看，ESR先隨著頻率上升而下降，下降有一個最小值，然後隨著

10、頻率上升而上升。3•插入損耗（S21曲線的幅值）：插入損耗是指網路插入之前負載吸收的功率與網路插入後負載吸收功率之比的分貝數，是衡量信號衰減的一個參數。一般而言，電路都能接受零點幾dB的插入損耗，大於此值很容易惡化電路終端性能。觀察S21曲線，要尤其注意幾個特殊的點，第一個是串聯諧振頻率點（與S21曲線中相角為零的點對應）；第二是並聯諧振點，發生並聯諧振時，S21曲線會出現明顯的衰減槽口。設計高頻電路時，要注意這些並聯諧振點的頻率是否在工作頻帶內，如呆在工作頻帶內，而此時的插入損耗不是很大，可以接受；相反，如果槽口很深，那麼這個電容器就不能用在此電

11、路中。二、電容器運用電路介紹：1•耦合邙鬲直）電容：耦合隔直用電容作用是把射頻能量從電路的一部分轉移到另一部分，儘量使能量