【2017年整理】电容器在射频与微波电路中的运用一、电容器基本高频参数：1.doc

电容器在射频与微波电路中的运用 电容器基本高频参数： 电容器高频等效电路图： 　　一个实际的电容器在极低频时，可以把它看作为一个单独的电容器来使用。但是，一旦频率上升到射频、微波阶段，电容器随频率而来的寄生参数就不能忽略了。下图是一个电容器在高频下的等效电路图，其中等效并联电阻Rp（由电介质损耗而来）在图上没有画出，因为Rp仅在低频下起作用，高频下没有影响（由于高频下“趋肤效应”的影响，电介质损耗在高频下几乎不起作用）。 图1 其中：C为所需电容、Rs为等效串联电阻(ESR)、Ls为等效串联电感（ESL）、等效并联电容（Cp） ２．串联谐振频率(FSR)、并联谐振频率(FPR) : 由电容器的高频等效电路图出发，首先讨论电容器的两个谐振频率：即串联谐振频率(FSR)、并联谐振频率（FPR）。 由电路图可以得到此模块的阻抗表达式：Z =1/(jwCp+1/(Rs+jwLs-j/wC))　w为角频率。 所谓谐振频率，是指阻抗频率变化中，净电抗为零时的频率。此阻抗的幅值｜Ｚ｜与频率的关系，可以从下面来考虑：由于Cp值非常小，所于在频率不高时，可以暂时不考虑。此时电路就是简单的串联ＲＣＬ电路，其谐振发生在XL=Xc时，即wLs= 1/(wC),得到w=1/sqrt(C*Ls),即下图中的Ws。当频率继续上升时（大于Ws），电容器已经对外表现为一个小电感，此小电感随着频率上升逐渐变大，当其XL与等效并联电容Cp的Xc相等时，电容器就发生并联谐振，此频率称为第一并联谐振频率。频率继续上升，电容器的阻抗频率特性更复杂，会发生第二并联谐振、第三并联谐振等等。 　　　　　　　　　　　　　图２ 由上面的阻抗频率关系分析过程来看：以下几点说明尤为重要。 串联谐振频率（FSR）也叫自谐振频率，是电容器净电抗为零时的频率，此频率值f=1/(2pi*sqrt(C*Ls))。此时电容器的阻抗幅值最小等于等效串联电阻（ESR）。在电路运用中作为隔直耦合、旁路用的电容器均要求阻抗越小越好（提供最好的交流通道）。从Ｓ21曲线来看，此串联谐振频率与S21曲线中相角为零时的频率一致，也与S11曲线中第一个谷底频率一致。 并联谐振频率(FPR)与等效并联电容(Cp)关系很大，也是电容器净电抗为零时的频率。并联谐振时，电容器的阻抗幅值很大，其值RPRF=ESR*Qp*Qp,其中Qp=Cp/(2pi*fFPR*Rs),此值很大，此时的电容器不适合用在隔直耦合、旁路中。从S21曲线来看，此并联谐振频率与Ｓ２１曲线中谷底频率相一致。一般而言，对于电容器电极平行于基板安装时，并联谐振发生的频率是串联谐振频率的２倍多。 ３．等效串联电阻(ESR): 射频、微波用电容器，等效串联电阻(ESR)在电路设计中尤为重要。所有电子线路，尤其是高频电路，对功耗要求非常严格，功耗在最大程度上影响线路的发热状况，而电容器高频下能耗Pcd=Ic^2*ESR。从表达式直接来看，也要求ESR越小越好，一般而言0.1欧姆左右是可以接受的极限（不同线路，此要求不一样，有设计者决定）。ESR通常以毫欧姆为单位，是电容的介质损耗(Rsd)与金属损耗（Ｒsm）的综合,ESR= Rsd+Rsm。从另一角度来看，等效串联电阻(ESR) ESR=Xc*DF。 　　介质损耗（Rsd）：低频表现，可用耗散系数DF来衡量,是低频电容器损耗的主要成分。 　　金属损耗（Rsm）：由金属材料的导电性质决定，以及趋肤效应引起的随频率变化的电极损耗决定。高频时起作用。大于一定频率（不同介质的电容器，此值不一样）后等效串联电阻主要由金属损耗引起，不考虑介质损耗，且有以下近视公式可以估算ESR。ESR2=ESR1* sqrt(f2/f1),ESR均随频率上升而上升。 整个频率段来看，ESR先随着频率上升而下降，下降有一个最小值，然后随着频率上升而上升。 ４．插入损耗（S21曲线的幅值）： 插入损耗是指网络插入之前负载吸收的功率与网络插入后负载吸收功率之比的分贝数，是衡量信号衰减的一个参数。 一般而言，电路都能接受零点几dB的插入损耗，大于此值很容易恶化电路终端性能。 观察S21曲线，要尤其注意几个特殊的点，第一个是串联谐振频率点（与Ｓ２１曲线中相角为零的点对应）；第二是并联谐振点，发生并联谐振时，S21曲线会出现明显的衰减槽口。设计高频电路时，要注意这些并联谐振点的频率是否在工作频带内，如果在工作频带内，而此时的插入损耗不是很大，可以接受；相反，如果槽口很深，那么这个电容器就不能用在此电路中。 二、电容器运用电路介绍： １．耦合（隔直）电容： 　　耦合隔直用电容作用是把射频能量从电路的一部分转移到另一部分，尽量使能量最大传递。理论上所有电容都能隔直，尤其在高频运用时，说到电容器功能不能仅仅说是隔