自諧振頻率(SRF)是衡量電容器有效工作頻率上限的重心指標。對于超寬帶應(yīng)用,必須要求電容器的SRF遠高于系統(tǒng)的工作頻率,否則其電感特性將無法有效抑制高頻噪聲。提升SRF的策略主要圍繞降低ESL和減小電容值。根據(jù)fSRF = 1/(2π√(LC)),減小L或C都能提高fSRF。因此,超寬帶電容常采用以下方法:一是優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)和端電極設(shè)計以小化ESL;二是使用小尺寸封裝(如0201比0805的ESL小得多);三是對于極高頻率的退耦,會故意選用較小容值的電容(如100pF, 1nF),因為其SRF更高,專門用于濾除特定高頻噪聲,與較大容值的電容配合使用以覆蓋全頻段。在光模塊中用于高速驅(qū)動電路的電源濾波和信號耦合。111XL911M100TT

實現(xiàn)超寬帶性能面臨著多重嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。首要挑戰(zhàn)是寄生電感(ESL),任何電容器都存在由內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引線帶來的固有電感,其阻抗隨頻率升高而增加(ZL=2πfL),在某個自諧振頻率(SRF)后,電容器會呈現(xiàn)出電感特性,失去退耦和濾波功能。其次,是寄生電阻(ESR),它會導(dǎo)致能量損耗和發(fā)熱,且其值隨頻率變化。第三,是介質(zhì)材料本身的頻率響應(yīng),不同介質(zhì)材料的介電常數(shù)會隨頻率變化,影響電容值的穩(wěn)定性。,封裝尺寸、安裝方式以及PCB布局都會引入額外的寄生電感和電容,極大地影響終在板性能。因此,超寬帶電容的設(shè)計是材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)工程和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合。111YCA8R2D100TT是5G基站、雷達等射頻微波電路中不可或缺的元件。

未來,超寬帶電容技術(shù)將繼續(xù)向更高頻率、更低損耗、更高集成度和更優(yōu)可靠性發(fā)展。新材料如低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)允許將多個電容、電感、電阻甚至傳輸線共同集成在一個三維陶瓷模塊中,形成復(fù)雜的無源網(wǎng)絡(luò)或功能模塊(如濾波器、巴倫)。LTCC可以實現(xiàn)更精細的線路、更優(yōu)的高頻性能和更好的熱穩(wěn)定性,非常適合系統(tǒng)級封裝(SiP)和毫米波應(yīng)用。此外,對新型介電材料的探索(如具有更高介電常數(shù)且更穩(wěn)定的材料)也在持續(xù)進行,以期在未來實現(xiàn)更高容值密度和更寬工作頻段。
即使選擇了ESL極低的超寬帶電容,不合理的PCB布局和安裝也會引入巨大的安裝電感,徹底毀掉其性能。安裝電感主要來自電容焊盤到電源/地平面之間的過孔(via)和走線。為了小化安裝電感,必須遵循以下原則:一是使用短、寬的走線連接;二是使用多個緊鄰的、低電感的過孔(via)將電容的兩個端直接連接到近的電源層和地層;三是采用對稱的布局設(shè)計。對于比較高頻的應(yīng)用,甚至需要采用嵌入式電容技術(shù),將電容介質(zhì)材料直接制作在PCB的電源-地平面之間,實現(xiàn)近乎理想的平板電容結(jié)構(gòu),將寄生電感降至幾乎為零。它有助于減少對外部濾波元件的依賴,節(jié)省PCB空間。

低ESL設(shè)計是超寬帶電容技術(shù)的重中之重。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新包括采用多端電極設(shè)計,如三端電容或帶翼電極電容,將傳統(tǒng)的兩端子“進-出”電流路徑,改為“穿心”式或更低回路的路徑,從而抵消磁場、減小凈電感。內(nèi)部電極采用交錯堆疊和優(yōu)化布局,盡可能縮短內(nèi)部電流通路。在端電極方面,摒棄傳統(tǒng)的 wire-bond 或長引線,采用先進的倒裝芯片(Flip-Chip)或landing pad技術(shù),使電容能以短的路徑直接貼裝在PCB的電源-地平面之間,比較大限度地減少由封裝和安裝引入的額外電感。這些結(jié)構(gòu)上的精妙設(shè)計是達成皮亨利(pH)級別很低ESL的關(guān)鍵,是實現(xiàn)超寬帶性能的物理基礎(chǔ)。失效模式包括機械裂紋、電極遷移和性能退化等。111UK511M100TT
為自動駕駛汽車的毫米波雷達提供清潔的電源環(huán)境。111XL911M100TT
在射頻和微波系統(tǒng)中,超寬帶電容的應(yīng)用至關(guān)重要且多樣。它們用于RF模塊的電源退耦,防止功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、混頻器和頻率合成器的噪聲通過電源線相互串?dāng)_,確保信號純凈度和系統(tǒng)靈敏度。它們也作為隔直電容(DC Block),在傳輸線中阻斷直流分量同時允許射頻信號無損通過,要求極低的插入損耗和優(yōu)異的回波損耗(即良好的阻抗匹配)。此外,在阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、濾波器、巴倫(Balun)等無源電路中,高Q值、高穩(wěn)定性的COG電容是確保電路性能(如帶寬、中心頻率、插損)精確無誤的關(guān)鍵元件。111XL911M100TT
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