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、等離子發生器、激光器和其他醫療、軍事和工業電子產品等產品。

　　通常以數學公式表示，Q 因數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”的電容器不會表現出任何損耗并且會釋放全部能量轉移，但在現實世界中，電容器總是表現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量而有很大差異。

　　這種能量損失越高，電容器內產生的熱量就越多，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。

　　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。

　　您的表現可能會有所不同

　　盡管它在射頻電子產品中發揮著關鍵作用，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、質量控制甚至性能測試類型的基礎上變化很大。進一步攪渾水的是，制造商使用許多術語來指代他們的高 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’ 是一個相對術語，”生產各種多層陶瓷電容器 （MLCC） 的公司 Johanson Technology 的 Scott Horton 說。“似乎每個 ［電容器］ 制造商都有高 Q 產品，但電路中部件的性能可能大不相同。”

　　為了區分選擇，大多數 MLCC 電容器在線發布 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度。

　　ESR 測試在實驗室環境中進行，通常通過以下兩種方法之一得出：使用矢量網絡分析儀 （VNA） 或諧振線。然而，這些數據的準確性受到這些系統的設置和校準的限制。在網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據至關重要。并非所有對 VNA 的測量都同樣有效；事實上，校準不佳的 VNA 會產生非常不準確的結果。

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

　　Johanson Technology 等公司在線發布來自 Boonton 34A 諧振線的 ESR 性能數據。由于這種方法取決于信號發生器的頻率精度和非常穩定的諧振線路，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據存在顯著差異。我會相信這些相對的結果，”霍頓說。

　　一致的制造，層數

　　影響高 Q 電容器 ESR 的另一個方面是制造過程的質量和一致性。

　　根據定義，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。然后將層狀結構在高溫下燒制以產生燒結且體積有效的電容裝置。導電終端屏障系統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、重疊面積和電極數量。因此，具有給定介電常數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相同的電容。

　　顯著改變 MLC 電容器的層數會顯著改變性能特征。因此，領先的電容器供應商嚴格控制每個部件的層數。不幸的是，這在行業中并不是一成不變的，一些供應商提供的產品具有相同的部件號，但層數可變。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，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不同。

　　當原始設備制造商通過從多家工廠購買的經銷商進行采購時，性能變化的另一個原因會發生。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，這些產品來自不同的制造商，這些制造商會在高頻性能上產生顯著差異。這也可能導致零件不一致的非常真實的情況，從而導致系統性能變化。

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

　　換句話說，當層數變化時，過濾器可能無法按設計運行，并允許輻射發射超過成品中的 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品召回。

　　“如果串聯諧振頻率發生變化，您的濾波器可能不再符合 FCC 排放要求，”Horton 說。“因此，通過嚴格控制層數，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，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器之間的損耗來提高接收器靈敏度。

　　電容器設計、構造的差異

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

　　例如，大多數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。銀和銅電極性能優越，性能優于鎳，可用于大多數高 Q 值應用。這種類型的電極具有額外的優點，即它不會像鎳那樣產生磁場。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，銀是一種優良的導體。出于這個原因，Johanson Technology 在其超高 Q（最低 ESR 損耗）產品 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也會對電路的性能產生直接影響。傳統上，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“技巧”。

　　除了 SRF（基于給定的物理尺寸/結構和給定的電容值）之外，電容器還表現出并聯諧振頻率 （PRF）。根據經驗，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 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 總結道。“這些電容器在軍事、醫療和工業電子設備的射頻傳輸和接收中發揮著關鍵作用，因此它們必須按預期運行，并進行優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場發揮預期的作用。”

　　審核編輯：郭婷