Широкополосный радиочастотный конденсатор высокой производительности

0402BB, кривая производительности 1 – Вносимые потери и обратные потери

Кривая вносимых потерь Кривая обратных потерь

Широкополосные конденсаторы и конденсаторы с высокой добротностью имеют одинаковую физическую структуру: чередующиеся внутренние металлические электроды, встроенные в квадратный керамический корпус. Так почему же они имеют разные характеристики производительности? Рисунки 4 и 5 дают по крайней мере один ответ: широкополосные конденсаторы несут потери. В частности, на рисунке 5 достаточно большие значения Rp1–Rpn приводят к параллельному резонансу с чрезвычайно низкой добротностью, когда реактивное сопротивление является емкостным, а ветви низшего порядка – индуктивными. При этом условии на достаточно высоких частотах реактивным сопротивлением C можно пренебречь по сравнению с сопротивлением L, и схему можно упростить, как показано на рисунке 6. Как можно видеть, рисунок 6 представляет собой схему с сосредоточенными параметрами (фильтр нижних частот), аппроксимирующую участок линии передачи, характеристическое сопротивление Ls​/Cg​ которого составляет примерно 50 Ом.

Рис.6 Упрощенная схема с сосредоточенными параметрами — высокочастотная схема замещения конденсатора MLCC в микрополосковом исполнении (параллельный резонанс с очень низкой добротностью)

Хотя модели схем с сосредоточенными параметрами очень гибки, особенно когда значения компонентов могут включать произвольные частотно-зависимые изменения, необходимо проявлять осторожность при применении этого подхода к широкополосным конденсаторам: эта модель является специальной, ее эвристическое поведение выведено на основе комбинации экспериментальных наблюдений и принципов схемы «здравого смысла» (например, последовательная индуктивность, шунтирование конденсаторов на землю и т. д.), а не фундаментальных физических законов. Ни один другой метод не описывает более четко, как ветвь Lp - Cp образует параллельный резонанс. Конструкция схемы с сосредоточенными параметрами не имеет четкой физической основы и вместо этого специально разработана для имитации наблюдаемых электрических характеристик.

На самом деле, при использовании моделей схем с сосредоточенными параметрами для конденсаторов, работающих на достаточно высоких частотах, следует проявлять большую осторожность — но тогда возникает вопрос: что представляет собой «достаточно высокая частота»? Для типичных диэлектриков X7R, используемых в таких компонентах, относительная диэлектрическая проницаемость обычно составляет 2500–3000. Это означает, что частота 1/4λ для границы 60 мил составляет 1 ГГц. Таким образом, для компонента размером 0402 (длиной 40 мил) частота 1/4λ составляет 1,5 ГГц; для компонента 0201 длиной 20 мил она достигает 3 ГГц. Поэтому ясно, что для описания поведения этих компонентов до 50 ГГц необходима распределенная модель.

◆ Распределенная электрическая модель

Рисунок 7 иллюстрирует, как идеальный разомкнутый последовательный шлейф с потерями может функционировать как широкополосный элемент связи. Обратите внимание на кажущийся парадокс этого принципа: заглушка сама по себе несет потери, но как она может оказывать минимальное влияние на основную линию? Ответ заключается в том, что пока характеристическое сопротивление шлейфа ниже, чем у основной линии, вносимые потери основной линии также будут низкими. Фактически, если шлейф имеет достаточно высокие и плавные потери, его входное сопротивление приблизится к характеристическому сопротивлению.