介質材料的選擇直接決定了電容器的基本頻率和溫度特性。Class I類材料,如COG(NPO)特性,具有比較高的穩定性:其介電常數隨溫度、頻率和電壓的變化微乎其微,損耗角正切(tanδ)極低,非常適合用于要求高Q值、低損耗和超穩定性的超寬帶高頻電路、諧振器和濾波器中。但其相對介電常數較低,因此難以在小體積內實現高容值。Class II類材料,如X7R、X5R特性,具有高介電常數,能在小尺寸下實現高容值,常用于電源退耦和通用濾波。但其容值會隨溫度、頻率和直流偏壓明顯變化,損耗也較高,在高頻高性能應用中受限。超寬帶應用會根據具體頻段和功能需求混合使用這兩類材料。先進的薄膜工藝可制造出性能很好的超寬帶電容。116UGA241J100TT

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。對于超寬帶應用,必須要求電容器的SRF遠高于系統的工作頻率,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:一是優化內部結構和端電極設計以小化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,形成協同效應。118HGA201K100TT三端電容等結構創新可有效抵消內部寄生電感效應。

未來,超寬帶電容技術將繼續向更高頻率、更低損耗、更高集成度和更優可靠性發展。新材料如低溫共燒陶瓷(LTCC)技術允許將多個電容、電感、電阻甚至傳輸線共同集成在一個三維陶瓷模塊中,形成復雜的無源網絡或功能模塊(如濾波器、巴倫)。LTCC可以實現更精細的線路、更優的高頻性能和更好的熱穩定性,非常適合系統級封裝(SiP)和毫米波應用。此外,對新型介電材料的探索(如具有更高介電常數且更穩定的材料)也在持續進行,以期在未來實現更高容值密度和更寬工作頻段。
單一電容器無法在超寬頻帶內始終保持低阻抗。因此,在實際電路中,需要構建一個由多個不同容值電容器組成的退耦網絡。小容量電容(如0.1μF, 0.01μF, 1000pF, 100pF)擁有較高的自諧振頻率,負責濾除中高頻噪聲;而大容量電容(如10μF, 47μF)或電解電容負責濾除低頻紋波和提供電荷儲備。這些電容并聯后,它們的阻抗曲線相互疊加,從而在從低頻到極高頻的整個范圍內形成一條平坦的低阻抗路徑。PCB上的電源分配網絡(PDN)設計就是基于此原理,通過精心選擇不同容值、不同封裝的電容并合理布局,來實現超寬帶的低阻抗目標,確保電源完整性。工作溫度范圍寬廣,能滿足工業及汽車電子的需求。

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計。對于比較高頻的應用,甚至需要采用嵌入式電容技術,將電容介質材料直接制作在PCB的電源-地平面之間,實現近乎理想的平板電容結構,將寄生電感降至幾乎為零,這是實現超寬帶性能在系統級上的手段之一。超寬帶電容指在極寬頻率范圍內保持性能穩定的電容器。111YGA561M100TT
低溫共燒陶瓷(LTCC)技術可實現無源集成與微型化。116UGA241J100TT
微波電路應用在微波領域,超寬帶電容發揮著關鍵作用。作為耦合電容、旁路電容和調諧電容廣泛應用于雷達系統、衛星通信設備和微波收發模塊中。在這些應用中,電容器需要處理GHz頻率的信號,傳統電容由于寄生參數的影響會導致信號失真和效率下降。超寬帶電容通過精心的結構設計,采用共面電極和分布式電容結構,比較大限度地減少了寄生效應。例如在微波功率放大器中,超寬帶電容用作偏置網絡的一部分,能夠有效隔離直流同時為射頻信號提供低阻抗通路。116UGA241J100TT
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