工程师论文范文电容器在大功率短波发射机中的应用探析

　　Abstract This paper briefly introduces the capacitor characteristics， parameters and classification， commonly used for high-power shortwave radio transmitter frequency characteristic of capacitor， as well as the capacitor is used in the environment of high frequency and high frequency circuit analysis， put forward suggestions to choose capacitor correctly.

　　Key words shortwave transmitter parasitic capacitor stray capacitance

　　0 引言

　　随着工作频率的升高，电容器寄生作用和杂散电容的影响就越大，它直接限制了发射机的上限工作频率。本文对短波广播发射机中电容器的选择和使用以及如何正确安装才能减小寄生和杂散电容对发射机的影响进行了探讨。

　　1 电容器的特性和应用分类

　　短波广播发射机常用的电容器有十几种，包括聚脂电容器、薄膜电容器、陶瓷电容器、电解电容器，不同类别的电容器根据他们的材料、构造有不同的优缺点。如表1所示：

　　2 短波发射机常用的电容器

　　2.1 电容器在短波发射机的作用

　　对于具体应用来说合适的电容器通常只有一两种，因为其它类型的电容器，在性能上有着明显的不完善，如对发射机系统性能存有“寄生作用”，因此而不易采用。在大功率短波广播发射机中最常用的电容器通常分为：交流耦合电容器、去耦电容器、滤波电容器、采样保持电容器等四种类型(见图1所示)。下面就这四种常用的电容器的功能和作用做一介绍。

　　(1)交流耦合电容器，作用于电路中通过交流信号，同时隔离直流信号，也可用作旁路。

　　(2)去耦电容器，在电路中用作于滤掉交流信号或滤掉叠加在直流信号上的高频信号或滤掉电源、基准电源和信号电路中的低频成分。去耦电容器，在电路中起到保证电路在高频和低频去耦都适应所采用电解电容器。例如，一个钽片电容与一个单片陶瓷电容器相并联。这样两种电容器相并联，不但在低频去耦性能很好，而且在频率很高的情况下仍保持优良的性能。除了关键集成电路以外，一般不必每个集成电路都接一个钽电容器。如果每个集成电路和钽电容器之间相当宽的印制线路板导电条长度小于10cm，可在几个集成电路之间共用一个钽电容器。关于高频去耦另一个需要说明的问题是电容器的实际物理分布。甚至很短的引线都有不可忽视的电感，所以安装高频去耦电容器应当尽量靠近集成电路，并且做到引脚短，印制线路板导电条宽。

　　(a)交流耦合

　　(b)去耦

　　(c)滤波

　　(d)采样保持

　　图1 电容的四种应用

　　图2 实际电容器模型

　　(3)滤波电容器，有源或无源RC滤波或选频网络，短波发射机高周的选频网络采用LC选频网络。

　　(4)采样保持电容器，在模拟积分器和采样保持电路(捕获和储存电荷)为具体的应用中选择合适类型的电容器实际上并不困难。

　　2.2 短波发射机上电容器的参数

　　以“实际”电容器模型如图2所示分析，由于这些寄生元件决定了电容器的特性，通常在电容器生产厂家的产品说明中已有注明，在每项应用中了解这些寄生作用，将有助于工作时选择合适的电容器。在大功率短波发射机应用中最重要的参数有四种：电容器泄漏电阻RL(等效并联电阻EPR);等效串联电阻(ESR);等效串联电感(ESL)和介电存储(吸收)。

　　(a)理想模型 (b)泄漏模型

　　图3 电容器的泄漏模型

　　(1)电容器泄漏电阻，RP;在交流耦合应用、存储应用(例如模拟积分器和采样保持器)以及当电容器用于高阻抗电路时，RP 是一项重要参数，电容器的泄漏模型如图3所示，理想电容器中的电荷只随外部电流变化。然而实际电容器中的RP使电荷以R、C时间常数决定的速率缓慢泄漏。电解电容器(钽电容器和铝电容器)的容量很大，由于其隔离电阻低，所以漏电流非常大(典型值5～20nA/F)，因此它不适合用于存储和耦合。最适合用于交流耦合和电荷存储的电容器是聚四氟乙烯电容器和其它聚脂型(聚丙烯、聚苯乙烯等)电容器。

　　图4 介质吸收作用

　　(2)等效串联电阻(ESR)，RESR;电容器的等效串联电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流通过电容器，RESR 使电容器消耗能量(从而产生损耗)。这对射频电路和载有高波纹电流的电源去耦电容器会造成严重后果。但对精密高阻抗、小信号模拟电路不会有很大的影响。 RESR最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器。　　(3)等效串联电感(ESL)，LESL;电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。像RESR一样，LESL在射频或高频工作环境下也会出现严重问题。因此，在发射机射频功放的谐振回路中大型真空电容应采用尽可能短和宽的连接线，避免LESL引起的自激震荡。虽然精密电路本身在直流或低频条件下正常工作。但是用子精密模拟电路中的晶体管在过渡频率扩展到几百兆赫或几吉赫的情况下，仍具有增益，可以放大电压值很低的谐振信号。这就是在高频情况下对这种电路的电源端需要进行适当去耦的主要原因。电解电容器、纸介电容器和塑料薄膜电容器不适合用于高频去耦。这些电容器基本上是由多层塑料或纸介质把两张金属箔隔开然后卷成一个卷筒制成的。这种结构的电容具有相当大的自感，而且当频率只要超过几兆赫时主要起电感的作用。对于高频去耦更合适的选择应该是单片陶瓷电容器，因为它们具有很低的等效串联电感。单片陶瓷电容器是由多层夹层金属薄膜和陶瓷薄膜构成的，而且这些多层薄膜是按照母线平行方式排布的，而不是按照串行方式卷绕的。单片陶瓷电容的缺点是具有颤噪声(即对振动敏感)，所以有些单片陶瓷电容器可能会出现自激震荡。它有很高的Q值，因为串联电阻值及与其在一起的电感值都很低。另外，圆片陶瓷电容器，虽然价格不太贵，但有时电感很大。

　　因为电容器的泄漏电阻、等效串联电阻和等效串联电感，这三项指标是很难分开，所以许多电容器制造厂家将它们合并成一项指标，称作损耗因数(disspation factor)，或DF，主要用来描述电容器的无效程度。损耗因数定义为电容器每周期损耗能量与储存能量之比。实际上，损耗因数等于介质的功率因数或相角的余弦值。如果电容器在关心频带范围的高频损耗可以简化成串联电阻模型，那么等效串联电阻与总容抗之比是对损耗因数的一种很好的估算，即 DF≈RESRC，还可以证明损耗因数等于电容器品质因数或Q值的倒数，在电容器制造厂家的产品说明中有时也给出这项指标。

　　(a)印刷版顶视图

　　(b)印刷版剖面图

　　图5 杂散电容

　　(4)介质吸收，RDA，CDA：单片陶瓷电容器非常适用于高频去耦，但是考虑介质吸收问题，这种电容器不适用于采样保持放大器中的保持电容器。介质吸收是一种有滞后性质的内部电荷分布，它使快速放电然后开路的电容器恢复一部分电荷。因为恢复电荷的数量是原来电荷的函数，实际上这是一种电荷记忆效应(如图4所示)。如果把这种电容器用作采样保持放大器中的保持电容器，那么势必对测量结果产生误差。对于这种类型应用推荐的电容器，正如前面介绍的还是聚脂型电容器，即聚苯乙烯电容器、聚丙烯电容器和聚四氟乙烯电容器。

　　3 杂散电容对发射机的影响

　　杂散电容(stray capacitance)是另一种寄生作用。像平行板电容器一样，不论什么时候，当两个导体彼此非常靠近(尤其是当两个导体保持平行时)，便产生杂散电容。C = 0.0085