George M.Kauffman (乔治·考夫曼)
在几乎所有的低通滤波器中,并联电容器都是关键元件。穿心电容器具有的形式为一接地壳体中心有一电极穿过，从电极到接地外壳间形成它所需的电容值，几乎消除了引线电感的影响。本文将介绍穿心电容器的重要性，并给出改进的方法以实现对关键部件的高频性能测试。对于设计、应用条件、进货检验或质量审核中进行穿心电容的评估，需要用到一个可重复使用的装置来测试其插入损耗性能。高电流和高性能滤波器的测试对于元件测试具有特殊的挑战性。这里的高电流指的是额定电流大大超过30安培，并直到和超过400安培。高性能一般是指频率至少高达1GHz时，其插入损耗大于30dB。
图1 典型的穿心电容安装例子
具有串联电感及并联电容是低频特性所要求的。例如，这些元件可以根据巴特沃斯准则来布置以降低它的截止频率，并使插入损耗曲线的斜率最大化。例如，用的较多的Π型滤波器具有16 kHz的-3dB截止频率、每十倍频程其插入损耗降60dB，它的元件组成见图2。
图2 16kHz的Π型滤波器
虽然最优化的Π型滤波器中电感器有一个恒定的关系µH = 5 x µF，但在许多实际使用过程中，由于重量、尺寸、或成本限制，电感的值比最优化的值要小。电感容易在高电流时饱和，需要进一步减小电感值。串联电感的其它好处是增加了高频性能，高于单独的电容可实现的水平。穿心电容器基本上不受通过电流的任何影响，随着外加电压只有轻微的和可预见的变化。穿心电容有着最低的成本和尺寸，并能消除电流变化造成的影响，是高电流和高频率滤波设计的首选或初步解决的方案。
现在已经有一些文章，是关注滤波器低频性能测试的改进方法。其中一个好的建议，是根据IEEE1560方法10.5在满电流时使用电流注入，特别是应用在频率低于100kHz时。由于高性能穿心电容的功能远远超过100MHz，因而准确地测量元件是保证质量的重要因素。本文将会关注一些在30 MHz以上滤波器的高频插入损耗和高电流情况。
图3展示了一种工业标准的插入损耗测量装置，已成功地应用于300KHz到30MHz频段内。该测试装置所面临的问题是使用超过30安培或更大的电流，并且频段远大于100MHz。即使测试电路位于一个接地平面上，电源插件的高频耦合仍可以明显的影响测试结果。图4给出了高频耦合情况。
图3 根据MIL-STD-220B使用负载电流和缓冲网络的插入损耗测试设备
图4当测量插入损耗时通过DUT的耦合
被测设备（DUT）区如果是“开放”的，可能会在高频段导致测量受到一些限制。尤其是对于大电流滤波器，作为电极端面结构和长达2.0″（50mm）或更长连接线的每一个面上，这种情况都会发生的。通常频率超过30MHz的滤波器（从电容器的一端到另一端）的寄生电容可在滤波器周围引起显著的耦合。
考虑到穿心式电容能够从导体的中心到地面进行有效地分流，从而导致形成一个反向的行波天线情况。
滤波器周围的耦合可以建模为电容或者是天线耦合。图4中所示的寄生电容在滤波器周围耦合出现在更高的频率，如图中心位置所示。寄生电容正比于几个因素，包括裸露的区域、及滤波器两边间距的倒数。滤波器周围类似天线型的耦合与几个因素相关，主要为间距和裸露长度。自由路径损耗与间距和频率成反比关系，即耦合信号随距离的增大而减小。辐射表面的天线效率比较复杂，提高到最大的λ/ 4时就会出现谐波。这个因素连同其他几个，在一个频率上阵列能产生出最大的耦合。为了得到这个耦合效应的估计值，在图5中给出了用来测量隔离度的DUT连接引线。该图给出了两条测试导线，它们既与屏蔽体同轴平行又短接到一个铝制接地面上。裸露的长度大约为50mm（2.0″）长，并且距离接地平面的距离大约是13mm（1/2″）。如果测量这些线之间的隔离度，我们就能对穿心电容周围的引入线和引出线间耦合情况作一个粗略的估计。图5中所示的接地线之间的隔离度如图6所示。低于1 MHz频段有超过70 dB的隔离度，频率高于1 MHz时隔离度明显减小，在13MHz时只有50dB。按照这种减少的趋势，在100MHz时大约为30dB。隔离度在1GHz内始终保持大于30dB，而超过1GHz时则显著下降。实际上这意味着，与DUT连接的“开路导线”产生的噪声底线在高频时大约为30dB。标准MIL-STD-220B在测试较低频率性能，包括有效的电压和电流时是有效的，但在测量高于10MHz时则受到内线间耦合的“噪声底线”影响而变差。
图5 接地DUT的连接测试导线
图6 接地DUT连接测试导线之间的隔离度
NexTek已开发出紧凑型高电流穿心滤波器电容的引线。由于C型馈电引线的插入损耗基本上不受电流大小的影响，因此它的优点是能准确评估高电流滤波器的性能，而这些滤波器使用了低于满量程的测试技术。NexTek还开发了一种准确测量元件级插入损耗的方法（不要求加载电流），是一种具有准确测量高频结果的方法。
电容的高频性能测试时需要有好性能的全屏蔽外壳，包括从滤波器的一端到另一端的屏蔽。图7中给出其固定装置，可以在www.nexteklightning.com/FilterTest Fixture.html 找到相关内容。
图7 穿心电容器屏蔽性能的测试装置
TEM室的官方测试装置外部有一个屏蔽导管，方便于金属管的直径能符合所测试的最大滤波器，内部一般经过精密车削和抛光，内部边缘打磨圆滑。固定装置内部有三个滑块，类似于活塞形状。而目前由镀镍铝制作的滑块和导管已获得良好的结果。滑块终端接有同轴连接器，可用来连接网络分析仪或信号源和检测器。同轴连接器含有小弹簧，利用弹簧单高跷销或通过焊接到内侧中心引脚的圆环与测试设备（DUT）进行连接。DUT的滑块充当一侧具有圆锥面的电容器，并具有与元件匹配的通孔。三个滑块都有外周槽，其接地线保持在适当位置，并且有孔通过活塞的内径以便于固定接地线的端面。槽有足够的深度和宽度，滑块和屏蔽管的内径之间有一个小的间隙，而且在滑块和屏蔽管之间至少有两个完整的环屏蔽接地。目前使用螺旋编织网型接地线已经取得较好的结果，但是，有机硅泡沫双层SnCuFe网的效果似乎最好。中间滑块的左侧与右侧的接地引线进行了有效的隔离，而且测试固定件内部结构与外部环境也是有效隔离的。穿心式电容器安装在中间的滑块上，插入在屏蔽管的中点附近。在进行测试时，边端的滑块插入并移动，直到与滤波器的端部电极相接触为止。
图8安装在测试固定件中的一个HPR滤波器
图8给出了HPR 140安培滤波器，该滤波器被固定在DUT移动滑块上，可以滑进外屏蔽管。一个接地编织环穿过外屏蔽管，而另一个编织环则接近于入口。连接有螺旋接地线滑块的端面如图所示，当DUT滑块插入到外屏蔽管大约中部时再安装上去。每个端面上的N型接头将连接到通过了校准的网络分析仪，以非常高的精度来测量滤波器的插入损耗。
测量滤波性能的技巧
- 不同滤波技术的性能可以进行评定。例如，可以对含铅的电容器和陶瓷或金属化的塑料穿心电容进行比较。图9表明含铅元件在约3.3MHz处有一谐振，这相当于约10nH的ESL。金属化薄膜电容的插入损耗在约20MHz有一低点，在这个低点可以得到更大的电容值。
图9 比较各种滤波电容器
- 估算电容的寄生特性。穿心电容的的插入损耗在高频段是一段高而且稳定的曲线。在越来越高的频率上，电容的等效串联电阻（ESR）限制了分流特性在更高频率上的持续改善。通过图10中的曲线可以看出，电容的高稳定性能与ESR密切相关。金属化薄膜电容的ESR约0.075欧姆。陶瓷穿心电容的ESR约为0.03欧姆。 ESR值可以用来评估高频上的损耗或其他参数。
图10 最大插入损耗与ESR的关系
C.屏蔽与滤波的相互配合。滤波器性能测量中导致结果变差的耦合因素同样也影响屏蔽盒的隔离度测量精度。一般的经验法则是，沿轴向排列的线之间的耦合度是-30dB。需要注意的是耦合度的大小与频率是相关的，而当导线长度大于λ/20时，较好初始估计值是-30dB。因而外壳的屏蔽效能可能稍微小于滤波器的插入损耗值，但仍保持隔离性能。如果30分贝屏蔽性能小于滤波器的插入损耗，那么两个相同路径得到的隔离度可能减小3dB。
D.具有串联电感的滤波器建模。某些应用中需要通过使用串联电感器来提升滤波器性能。准确地对穿心电容和串联电感建模才能得到可预测的和准确的结果。在高电流情况下有两种常用的电感：卷绕型和铁氧体通孔型。卷绕型电感通常具有较高的电感，从而有更好的低频性能，但这些是以尺寸、重量和成本、以及自谐振特性为代价的。简单而有用的卷绕型电感的电路分析模型是电感和电容并联。当测量出自谐振频率后，电容值就可以被估计出来。此外，在满负载电流情况下可以使用简化电感，以替代常态电感。电容和电感的参数可以相当准确的进行建模。图11给出了一个220nF/40uH /220nF滤波器模型。陶瓷电容的特性在图9中给出，卷绕型电感的自谐振频率为23 MHz，此时对应于并联电容1.2pF，在峰值电流时电感下降到30uH.
图11 22μF/40μH/.22μF滤波器的插入损耗
铁氧体芯电感器结构紧凑，成本低，易于安装在高电流导体上，而且往往是耗散射频功率。这种耗散可以把不想要的射频能量转化为热能，而不是反射或在系统内能量进行循环。然而这些优点换来的代价是由于饱和大幅减小了全电流时的电感，一般以减小电感开始。通过开缝技术，可以最大限度地减少饱和效应，同时更加稳定，但这会进一步降低电感。电感是铁氧体芯类型，其电路分析模型可以表示为电阻和电感并联。图12给出了一个型滤波器，和前面的例子中一样有相同的电容，其铁氧体芯为28A5131-0A2。该铁氧体芯尺寸在间隙为0.4mm（.016″）满负载时的电感为160 nH。
图12 22μF/160nH/.22μF过滤器插入点
在更高的频段建模插入损耗不仅可以做到精确的测量，而在较低的频段上建模几乎是没有误差的，可以用来提供全电流电感参数。
E.对测试装置进行完全和隔离的测试是好的选择。图13中给出了固定件测试结果的一个例子，测试件内径为51mm（2.0″），如图13所示，腔室为在中间DUT滑块两侧有长75毫米（3.0″）的两个腔体。
图13 测试腔体的校准结果
请注意，这条曲线覆盖了从3MHz到6GHz的频段。最上面的曲线代表通过中间DUT滑块上孔的连接线的插入损耗。由于穿心导线的阻抗远高于50Ω，在500MHz范围内能保持一个非常低的插入损耗，谐波也是这样。当然测得的插入损耗在500MHz有可能夸大了一些。第一个有问题的谐振似乎发生在约3.7GHz的地方。下面的曲线是具有实心的中间滑块时的隔离度。此插入损耗取决于腔室谐振、滑块和电缆连接（连分析仪）的屏蔽度、以及内部连接导线的长度。约25毫米（1″）短引线在2GHz时表现出高的隔离度，在3.5GHz变到合理的隔离度。当第一个有问题的隔离度级别发生在约4GHz左右时，显示出这种测试固定件结构能够在2GHz以上准确地测量插入损耗。
结论
在测量滤波性能和/或设计滤波器时，能够准确的进行穿心插入损耗的测量，特别是在高频率，对了解元件的参数是至关重要的。这里展示的屏蔽腔体已用于超过1GHz的测试中，并且很容易制造和使用。
REFERENCES
[1] The Engineering Handbook, Richard C. Dorf, CRC Press, 2005 Section 113.5 provides a good overview of the low frequency short comings of MIL-STD-220-B, and explains IEEE P1560, Method 10.5
[2] Phipps, Keebler, and Connatser, “Improving the Way We Measure Insertion Loss” Item Publications Nov., 2008. Print.
George M. Kauffman, PE，持有机械工程学士和位于阿默斯特的美国马萨诸塞大学工程管理硕士学位。他负责带领NexTeks的设计和工程团队。Kauffman拥有丰富的电磁兼容和微波设计经验。他在射频防护和相关技术上拥有多项专利。可以通过 engineering@nexteklightning.com和他进行联系。
* 译者注：原文中在文末作者简介后还有一段话，用来描述图8所表达意思，在翻译为中文后，经过考虑，将该段文章移至第四页图8下面，以符合原文的完整性和连贯性。
|
** 译者注：原文第二页图2下的第一段中，作者给出关系式µH = 5 x µF，但该关系式无论从内容还是等式两边单位一致性方面都有些不妥当，与图2中的模型对比也无法看出该公式正确，请编辑着重考虑一下该处。
