并联电容器几乎是所有低通滤波器的关键元件。馈通电容器配置为一个中心电极通过一个接地外壳,它包含所需的电容从电极到接地外壳,并实际上消除了引线电感。本文将解释馈通电容器的重要性,并提供改进的方法来测试这些关键元件的高频性能。在可重复夹具中测试馈通电容器的插入损耗性能对于评估组件的设计、应用资格和来料检验或质量审计是必要的。大电流和高性能滤波器代表了组件测试的独特挑战。此处的大电流是指电流等级显著超过30安培,最高可达并超过400安培。高性能通常是指在频率至少为1GHz的情况下,插入损耗大于30dB。
图1所示。典型的馈通安装示例。
低频性能可能需要串联电感和并联电容器。例如,这些元件可以按照巴特沃斯准则进行排列,以降低截止频率并使插入损失曲线的斜率最大化。例如,一直流行的∏滤波器,其截止频率为16 kHz -3dB,每十年滚转60dB,将由图2所示的组件组成。
图2。16kHz Pi滤波器。
而对于优化的∏滤波器,电感的值为μ H = 5 x μ F的常数关系;在许多情况下,由于重量、尺寸或成本限制,电感的实际使用值低于最佳值。电感器在大电流时容易饱和,从而进一步降低电感值。串联电感的另一个好处是提高高频性能,高于单独电容所能达到的水平。馈通电容器基本上不受通电流的影响,通常只随外加电压有微小的可预测的变化。对于最低的成本和尺寸,并消除通过电流性能的变化,馈通电容器本身是首选的,或初始的,解决大电流和高频滤波要求。
已经有几篇关于改进的测量滤波器低频性能的方法的文beplay官方免费下载章。一个有用的建议,特别是在频率低于100kHz时,是根据IEEE 1560方法10.5在全电流下使用电流注入。由于高性能引线的功能超过100MHz,准确测量组件是认证的重要组成部分。本文将解决有关测量滤波器高频插入损耗的一些问题,特别是远高于30 MHz,同时也考虑到高电流水平。
一个行业标准的插入损耗测量设置如图3所示。该电路已成功应用于300kHz至30MHz以上频段。这种测试设置的挑战是在电流超过30安培或更大,并且在大于100MHz的情况下使用。即使测试电路在地平面上,穿过电源开关的高频耦合也会对结果产生重大影响。这种高频耦合如图4所示。
图3。根据MIL-STD-220B,带负载电流和缓冲网络的插入损耗测试设置。
图4。当测量插入损耗时,跨DUT的耦合。
“开放”DUT(待测设备)区域会导致高频测量限制。对于大电流滤波器尤其如此,因为末端电极和连接线路的几何形状可以在任何一侧延伸2.0″(50mm)或更多。由于频率通常超过30MHz,滤波器上的寄生电容(从电容器的一侧到另一侧)会在滤波器周围引起明显的耦合。考虑到馈通电容器有效地分流了穿过导体的中心到地,导致什么本质上是对立的线性饮料天线。
滤波器周围的耦合可以建模为电容耦合或天线耦合。图4所示的寄生电容在图中心所示的滤波器周围耦合了更高的频率。寄生电容与若干因素成正比,包括暴露面积,与滤波器两侧的分离成反比。滤波器周围的天线型耦合与几个因素有关,主要包括分离和暴露长度。自由程损耗与分离度和频率的平方成反比,即耦合信号随距离的减小。辐射面的天线效率是复杂的,在λ/4及其谐波处提高到最大。这个因素,以及其他几个因素,可以结合在一个频率阵列上产生最大的耦合值。为了得到这种耦合效应的估计,图5所示的DUT的连接线进行了隔离测量。该图显示了两个测试引线,均与屏蔽同轴对齐,两端短接到铝接地平面。暴露长度约为50mm(2.0″)长,离地平面的距离约为13mm(1/2)”。 If we measure the isolation between these wires, we get a rough estimate of the lead-in and lead-out coupling around a feedthrough capacitor. Figure 6 shows the isolation for the grounded wires shown in Figure 5. Frequencies below 1 MHz have over 70 dB of isolation. Above 1 MHz a noticeable reduction in isolation occurs, with 50 dB indicated at 13 MHz. The isolation tends to reduce to about 30 dB at 100 MHz . The isolation maintains a value of about 30 dB up to 1Ghz, where a further drop in isolation occurs. This effectively means that “open leads” to the DUT could produce a noise floor at about 30 dB at high frequencies. MIL-STD-220B is effective at measuring the lower frequency performance including the effects of voltage and current, but measurements at frequencies above 10MHz can be compromised by the “noise floor” due to this interlead coupling.
图5。接地DUT连接测试引线。
图6。接地DUT连接引线之间的隔离。
NexTek开发了一系列紧凑的大电流馈通滤波器电容器。由于c型馈通的插入损耗基本上不受通电流水平的影响,因此使用小于满量程的测试技术准确地评估大电流滤波器的性能是有利的。NexTek还开发了一种方法,可以在不需要负载电流的情况下准确测量元件级的插入损耗,并获得非常准确的高频结果。
电容器的高频性能需要一个完全屏蔽的外壳进行测试,包括将滤波器的一侧从另一侧屏蔽。图7中显示了这样一个fixture,可以在www.nexteklight上找到
ning.com/FilterTestFixture.html)。
图7。馈通电容屏蔽测试夹具。
TEM单元启发的测试夹具有一个外部屏蔽管,由方便直径的金属管或油管制成,以适应最大的预期过滤器。内部通常必须经过精密的车削和抛光,内部入口边缘应该很圆润。有三个内部滑块,它们是活塞形状的物体。用镀镍铝制成的滑块和管取得了良好的效果。末端滑块具有同轴连接器,用于连接到网络分析仪或源和检测器。同轴连接器可能有小弹簧,弹跳销或圆盘,焊接在中心销的内侧,以与待测设备(DUT)接触。DUT滑块应保持电容器居中有一个锥形面在一边,和/或一个通孔,这只是适合组件。所有三个滑块都有外周槽,用于固定接地线,并有孔贯穿活塞的内径,用于固定接地线两端。有足够的槽深和槽宽,滑块与屏蔽管内径之间的间隙较小,滑块与屏蔽管之间至少可建立两个完整的周向屏蔽接地。螺旋型和编织网型接地线均取得了良好的效果; however, silicone foam core with double layer SnCuFe mesh seems to work best. The ground cord effectively isolates left side from the right side of the middle slider, and the internal region of the test fixture from the external environment. The feedthrough capacitor is mounted on the middle slider, which is inserted near the midpoint of the shielding tube. The end sliders are inserted and advanced until contact is made with the end electrodes of the filter, when measurements can be taken.
图8.HPR过滤器安装在测试夹具中。
量度过滤效能的技巧
A.可以评估不同过滤技术的性能。例如,铅电容器可以与陶瓷或金属化塑料馈通相比较。图9显示,引线组件在约3.3MHz处有共振。这相当于ESL约为10nH。金属化薄膜电容器在约20mhz时有一个插入损耗dip。电容值越高,这种倾斜就越明显。
图9。各种滤波电容器的比较。
B.估计电容器的寄生特性。馈通电容器在高频时接近插入损耗平台。电容器的等效串联电阻(ESR)限制了实际电容器在更高频率下分流性能的持续改进。通过图10所示的曲线,该平台的水平与电容器的ESR密切相关。金属化薄膜电容器的ESR约为0.075欧姆。陶瓷馈通电容器的ESR约为0.03欧姆。此ESR值可用于评估高频耗散或其他参数。
图10。最大插入损耗与ESR
C.过滤与屏蔽的协调。影响滤波器性能测量的整个滤波器的耦合效应也会影响所测量的外壳的应用级隔离。一般的经验法则是轴向对齐的导线之间的耦合约为-30dB。请注意,耦合水平与频率有关,在导线长度大于λ/20时,-30dB开始是一个很好的估计。因此,外壳的屏蔽效果可以略低于滤波器插入损失的值,但仍然保持隔离。如果屏蔽比滤波器插入损耗小30 dB,则产生的两个相等值路径可能会使隔离降低约3dB。
D.串联电感滤波器的建模。一些应用要求通过使用串联电感器来提高滤波器性能。对馈通电容器和串联电感的精确建模可以得到可预测和准确的结果。有两种常用的大电流电感器;绕线式和铁氧体通孔式。绕线式电感器一般电感量较高,因而低频性能较好;以牺牲尺寸、重量和成本,以及自共振的电特性为代价。一个简单但有用的绕线电感电路分析模型是并联电感和电容。当测量自谐振频率时,可以估计电容器的值。此外,应使用满载电流下的减小电感,而不是标称电感。电容和电感的参数可以相当精确地建模。 Figure 11 shows the model of a 220nF/40uH/220nF filter. The characteristics of the capacitors are ceramic as shown in Figure 9; and the wound inductor self resonant frequency of 23 MHz corresponds to a shunt capacitance of 1.2pF, and the inductance drops to 30uH at peak current.
图11。22µ40µH / F /。22µF Filter Insertion Loss.
铁氧体磁珠电感结构紧凑,成本低,易于安装在大电流导体上,易于成为射频功率的耗散器。耗散可以将大量不必要的射频能量转化为热量,而不是在系统内反射或循环能量。然而,由于饱和,这些好处是以全电流时电感的大幅降低为代价的,通常开始时电感更少。饱和效应可以通过间隙技术最小化,但这使得一个更稳定,但进一步降低电感。如果电感器是铁氧体珠型,则电路分析模型将是电感器与电阻器并联。图12显示了滤波器与前一个例子中相同的电容和铁氧体珠28A5131-0A2的建模性能。这铁素体珠测量160 nH与0.4毫米(.016″)在满载间隙。
图12。160 .22µF / nh /。22µF filter insertion.
插入损耗的精确测量不仅允许更好的高频建模,而且在使用全电流电感参数的情况下,低频建模几乎没有误差。
E.对测试夹具进行贯穿和隔离测试总是好的。图13中显示了一个内径为51mm(2.0″)和两个75mm(3.0″)长的DUT滑块中间两侧的测试夹具的测试结果示例。
图13。试验箱校准结果示例。
请注意,这条曲线涵盖了从3MHz到6GHz。上面的曲线表示通过中间DUT滑块的孔连接的导线的插入损失。由于通线的阻抗远高于50Ω,预计在约500 MHz时偏离非常低的插入损耗及其谐波。测量的插入损耗在500MHz左右时可能有些夸大。第一个有问题的共振似乎发生在3.7GHz左右。较低的曲线是隔离,中间有一个坚实的滑块。插入损耗与腔室的共振、滑块和连接电缆(以及分析仪)的屏蔽以及内部连接引线的长度有关。长度约为25mm(1″)的短引线的隔离显示出高隔离水平,几乎达到2GHz,在3.5 GHz时隔离合理。第一个有问题的隔离级别大约是4 GHz。这表明,该几何结构的测试夹具能够精确测量超过2GHz的插入损耗。
结论
精确的馈通插入损耗测量,特别是在高频时,对于了解元件参数、测量滤波性能和/或设计滤波器至关重要。所提出的屏蔽室的工作频率已超过1GHz,且易于制作和使用。
参考文献
[1]工程手册第113.5节提供了MIL-STD-220-B低频缺点的良好概述,并解释了IEEE P1560,方法10.5
[2] Phipps, Keebler, and Connatser,“改进我们测量插入损耗的方法”项目出版,2008年11月。打印。
乔治·m·考夫曼,他拥有马萨诸塞大学阿默斯特分校工程管理硕士学位和工程管理硕士学位。他领导着NexTeks的设计和工程团队。考夫曼拥有丰富的EMC和微波设计经验。他在射频保护及相关技术方面拥有多项专利。可以在……找到他(电子邮件保护)
图8显示了一个HPR 140安培滤波器,它被固定在DUT安装滑块上,被滑入外部屏蔽管。一个接地网环已进入外层屏蔽管,而另一个接地网环已接近进入。末端滑块显示为螺旋接地线,并将在DUT滑块插入到大约外部屏蔽管的中点后安装。两端的N连接器将连接到一个通过校准的网络分析仪,以非常高的精度测量滤波器的插入损失。