КЕРАМИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01G4/12 

Изобретение относится к электронной технике и микроволновой технике СВЧ и может быть использовано в микросхемах и модулях в качестве емкостного элемента.

Известен конденсатор постоянной емкости АТС-100 В или его аналог - отечественный монолитный керамический конденсатор К10-57 (ОЖО 460.194 ТУ) с размерами 3,2 х 2,5 х 2,5 мм. Собственная резонансная частота (СРЧ) таких конденсаторов является одним из основных параметров, определяющих рабочий диапазон конденсатора как емкостного элемента.

СРЧ таких конденсаторов в зависимости от увеличения их номинальной емкости понижается. Так, для конденсатора АТС-10 В при номинальной емкости 300 пФ f_СРЧ≃400 МГц, а при 100 пФ f_СРЧ ≃230 МГц. Для конденсатора К10-57, размеры которого несколько больше, при 300 пФ f_СРЧ≃350 МГц и для 100 пФ f_СРЧ≃180 МГц.

Недостатком таких конденсаторов является ограничение их работы как емкостных элементов до вышеуказанных частот, выше которых конденсатор не является емкостным элементом.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, взятым в качестве прототипа, является конструкция керамичес- кого конденсатора, который может быть использован в СВЧ-технике.

Такой конденсатор содержит пакет керамических пластин с расположенными между ними электродами, торцовые выводы в виде металлизированных контактных полос, металлизированный слой, соединенный с торцовыми выводами и охваты- вающий пакет керамических пластин.

Металлизированный слой состоит из двух частей, разделенных зазором, равноудаленным от торцовых выводов.

Как показывает практика конденсатор-прототип может быть использован для работы на частотах выше СРЧ, т.е. позволяет расширить диапазон рабочих частот. Однако в этом случае конденсатор характеризуется основным параметром - вносимые потери (дБ). В конструкции прототипа поверхностная металлизация определяет вносимые потери за счет скин-эффекта, т.е. с ростом частоты вносимые потери будут расти пропорционально корню квадратному от частоты . В этом случае решение задачи расширения диапазона частот теряет смысл.

Кроме того, существенным недостатком конструкции прототипа является формирование зазора размером ≃100 мкм на металлизированной поверхности. Поскольку зазор образует малую емкость, открытую для доступа влаги и пыли, то стабильность емкости не обеспечивается, а при климатических испытаниях такой конденсатор не выдерживает стандартное номинальное напряжение U_н=50 В.

Цель изобретения - увеличение собственной резонансной частоты СРЧ конденсатора и расширение диапазона его рабочих частот.

Осуществление предлагаемого изобретения позволит использовать керамический конденсатор как на низких частотах ( ≈300 МГц), так и на частотах 2-10 ГГц как емкостной элемент.

Керамический конденсатор, содержащий пакет керамических пластин с электродами и торцовые выводы, соединенные с электродами, снабжен двумя дополнительными керамическими пластинами с электродами. Дополнительные керамические пластины размещены с обеих сторон пакета, электроды дополнительных керамических пластин соединены с торцовыми выводами и каждый из электродов расположен от ближайшего электрода пакета на расстоянии D, определяемом из соотношения
D=(16-20)d, где d - расстояние между электродами в пакете, м.

Конструкция керамического конденсатора поясняется чертежом.

Керамический конденсатор содержит пакет керамических пластин 1 с металлизированными электродами 2, торцовые выводы 3, соединенные с электродами 2, дополнительные керамические пластины 4, которые размещены с обеих сторон пакета, и электроды 5 дополнительных пластин 4, соединенные с торцовыми выводами 3, каждый из которых расположен от ближайшего электрода 2 в пакете на расстоянии D, определяемом из соотношения D=(16-20)d, где d - расстояние (м) между электродами 2 в пакете, причем поверх электродов 5 дополнительных пластин 4 припрессованы пластины 6.

Электроды 5 образуют малую емкость 3-10 пФ относительно центральных электродов 2 в пакете, которые на частотах диапазона СВЧ порядка 2-10 ГГц представ- ляют собой индуктивность (т.е. как бы металлизированную полоску).

Керамический конденсатор работает следующим образом.

Емкость конденсатора состоит из двух параллельно включенных емкостей: основной емкости С_о с большим количеством электродов 2, находящихся на расстоянии d друг от друга, и дополнительной емкости С_д, которая обеспечивается вводимыми дополнительными керамическими пластинами 4 и дополнительными электродами 5 на расстоянии (16-20)d.

При приложении электрического напряжения с частотой ниже СРЧ f_o = конденсатор обеспечивает емкостный характер реактивности, при приложении электрического напряжения с частотой выше f_o основная емкость С_о представляет собой индуктивное реактивное сопротивление или просто индуктивность L, относительно которой дополнительные электроды составляют малую емкость С_д.

Эквивалентная схема конденсатора в этом случае представляется как параллельное соединение индуктивности L и емкости С_д со значительно более высокой собственной резонансной частотой.

Таким образом, конструкция СВЧ-конденсатора обладает двумя емкостями: первая с номинальной емкостью С_о ≠300-1000 пФ (конденсатор типа К10-57 или К10-65), работающая в диапазоне частот 180-350 МГц, вторая с емкостью С_д ≠3-10 пФ, работающая в диапазоне частот 2-10 ГГц в зависимости от величины формируемой дополнительной емкости, т.е. от формы электрода, диэлектрической проницаемости керамической пластины и т.д.

Экспериментально по стандартной технологии были изготовлены образцы керамических конденсаторов размерами 3,2 х 2,5 х 2,5 мм с использованием в качестве диэлектрика керамики ТЛ/О с ε≠ 40-42 на основе состава (Ca, La) (Ti, Al)O₃. Для сравнения испытанию подвергались образцы конденсаторов без дополнительных электродов (п. 1 и 2 таблицы) и с дополнительными электродами с номинальной емкостью 370 и 200 пФ (п. 3-8 таблицы).

Измерялись конденсаторы с расстоянием между электродами в пакете d=25 мкм и расстоянием между дополнительным электродом и ближайшим электродом пакета D, равным 400, 500 и 450 мкм (п. 3 и 4, п. 5 и 6, п. 7 и 8 таблицы соответственно).

На образцах измеряли основной параметр - собственную резонансную частоту (СРЧ) конденсатора в широком диапазоне частот. Для измерений использовали приборы Р4-37 (0,5-1250 МГц), Р4-38 (1,25-5,0 ГГц) и Р4-36 (3,9-12,1 ГГц). В соответствии с методикой измерений величины СРЧ производили включение закороченного измеряемого образца на коаксиальной линии с сечением 7/3,05 мм.

Результаты измерений СРЧ представлены в таблице. Приведены усредненные значения СРЧ для измерений 10 шт. конденсаторов.

Как следует из данных, представленных в таблице, предлагаемая конструкция конденсатора позволяет увеличить величину СРЧ и расширить диапазон рабочих частот, не ухудшая при этом электрические параметры конденсатора.

Стандартные электрические параметры для конденсаторов типа К10-57, на основе которых были изготовлены экспериментальные образцы, следующие:
- U_ном=100 В;
- диапазон рабочих температур (-60)-(+125)^оС;
- температурный коэффициент емкости ТКЕ по группе МПО;
- номинальные емкости по ряду Е24 и т.д. в соответствии с ТУ (ОЖО 460.194 ТУ).

Использование: в электронной технике и микроволновой технике СВЧ, например в микросхемах и модулях в качестве емкостного элемента. Сущность изобретения: конденсатор содержит пакет керамических пластин с электродами (Э), выходящими на торцовые выводы. С обеих сторон пакета дополнительно располагают по одной керамической пластине с Э, отстоящим на расстоянии, равном (16 - 20) d, от ближайшего Э пакета, где d - расстояние между Э в пакете в метрах. 1 ил., 1 табл.

КЕРАМИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР, содержащий пакет керамических пластин с электродами и торцовые выводы, соединенные с электродами, отличающийся тем, что он снабжен двумя дополнительными керамическими пластинами с электродами, дополнительные керамические пластины размещены с обеих сторон пакета, электроды дополнительных керамических пластин соединены с торцовыми выводами и каждый из электродов расположен от ближайшего электрода пакета на расстоянии
D = (16 - 20)d,
где d - расстояние между электродами в пакете, м.