电容器是 5G 通信基础设施的关键设计组件

自 2018 年开始推广以来，第5 代 (5G) 蜂窝射频 (RF) 通信协议已承诺将个人用户、工业机器和云计算服务器发送和接收数据的方式实现成数量级的提升。为了满足国际移动通信 -2020(IMT-2020) 的要求，第三代合作伙伴计划 (3GPP) 组织制定了 5G 标准，该标准规定数据传输速率达到 10 Gbps，这比以前的 4G 标准快 10 到 100 倍。与 4G LTE 协议相比，该标准还要求单位面积的带宽提高一千倍，以允许在该区域内连接的设备数量最多可增加 100 倍。同时，该组织坚持达到 99.999% 的网络可用性，同时降低基站和连接设备的能耗。

到 2025 年中，全球将有超过 22.5 亿个 5G 连接，其中北美将超过 1.82 亿个。现在，网络架构师已将目光转向独立 (SA) 设备，这类设备仅支持 5G 频率和协议，可达到更快的上传和下载速度，并支持先进的工业物联网 (IIoT) 和机器对机器 (M2M) 通信，网络延迟可低至 1 ms。

为建设 5G 基础设施而进行新的设备开发刺激了对各类电子元件的需求，其中就包括无处不在的电容器。在 5G 应用中，电容器是一种多用途器件，如滤除不良频率并消除射频干扰，与电感器配对用来调节天线，对电源轨去耦以稳定电压水平，以及平衡天线连接等。设计 5G 设备和蜂窝基站时，工程师必须选择合适的电容器，以符合每个应用具体的性能、尺寸和成本要求。

用于 5G 天线应用的电容器

5G 基础设施的天线支持较高射频区域的三个频段：2 GHz 以下的低频段、2 GHz 至 6 GHz 的中频段以及 24 GHz 至 100 GHz 的高频段。通过将多层陶瓷电容器 (MLCC) 与电感器配对组成天线振荡器，可以调谐至特定的无线电频率。5G 基础设施的电容器必须能够处理该协议的较高频率（图 1）。

图 1：MLCC 广泛应用于射频通信领域。工程师必须谨慎选择电容器，以管理 5G 基础设施中较高的射频电流。(图片来源：KEMET Corporate）

KEMET 的 HiQ-CBR 系列电容器（图 2）就是其中之一。该系列电容器的电容在 0.1 pF 至 100 pF 之间，可在 1 MHz 至 50 GHz 频率范围内长期工作，且不会过热或丧失电容特性。由于 HiQ-CBR 电容器使用 I 类电介质，因此可在 -55°C 至 +125°C 温度范围内工作，且电容变化小于 ±30 ppm/°C。在 6.3 V 至 500 V 直流电压范围内，这种电容器也能保持非常稳定的性能且不会发生老化。

图 2：HiQ-CBR 电容器是针对 5G 基础设施采用的更高频率而设计的 MLCC。该表面贴装器件 (SMD) 采用 I 类陶瓷介电质，搭配贱金属导体，并采用亚光锡覆层端帽。(图片来源：KEMET Corporation）

HiQ-CBR 电容器由多层贱金属电极（图 3）组成。电极材料为铜，各电极层由陶瓷材料分隔并嵌于其中。此处的陶瓷材料是 I 类 C0G 介电质 CaZrO₃。金属端盖用作电极的电气连接部分，便于将该表面贴装器件 (SMD) 焊接到印刷电路板 (PCB) 上。

图 3：MLCC（如 HiQ-CBR 系列产品）的内部电极层嵌入陶瓷电介质中，端盖处有金属连接。(图片来源：KEMET Corporation）

得益于其材料和结构，HiQ-CBR 电容器具有低损耗性能，用品质因数 Q 表示，该值是耗散因数 (DF) 的倒数。电容值为 30 pF 或以上的 HiQ-CBR 电容器在 1 MHz ±100 kHz 和 1.0 ±0.2 V_RMS 条件下进行测试时，其 Q 值大于或等于 1,000。对于该产品系列中电容值较低的电容器，Q = 400 + 20C，其中 C 为电容值。

为高频射频应用设计电子产品时，工程师们也在寻找具有低等效串联电阻 (ESR) 和低等效串联电感 (ESL) 的电容器，这有助于实现高自谐振频率 (SRF)。SRF 是电容器发生共振使其失去电容并充当电感器时的频率，因此 SRF 必须远高于工作频率。HiQ-CBR 电容器的 SRF 范围为 600 MHz（100 pF 电容器）到 12,000 MHz（0.1 pF 电容器）。

HiQ-CBR 电容器的端盖经过哑光锡处理，可焊接到标准印刷电路板上。这种电容器具有常见的外壳尺寸，包括 0201 (0.2" x 0.1"）、0402 (0.4" x 0.2")、0603 (0.6" × 0.3") 和 0805 (0.8" × 0.5")。这些器件通过了无铅认证，符合 RoHS 规范。

凭借独特的性能特点和外形尺寸，HiQ-CBR 系列电容器在 5G 蜂窝基站、通信网络以及射频功率放大器 (PA)、无线局域网 (LAN)、全球定位系统 (GPS) 网络和蓝牙通信中发挥着良好的作用。该系列电容器还可用于直流阻隔、滤波、阻抗匹配、耦合和旁路等信号处理方面。

为降低干扰和信号噪声，设计人员可添加类似 KEMET FLEX SUPPRESSOR® 的产品， 用于 Wi-Fi 频段和 5G 。这种片状或卷筒状的聚合物金属复合材料（图 4）含有分散在柔性聚合物基底中的微米级磁粉，以抑制电磁波或共振，改善磁通汇聚，或降低电子设备在 3 GHz 至 40 GHz 的 5G 频段中产生的噪声。

图 4：用于 Wi-Fi 波段和 5G 的 FLEX SUPPRESSOR® 是一种混合了微米级磁粉的柔性聚合物。用户可以根据所需尺寸将其切割成薄片，以减少电磁共振或促进磁通汇聚。(图片来源：KEMET Corporation）

除振荡器之外，还可用于 5G 基础设施的电容器

电容器还可用于许多其他 5G 基础设施中，如 DC/DC 转换器、功率损耗保护、固态驱动器、路由器和交换机。在某些应用中，以高电容值著称的聚合物电解电容器和可处理纹波电流的金属化薄膜电容器比 MLCC 性能更好，或者具有更高的体积效率。

KEMET 的 T523 系列聚合物电解电容器便是其中之一 （图 5）。在该系列电容器中，阳极钽芯由五氧化二钽 (Ta₂O₅) 电介质层包裹，然后再包裹一层同样含有钽的导电聚合物电解质。这一层与第三层碳层和第四层银层共同构成阴极。

图 5：T523 聚合物电解电容器的阳极为钽，阴极部分为钽聚合物电解质。模压环氧树脂外壳通过表面贴装技术 (SMT) 安装到印刷电路板上。（图片来源：KEMET Corporation）

T523 系列电容器的电容值范围为 47 µF 至 1,000 µF，在 6.3 V 至 35 V 的额定电压范围内保持稳定。该系列具有较低 ESR，仅为 30 mΩ 至 100 mΩ，因此在 1 MHz 额定频率范围内保持稳定。

KEMET 的 A798 系列聚合物铝有机电容器也采用了聚合物电解质技术（图 6）。该系列电容器使用固体导电聚合物阴极和铝阳极，在 2 V 至 2.5 V 工作电压范围内保持稳定的 470 µF 电容。这些电容器的 ESR 为 3 mΩ 至 9 mΩ，当电容峰值频率在 100 kHz 左右时，ESR 值最低。

图 6：A798 系列聚合物电解电容器采用铝阳极和铝聚合物阴极，因此这种电容器具有出色的温度稳定性和高电容。(图片来源：KEMET Corporation）

与 MLCC 类似，这两种电容器的额定工作温度范围均为 -55°C 至 +125°C。不过，与多层陶瓷电容器不同，聚合物电容器的工作温度和湿度会限制其工作寿命。T523 电容器在额定电压和 +85°C 温度条件下的额定寿命为 2,000 小时，而 A798 电容器在采用延长寿命配方后，在额定电压和 +125°C 温度条件下的额定寿命则超过 5,500 小时。在温度低于 +85°C 的情况下，这两种电容器在额定电压下的使用寿命都有望达到 10 年或更长。

这两个聚合物电解质电容器产品线都采用了 SMT 技术，尺寸相似，长度从 0.138" 到 0.287" ，宽度从 0.110" 到 0.236" ，高度从 0.043" 到 0.110"。这些聚合物电解电容器的电容比 MLCC 高多个数量级，具有很高的容积效率。在可以使用聚合物电解电容器的应用中，与 MLCC 相比，聚合物电解电容器能以更小的封装实现相同或更高的电容。

金属化薄膜脉冲电容器（图 7）是 DC/DC 转换器中常用的另一种电容器，这种电容器以静电方式而非电解方式工作。这种电容器由多层非导电聚丙烯薄膜电介质组成，这些电介质有的一面涂有金属，有的夹杂着涂有金属的聚酯，还有的层层叠加金属箔。

图 7：金属化薄膜电容器通常采用通孔技术 (THT) 安装在印刷电路板上。金属化薄膜电容器的耗散系数较低，因此能够管理电源转换中的高 dv/dt 应用和纹波电流。(图片来源：KEMET Corporation）

KEMET 提供的金属化薄膜脉冲电容器提供多种尺寸和特性选择，适合多种 5G 基础设施应用。工程师可根据应用要求，在 40 pF 至 100 µF 电容与 100 V 至 2,500 V 直流电压之间选择合适的电容器（图 8）。这类电容器的 ESR 为 0.5 mΩ 至 6.366 Ω。

这类电容器的封装可以小至 0.283" x 0.098"，也可以大至 1.634" x 1.181"。大多数金属化薄膜脉冲电容器以通孔方式安装到 PCB 上，因此其外形略高，为 0.236" 至 1.776"。

图 8：金属化薄膜电容器的电介质为聚丙烯薄膜，中间夹有金属。这类电容器通常使用 THT 方法安装到 PCB 上。(图片来源：KEMET Corporation）

结语

5G 通信基础设施的设计在实现其承诺的优势方面，将会面临各种挑战。各种类型的电容器，从适用于高频的低电容 MLCC 到电容高出数个数量级的聚合物电解电容器，再到可承受电压和纹波电流变化的金属化薄膜电容器，都可在当今和未来的 5G 基础设施中发挥作用。