CN116609631A - 一种陶瓷电容容值筛选装置、筛选方法以及测量方法 - Google Patents

一种陶瓷电容容值筛选装置、筛选方法以及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷电容容值筛选装置、筛选方法以及测量方法，属于陶瓷电容技术领域，陶瓷电容容值筛选装置包括：介质基板、第一金属带、第二金属带、第三金属带和矢量网络分析仪；第一金属带、第二金属带和第三金属带沿同一方向设置于介质基板上，第二金属带位于第一金属带和第三金属带之间，第二金属带与第一金属带之间存在第一间隙，第二金属带与第三金属带之间存在第二间隙；第二金属带的两端分别电性连接矢量网络分析仪的第一端口与第二端口；其中，第一间隙和第二间隙用于放置陶瓷电容。本发明的陶瓷电容容值筛选装置，电容值测量的精度高，电容值筛选的分辨率高；陶瓷电容的连接方式简单，且不挑位置，金属带可以反复利用。

Description

一种陶瓷电容容值筛选装置、筛选方法以及测量方法
技术领域
本发明属于陶瓷电容技术领域，具体涉及一种陶瓷电容容值筛选装置、筛选方法以及测量方法。
背景技术
电子产品向着小型化和高频化不断发展，对元器件的要求越来越高，陶瓷电容是电子电路中最常见的无源器件，在微波领域，陶瓷电容主要用于耦合隔直、旁路去耦和阻抗匹配等方面。随着精密仪器对元器件精度的要求越来越高，保证整个系统准确的必要条件之一就是要保证电容值的准确度，陶瓷电容值的偏差会使仪器的放电参数产生影响。由于陶瓷贴片电容的封装方式与针脚式器件完全不同，所以普通数字万用表是无法直接测量其电容特性参数的。
当前市面上的电容测试夹具的数字电桥虽然可以测量电容，但是一般情况下只能得到极少离散频率点上的参数数据，而且通常其测量频率最高只能达到200KHz，无法测量出射频至微波频段的参数特性，且在测量低容值(标称值已知的如10pf，商家标定误差±0.1pf，但实际上达不到要求)电容上仍存在缺陷。
还有利用阻抗材料的分析仪测量，如安捷伦公司生产的E4991A，测量频率范围为1MHz-3GHz，但其价格非常高(约为四十万元)，限制了其进一步推广使用。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种陶瓷电容容值筛选装置、筛选方法以及测量方法，能够解决现有的陶瓷电容容值筛选以及测量的准确性差、成本高的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
第一方面
本发明实施例提供了一种陶瓷电容容值筛选装置，包括：介质基板、第一金属带、第二金属带、第三金属带和矢量网络分析仪；
第一金属带、第二金属带和第三金属带沿同一方向设置于介质基板上，第二金属带位于第一金属带和第三金属带之间，第二金属带与第一金属带之间存在第一间隙，第二金属带与第三金属带之间存在第二间隙；
第二金属带的两端分别电性连接矢量网络分析仪的第一端口与第二端口；
其中，第一间隙和第二间隙用于放置陶瓷电容，在第一间隙放置有第一陶瓷电容的情况下，第一陶瓷电容的上电极与第二金属带电性连接，第一陶瓷电容的下电极与第一金属带电性连接，在第二间隙放置有第二陶瓷电容的情况下，第二陶瓷电容的上电极与第二金属带电性连接，第一陶瓷电容的下电极与第三金属带电性连接。
第二方面
本发明实施例提供了一种陶瓷电容容值筛选方法，应用于如第一方面的陶瓷电容容值筛选装置，包括：
S101：在第一间隙和第二间隙分别放入第一陶瓷电容和第二陶瓷电容，通过矢量网络分析仪测量第二金属带的传输系数，其中，第一陶瓷电容和第二陶瓷电容的电容值分别处于第一目标区间和第二目标区间；
S102：以自有谐振频点作为特征信号，记录下本次测试得到的特征点，并作为基准值，其中，自有谐振频点为传输系数的最低点；
S103：保留第一陶瓷电容，以其他待筛选的陶瓷电容依次放入第二间隙以替换第二陶瓷电容，通过矢量网络分析仪测量第二金属带的传输系数，筛选出第一预设数量的谐振频点相近的陶瓷电容，完成第一轮筛选；
S104：从筛选出的谐振频点相近的陶瓷电容中随机挑选出一个陶瓷电容放入第一间隙以替换掉第一陶瓷电容，将剩余的陶瓷电容依次放入第二间隙，通过矢量网络分析仪测量第二金属带的传输系数，筛选出预设数量的谐振频点相近的陶瓷电容；
S105：重复S104，直至筛选出第二预设数量的谐振频点相近的陶瓷电容。
第三方面
本发明实施例提供了一种陶瓷电容容值测量方法，应用于如第一方面的陶瓷电容容值筛选装置，包括：
S201：构建陶瓷电容的等效电路，则陶瓷电容的阻抗Z为：
其中，P为电容，L为等效串联电感，R为等效串联电阻，ω为角频率；
S202：在第一间隙中放置待测电容，此时可构成二端口网络，二端口网络的常用参量表为：
二端口网络中各参数的关系为：
其中，和S21分别为串联电容前后传输线的传输系数，γ为复传播常数，l1、l2为负载到各端口的距离，a2为端口2的入射信号，b2为端口2的发射信号，S21可由矢量网络分析仪直接测量得到，/>F为第二金属带的衰减幅度，τ为第二金属带的衰延迟时间，Z0为第二金属带的特征阻抗，S21P是待测电容的传输系数；
S203：联立公式(2)和(3)，可得：
联立公式(1)、(4)和(5)，可得：
S204：通过矢量网络分析仪测量参数S21的值，得到等效阻抗Z的值，再根据Z的值用数据拟合的方法拟合出待测电容的电容值P。
本发明至少具有以下有益效果：
在本发明实施例中，通过在介质基板上设置第一金属带、第二金属带和第三金属带，在第二金属带与第一金属带之间形成第一间隙，第二金属带与第三金属带之间形成第二间隙，在第一间隙和第二间隙中放置待筛选的陶瓷电容，以第二金属带作为信号传输线与矢量网络分析仪电性连接。通过矢量网络分析仪测量第二金属带的传输系数对陶瓷电容的电容值进行筛选以及测量。(1)电容值测量的精度高，电容值筛选的分辨率高；(2)只需将陶瓷电容按照要求放置于金属带之间的间隙中，陶瓷电容的连接方式简单，且不挑位置，金属带可以反复利用；(3)结构简单，易于实现，有利于技术的普及；(4)操作简单，测试数据稳定；(5)可以根据陶瓷电容的尺寸相适合的调整金属带之间的间隙，具有通用性和灵活性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种陶瓷电容容值筛选装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种陶瓷电容容值筛选装置沿A-A方向的剖面图；
图3是本发明实施例提供的一种陶瓷电容容值筛选方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种陶瓷电容容值测量方法的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的一种陶瓷电容的等效电路图；
图6是本发明实施例提供的一种二端口网络的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种串联电容后第二金属带的信号流向图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例、参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本发明实施例提供陶瓷电容容值筛选装置、筛选方法以及测量方法进行详细地说明。
实施例一
参照图1，示出了本发明实施例提供的一种陶瓷电容容值筛选装置的结构示意图。
参照图2，示出了本发明实施例提供的一种陶瓷电容容值筛选装置沿A-A方向的剖面图。
本发明实施例提供的一种陶瓷电容容值筛选装置，包括：介质基板1、第一金属带2、第二金属带3、第三金属带4和矢量网络分析仪。
其中，介质基板1可以呈矩形块状或者圆柱状，本发明对于介质基板1的具体形状不做限定。
第一金属带2、第二金属带3和第三金属带4沿同一方向设置于介质基板1上，第二金属带3位于第一金属带2和第三金属带4之间，第二金属带3与第一金属带2之间存在第一间隙31，第二金属带3与第三金属带4之间存在第二间隙32。
其中，处于中间位置的第二金属带3作为信号传输线，用于传输陶瓷电容的测量信号。
进一步地，第一金属带2、第二金属带3和第三金属带4沿同一方向设置于介质基板1上可以构成共面波导结构。在本发明中，共面波导结构信号传输线和地线在同一平面上，免去了接地需要通孔的麻烦，从而使其特别适合与电容的连接，连接串联或者并联的陶瓷电容非常的方便，同时陶瓷电容受介质基板1厚度的影响比较小。与此同时，由于两条相邻的线之间有地，他们之间的互相干扰比较微弱。
第二金属带3的两端分别电性连接矢量网络分析仪的第一端口51与第二端口52。
其中，矢量网络分析仪是一种电磁波能量的测试设备。它既能测量单端口网络或两端口网络的各种参数幅值，又能测相位，矢量网络分析仪能用史密斯圆图显示测试数据。关于矢量网络分析仪的具体原理请参与相关现有技术，本发明不再赘述。
其中，第一间隙和第二间隙用于放置陶瓷电容，在第一间隙放置有第一陶瓷电容的情况下，第一陶瓷电容的上电极与第二金属带3电性连接，第一陶瓷电容的下电极与第一金属带2电性连接，在第二间隙放置有第二陶瓷电容的情况下，第二陶瓷电容的上电极与第二金属带3电性连接，第一陶瓷电容的下电极与第三金属带4电性连接。
在一种可能的实施方式中，第一金属带2、第二金属带3和第三金属带4为铜制金属带或者银制金属带。
在一种可能的实施方式中，第一金属带2、第二金属带3和第三金属带4的厚度相同。
进一步地，第一金属带2、第二金属带3和第三金属带4的厚度为18μm或者35μm。
在一种可能的实施方式中，第一金属带2和第三金属带4的宽度大于第二金属带3的宽度。
在一种可能的实施方式中，介质基板1由介电材料制成。
进一步地，介质基板1为PCB板。
关于本发明提供的陶瓷电容容值筛选装置在筛选陶瓷电容容值时的具体步骤以及原理请参考实施例二，在检测陶瓷电容容值时的具体步骤以及原理请参考实施例三，为避免重复，本发明不做赘述。
在一种可能的实施方式中，介质基板1的厚度为1mm至1.5mm。
本发明至少具有以下有益效果：
在本发明实施例中，通过在介质基板1上设置第一金属带2、第二金属带3和第三金属带4，在第二金属带3与第一金属带2之间形成第一间隙，第二金属带3与第三金属带4之间形成第二间隙，在第一间隙和第二间隙中放置待筛选的陶瓷电容，以第二金属带3作为信号传输线与矢量网络分析仪电性连接。通过矢量网络分析仪测量第二金属带3的传输系数对陶瓷电容的电容值进行筛选以及测量。(1)电容值测量的精度高，电容值筛选的分辨率高；(2)只需将陶瓷电容按照要求放置于金属带之间的间隙中，陶瓷电容的连接方式简单，且不挑位置，金属带可以反复利用；(3)结构简单，易于实现，有利于技术的普及；(4)操作简单，测试数据稳定；(5)可以根据陶瓷电容的尺寸相适合的调整金属带之间的间隙，具有通用性和灵活性。
实施例二
参照图3，示出了本发明实施例提供的一种陶瓷电容容值筛选方法的流程示意图。
本发明实施例提供了一种陶瓷电容容值筛选方法，应用于实施例1的陶瓷电容容值筛选装置，包括：
S101：在第一间隙和第二间隙分别放入第一陶瓷电容和第二陶瓷电容，通过矢量网络分析仪测量第二金属带的传输系数。
其中，第一陶瓷电容和第二陶瓷电容的电容值分别处于第一目标区间和第二目标区间的大致范围已知。也就是说，对于第一陶瓷电容和第二陶瓷电容的电容值的具体大小不清楚，但是大致范围是已知的，第一陶瓷电容的电容值在第一目标区间内，第二陶瓷电容的电容值在第二目标区间内。例如，可以从陶瓷电容出厂的标称容值来大致确定陶瓷电容的电容值范围。
S102：以自有谐振频点作为特征信号，记录下本次测试得到的特征点，并作为基准值。
其中，自有谐振频点为传输系数的最低点。
S103：保留第一陶瓷电容，以其他待筛选的陶瓷电容依次放入第二间隙以替换第二陶瓷电容，通过矢量网络分析仪测量第二金属带的传输系数，筛选出第一预设数量的谐振频点相近的陶瓷电容，完成第一轮筛选。
其中，第一预设数量可以理解为初步筛选的数量，本领域技术人员可以根据实际情况选择第一预设数量的具体数值。
S104：从筛选出的谐振频点相近的陶瓷电容中随机挑选出一个陶瓷电容放入第一间隙以替换掉第一陶瓷电容，将剩余的陶瓷电容依次放入第二间隙，通过矢量网络分析仪测量第二金属带的传输系数，筛选出预设数量的谐振频点相近的陶瓷电容。
S105：重复S104，直至筛选出第二预设数量的谐振频点相近的陶瓷电容。
其中，第二预设数量可以理解为最终筛选的数量，本领域技术人员可以根据实际情况选择第二预设数量的具体数值。一般来说，第一预设数量是第二筛选数量的2至3倍。例如，第一预设数量为8个，第二预设数量为2个。
本发明至少具有以下有益效果：
在本发明实施例中，通过在介质基板上设置第一金属带、第二金属带和第三金属带，在第二金属带与第一金属带之间形成第一间隙，第二金属带与第三金属带之间形成第二间隙，在第一间隙和第二间隙中放置待筛选的陶瓷电容，以第二金属带作为信号传输线与矢量网络分析仪电性连接。通过矢量网络分析仪测量第二金属带的传输系数对陶瓷电容的电容值进行筛选以及测量。(1)电容值测量的精度高，电容值筛选的分辨率高；(2)只需将陶瓷电容按照要求放置于金属带之间的间隙中，陶瓷电容的连接方式简单，且不挑位置，金属带可以反复利用；(3)结构简单，易于实现，有利于技术的普及；(4)操作简单，测试数据稳定；(5)可以根据陶瓷电容的尺寸相适合的调整金属带之间的间隙，具有通用性和灵活性。
实施例3
参照图4，示出了本发明实施例提供的一种陶瓷电容容值测量方法的流程示意图。
本发明实施例提供了一种陶瓷电容容值测量方法，应用于实施例1的陶瓷电容容值筛选装置，包括：
参照图5，示出了本发明实施例提供的一种陶瓷电容的等效电路图。
S201：构建陶瓷电容的等效电路，则陶瓷电容的阻抗Z为：
其中，P为电容，L为等效串联电感，R为等效串联电阻，ω为角频率；
参照图6，示出了本发明实施例提供的一种二端口网络的结构示意图。
参照图7，示出了本发明实施例提供的一种串联电容后第二金属带的信号流向图。
S202：在第一间隙中放置待测电容，此时可构成二端口网络，二端口网络的常用参量表为：
二端口网络中各参数的关系为：
其中，和S21分别为串联电容前后传输线的传输系数，γ为复传播常数，l1、l2为负载到各端口的距离，a2为端口2的入射信号，b2为端口2的发射信号，S21可由矢量网络分析仪直接测量得到，/>F为第二金属带的衰减幅度，τ为第二金属带的衰延迟时间，Z0为第二金属带的特征阻抗，S21P是待测电容的传输系数；
S203：联立公式(2)和(3)，可得：
联立公式(1)、(4)和(5)，可得：
S204：通过矢量网络分析仪测量参数S21的值，得到等效阻抗Z的值，再根据Z的值用数据拟合的方法拟合出待测电容的电容值P。
本发明至少具有以下有益效果：
在本发明实施例中，通过在介质基板上设置第一金属带、第二金属带和第三金属带，在第二金属带与第一金属带之间形成第一间隙，第二金属带与第三金属带之间形成第二间隙，在第一间隙和第二间隙中放置待筛选的陶瓷电容，以第二金属带作为信号传输线与矢量网络分析仪电性连接。通过矢量网络分析仪测量第二金属带的传输系数对陶瓷电容的电容值进行筛选以及测量。(1)电容值测量的精度高，电容值筛选的分辨率高；(2)只需将陶瓷电容按照要求放置于金属带之间的间隙中，陶瓷电容的连接方式简单，且不挑位置，金属带可以反复利用；(3)结构简单，易于实现，有利于技术的普及；(4)操作简单，测试数据稳定；(5)可以根据陶瓷电容的尺寸相适合的调整金属带之间的间隙，具有通用性和灵活性。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种陶瓷电容容值筛选装置，其特征在于，包括：介质基板、第一金属带、第二金属带、第三金属带和矢量网络分析仪；
所述第一金属带、所述第二金属带和所述第三金属带沿同一方向设置于所述介质基板上，所述第二金属带位于所述第一金属带和第三金属带之间，所述第二金属带与所述第一金属带之间存在第一间隙，所述第二金属带与所述第三金属带之间存在第二间隙；
所述第二金属带的两端分别电性连接所述矢量网络分析仪的第一端口与第二端口；
其中，所述第一间隙和第二间隙用于放置陶瓷电容，在所述第一间隙放置有第一陶瓷电容的情况下，所述第一陶瓷电容的上电极与所述第二金属带电性连接，所述第一陶瓷电容的下电极与所述第一金属带电性连接，在所述第二间隙放置有第二陶瓷电容的情况下，所述第二陶瓷电容的上电极与所述第二金属带电性连接，所述第一陶瓷电容的下电极与所述第三金属带电性连接。
2.根据权利要求1所述的陶瓷电容容值筛选装置，其特征在于，所述第一金属带、所述第二金属带和所述第三金属带为铜制金属带或者银制金属带。
3.根据权利要求1所述的陶瓷电容容值筛选装置，其特征在于，所述第一金属带、所述第二金属带和所述第三金属带的厚度相同。
4.根据权利要求3所述的陶瓷电容容值筛选装置，其特征在于，所述第一金属带、所述第二金属带和所述第三金属带的厚度为18μm或者35μm。
5.根据权利要求1所述的陶瓷电容容值筛选装置，其特征在于，所述第一金属带和所述第三金属带的宽度大于所述第二金属带的宽度。
6.根据权利要求1所述的陶瓷电容容值筛选装置，其特征在于，所述介质基板由介电材料制成。
7.根据权利要求6所述的陶瓷电容容值筛选装置，其特征在于，所述介质基板为PCB板。
8.根据权利要求1所述的陶瓷电容容值筛选装置，其特征在于，所述介质基板的厚度为1至1.5mm。
9.一种陶瓷电容容值筛选方法，应用于如权利要求1至8所述的陶瓷电容容值筛选装置，其特征在于，包括：
S101：在所述第一间隙和所述第二间隙分别放入第一陶瓷电容和第二陶瓷电容，通过所述矢量网络分析仪测量所述第二金属带的传输系数，其中，所述第一陶瓷电容和所述第二陶瓷电容的电容值分别处于第一目标区间和第二目标区间；
S102：以自有谐振频点作为特征信号，记录下本次测试得到的特征点，并作为基准值，其中，所述自有谐振频点为所述传输系数的最低点；
S103：保留所述第一陶瓷电容，以其他待筛选的陶瓷电容依次放入所述第二间隙以替换所述第二陶瓷电容，通过所述矢量网络分析仪测量所述第二金属带的传输系数，筛选出第一预设数量的谐振频点相近的陶瓷电容，完成第一轮筛选；
S104：从筛选出的谐振频点相近的陶瓷电容中随机挑选出一个陶瓷电容放入所述第一间隙以替换掉所述第一陶瓷电容，将剩余的陶瓷电容依次放入所述第二间隙，通过所述矢量网络分析仪测量所述第二金属带的传输系数，筛选出预设数量的谐振频点相近的陶瓷电容；
S105：重复所述S104，直至筛选出第二预设数量的谐振频点相近的陶瓷电容。
10.一种陶瓷电容容值测量方法，应用于如权利要求1至8所述的陶瓷电容容值筛选装置，其特征在于，包括：
S201：构建陶瓷电容的等效电路，则所述陶瓷电容的阻抗Z为：
其中，P为电容，L为等效串联电感，R为等效串联电阻，ω为角频率；
S202：在所述第一间隙中放置待测电容，此时可构成二端口网络，所述二端口网络的常用参量表为：
所述二端口网络中各参数的关系为：
其中，和S21分别为串联电容前后传输线的传输系数，γ为复传播常数，l1、l2为负载到各端口的距离，a2为端口2的入射信号，b2为端口2的发射信号，所述S21可由所述矢量网络分析仪直接测量得到，/>F为所述第二金属带的衰减幅度，τ为所述第二金属带的衰延迟时间，Z0为所述第二金属带的特征阻抗，S21P是所述待测电容的传输系数；
S203：联立公式(2)和(3)，可得：
联立公式(1)、(4)和(5)，可得：
S204：通过所述矢量网络分析仪测量参数S21的值，得到等效阻抗Z的值，再根据Z的值用数据拟合的方法拟合出所述待测电容的电容值P。
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