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晶體濾波器
來源:黄瓜视频app下载官方污科技   發布時間:2012-08-20  瀏覽數:4560    【收藏本頁】

  用晶體諧振器組成的濾波器 。與 LC 諧振回路構成的濾波器相比,晶體濾波器在頻率選擇性、頻率穩定性、過渡帶陡度和插入損耗等方麵都優越得多,已廣泛用於通信、導航、測量等電子設備。1921 年 W. G.凱地將晶體諧振器用於各種調諧電路 ,形成了晶體濾波器的雛形 。1927年L.艾斯本希德把晶體諧振器用於真正的濾波電路 。1931年 W.P.梅森又把它用於格型濾波器。60年代中期,集成式晶體濾波器研製成功,晶體濾波器在小型化方麵有了很大發展。

石英晶體濾波器是采用石英晶體諧振器為基本元件的電氣濾波器,由於它有很高的品質因數(數萬以上),因此在軍、民用電子設備中應用極其廣泛,特別是在中頻範疇內具有不可替代的地位。

 

石英晶體濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻晶體濾波器。其中又以帶通及帶阻晶體濾波器最為常用。各種晶體濾波器都可由梯型或差接橋型電路組成,而差接橋型電路具有所需元件較少、對元件參數要求較低、設計靈活,因此在大多數工程設計中,通常采用這種電路。
 

石英晶體濾波器具有以下特點:
 

阻帶衰減高:石英晶體濾波器具有陡峭的阻帶衰減特性,一般阻帶衰減都在60dB以上,有的甚至達到90dB以上。

矩形係數好:石英晶體濾波器的矩形係數一般在2到5左右,頻率較低的可達到1.8左右,具有良好頻率擇性。

頻率溫度穩定性好:由於石英晶體在寬溫度範圍內具有的特性,使得晶體濾波器的幅頻特性在寬溫度範圍內具有非常高的穩定性。

體積小:石英晶體濾波器所需的元件較少,而且許多元件都可實現表貼化,因此,這種晶體濾波器的體積相對較小。

插損小:一般均小於5dB。

 

      石英晶體諧振器是最常用的晶體諧振器之一,它在濾波器中主要用作窄帶通濾波器。鉭酸鋰或铌酸鋰晶體諧振器的耦合係數和頻率常數較大,適用於製做高頻寬帶通濾波器。其他壓電材料因溫度穩定性較差,很少采用。

 


 

  當作用於晶體諧振器的電信號頻率等於晶體的固有頻率時,電能通過晶體的逆壓電效應在晶體中引起機械諧振產生機械能;在輸出端,正壓電效應又將這種機械能轉換為電信號。晶體諧振器及其等效電路和阻抗特性如上圖1。其中,L1、C1和R1分別代表晶體諧振器的動態電感、動態電容和動態電阻;C0為晶體支架和電極間的靜態電容。R1通常很小,可忽略不計。這樣,圖1a的等效電路可視為純電抗二端網絡。諧振器的串聯、並聯諧振頻率f1、f2以及比值f2/f1分別為:

  
 

比值 f2/f1隨比值C1/C0而異。這個特性可以用來調節晶體濾波器的通頻帶。例如,諧振器外接一個串聯電容器,等效於C1減小、f1升高;而外接一個並聯電容器,則等效於C0增大、f2降低。兩者均可縮小f1與f2之間的間隔,即縮窄通頻帶。如果串接或並接電感器,則將增大頻率間隔,展寬通頻帶。

  因晶片不能做得很薄,石英晶體諧振器的基波頻率隻能達到30~35兆赫。工作頻率較高的諧振器大多工作於泛音(高於基頻近奇次倍的振動),但泛音次數越高,串、並聯諧振頻率的間隔越小。

  70年代發展起來的離子刻蝕技術能使晶體諧振器的基波頻率接近 500兆赫。但由於外接元件,特別是線圈問題,其泛音頻率也隻能做到 600兆赫,相對帶寬約為0.01%~1%。


 

  分立式晶體濾波器  由分立式晶體諧振器和分立式電子元件構成的濾波器,圖2a的差接橋型晶體濾波器是其一種。在濾波性能上它和格型濾波器等效,但所用的晶體諧振器數目可減少一半。其阻抗特性及衰減特性如上圖2b 和c。在f1至f3之間,z1和z2的符號相反,又由於變壓器次級兩端電壓的極性相反,兩臂中的電流同號相加,所以f1至f3間為濾波器的通頻帶。同理,當f<f1和f>f3時,z1和z2同號,兩臂電流異號相減;所以f1~f3兩側以外的區域為阻帶。z1=z2時,輸出為零,f、f為無窮大衰減頻率。分立式晶體濾波器可實現的中心頻率為10千赫到350兆赫,相對帶寬為0.01%~10%。

至於梯型石英晶體濾波器(如下圖):





由於使用石英晶體數量較多,群延時指標低於差接橋型,而且在規定帶內波動指標的前提下,帶寬受到限製等多方麵原因,在專業無線電設備中較難看到,相反因其電路簡單,在業餘愛好者的DIY製作中比較常見(業餘愛好者的套件一般隻提帶內波動、插入損耗、阻帶衰減、矩形係數,絕不談群延時指標)。

  集成式晶體濾波器

         采用集成電路工藝製作的晶體濾波器,有單片的、串聯單片的和多片的三種類型。


          單片晶體濾波器(MCF)由鍍在AT切石英片上若幹對電極形成的耦合諧振器組成。是在石英基片表麵配置若幹對金屬電極形成的耦合諧振器組成,它能夠構成的帶通和帶阻濾波器。 它利用壓電效應的能陷理論來選擇電極振子的幾何尺寸、返回頻率和電極振子間矩,以控製超聲波的聲學耦合,從而達到濾波的目的。其特點是頻率選擇度十分陡峭、損耗低、穩定性好、阻帶衰減高,現已在移動通信設備中大量使用,是必不可少的初級中頻濾波器,對提高整機靈敏度和抗幹擾能力具有重要作用。國外MCF產品實用化水平為:中心頻率為幾MHz~150MHz,帶寬0.001~0.1%,頻道間隔12.5~25kHz,最小封裝尺寸為8×8×3.2mm,重量為0.4g。
MCF目前的發展方向集中在開發新型壓電材料、擴展帶寬、減少帶內延時波動、增大帶外衰減、擴充和提高中頻點和線性度並使封裝尺寸進一步小型化和片式化。 下圖為其中最簡單的四電極單片晶體濾波器電路結構及其等效電路。輸入諧振器隨所加信號電壓而產生厚度切變振動,晶片因受電極質量負荷的影響,電極區的諧振頻率比非電極區的低,使彈性波在兩區邊界發生反射,從而使絕大部分能量陷落在電極區內,少量泄漏的能量則耦合到與之相鄰的諧振器。這樣依次相傳到輸出諧振器,再變為電信號。適當地設計電極尺寸、諧振器間距和頻率鍍回率,就可以控製彈性波在晶片中的傳播,從而實現濾波功能。 
 

            串聯單片晶體濾波器  由若幹用電容耦合的單片晶體濾波器組成下圖4。其優點是利於調整工作頻率和抑製寄生頻率。

       多片晶體濾波器  由串聯的耦合諧振器、並聯的單諧振器和電容器組成下圖5。其特點是能在靠近通頻帶的頻率上形成若幹衰減峰,有利於抑製幹擾和改善濾波性能。

   集成式晶體濾波器體積小、可靠性高而且造價低。但其中心頻率隻有4.5~350兆赫,相對帶寬為0.01%~0.3%,所以在要求中心頻率低、通頻帶寬的場合尚不能取代分立式晶體濾波器。
 

術語解釋 


1、 插入損耗:信號源直接傳送給負載阻抗的功率(P0)和插入濾波器後傳送給負載阻抗的功率(P1)之比的對數值。通常用分貝(dB)為單位進行度量,表示為IL=10 lg (P0/ P1)。 
2、 通帶波動:通帶內衰耗的最大峰值與最小穀值之差。 
3、 通帶寬度;指相對衰耗小於和等於某一規定值時的頻率寬度(如1dB、2dB、3dB、6dB等)。 
4、 阻帶衰耗:指整個阻帶內的最小衰耗值。 
5、 阻帶寬度:相對衰耗等於和大於某規定值時的頻帶寬度(如40dB、50dB、60dB、80dB等)。 
6、 匹配阻抗:濾波器技術條件中要求的端接匹配阻抗值。 
 

應用指南 


石英晶體濾波器根據其結構不同分為集成式單片濾波器和分離式濾波器。   
  集成式濾波器結構簡單、體積小、價格低,但其帶寬和頻率受到限製,分離式濾波器則可以彌補集成式濾波器的不足,使可實現的頻率和帶寬得以拓展。   
  數字通訊技術的發展,對晶體濾波器的群延時特性及互調失真指標提出要求,而分離式濾波器能夠較容易解決。 
1、 阻抗匹配:性能優良的濾波器在與其端接的電路阻抗不匹配時,濾波特性會變差,引起通帶波動增大,插損增加。當外電路阻抗低於濾波器特性阻抗時,中心頻率將下移,反之上移。濾波器的測試或使用應符合以下原理圖
 

 

 


 

信號源+電平表"功能由網絡分析儀完成
  Ri、R0:儀器內阻:一般為50Ω
  R1--濾波器輸入端外接阻抗,阻抗值為匹配阻抗減去50Ω。
  R2--濾波器輸出端外接阻抗,阻抗值為匹配阻抗減去50Ω。
  在濾波器條件的匹配阻抗中有時有並接電容要求,應按上圖連接。 
2、 合理的測量電平;如同晶體對激勵電平的要求一樣,濾波器中其核心元件仍是晶體,因此激勵電平在沒有規定時,一般選0dB作為輸入電平。 
3、 良好的屏蔽:對濾波器的輸入端和輸出端進行良好屏蔽,以使信號源的能量不能直接耦合到負載端。對甚高頻以上濾波器,則應使濾波器與儀器間的連接盡量符合同軸線原理。濾波器在線路上時應盡可能采用大麵積接地,並將輸入、輸出端隔離,保證濾波器的阻帶衰耗。

產品定購和使用中的注意事項

根據產品手冊選擇適當的技術參數:如中心頻率、通帶寬度、帶內波動、帶外抑製、矩形係數、端接阻抗等;使用中的注意事項:晶體濾波器輸入輸出端需有隔直電容;合理的接地,大麵積接地可以提高帶外衰減;良好的阻抗匹配可以得到最佳的濾波效果。 

附圖片:




 

 

 

 

 

一軍機上的高中頻(63.65MHz)晶體濾波器