晶體濾波器 crystal filte
用晶體諧振器組成的濾波器 。與 LC 諧振回路構(gòu)成的濾波器相比，晶體濾波器在頻率選擇性、頻率穩(wěn)定性、過(guò)渡帶陡度和插入損耗等方面都優(yōu)越得多，已廣泛用于通信、導(dǎo)航、測(cè)量等電子設(shè)備。1921 年 W. G.凱地將晶體諧振器用于各種調(diào)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于真正的濾波電路 。1931年 W.P.梅森又把它用于格型濾波器。60年代中期，集成式晶體濾波器研制成功，晶體濾波器在小型化方面有了很大發(fā)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，由于它有很高的品質(zhì)因數(shù)（數(shù)萬(wàn)以上），因此在軍、民用電子設(shè)備中應(yīng)用極其廣泛，特別是在中頻范疇內(nèi)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(duì)元件參數(shù)要求較低、設(shè)計(jì)靈活，因此在大多數(shù)工程設(shè)計(jì)中，通常采用這種電路。
石英晶體濾波器具有以下特點(diǎn)：
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(dá)到90dB以上。
矩形系數(shù)好：石英晶體濾波器的矩形系數(shù)一般在2到5左右，頻率較低的可達(dá)到1.8左右，具有良好頻率擇性。
頻率溫度穩(wěn)定性好：由于石英晶體在寬溫度范圍內(nèi)具有的特性，使得晶體濾波器的幅頻特性在寬溫度范圍內(nèi)具有非常高的穩(wěn)定性。
體積。菏⒕w濾波器所需的元件較少，而且許多元件都可實(shí)現(xiàn)表貼化，因此，這種晶體濾波器的體積相對(duì)較小。
插損。阂话憔∮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。鉭酸鋰或鈮酸鋰晶體諧振器的耦合系數(shù)和頻率常數(shù)較大，適用于制做高頻寬帶通濾波器。其他壓電材料因溫度穩(wěn)定性較差，很少采用。
當(dāng)作用于晶體諧振器的電信號(hào)頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，電能通過(guò)晶體的逆壓電效應(yīng)在晶體中引起機(jī)械諧振產(chǎn)生機(jī)械能;在輸出端,正壓電效應(yīng)又將這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。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(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻；C0為晶體支架和電極間的靜態(tài)電容。R1通常很小，可忽略不計(jì)。這樣，圖1a的等效電路可視為純電抗二端網(wǎng)絡(luò)。諧振器的串聯(lián)、并聯(lián)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(gè)特性可以用來(lái)調(diào)節(jié)晶體濾波器的通頻帶。例如，諧振器外接一個(gè)串聯(lián)電容器,等效于C1減小、f1升高；而外接一個(gè)并聯(lián)電容器,則等效于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。如果串接或并接電感器,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只能達(dá)到30～35兆赫。工作頻率較高的諧振器大多工作于泛音（高于基頻近奇次倍的振動(dòng)），但泛音次數(shù)越高，串、并聯(lián)諧振頻率的間隔越小。
70年代發(fā)展起來(lái)的離子刻蝕技術(shù)能使晶體諧振器的基波頻率接近 500兆赫。但由于外接元件，特別是線圈問(wèn)題，其泛音頻率也只能做到 600兆赫，相對(duì)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(gòu)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(shù)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(hào)相反,又由于變壓器次級(jí)兩端電壓的極性相反,兩臂中的電流同號(hào)相加,所以f1至f3間為濾波器的通頻帶。同理,當(dāng)f＜f1和f＞f3時(shí),z1和z2同號(hào),兩臂電流異號(hào)相減;所以f1～f3兩側(cè)以外的區(qū)域?yàn)樽鑾。z1＝z2時(shí),輸出為零,f、f為無(wú)窮大衰減頻率。分立式晶體濾波器可實(shí)現(xiàn)的中心頻率為10千赫到350兆赫,相對(duì)帶寬為0.01％～10％。
集成式晶體濾波器 采用集成電路工藝制作的晶體濾波器，有單片的、串聯(lián)單片的和多片的三種類型。
單片晶體濾波器（MCF）由鍍?cè)贏T切石英片上若干對(duì)電極形成的耦合諧振器組成。是在石英基片表面配置若干對(duì)金屬電極形成的耦合諧振器組成,它能夠構(gòu)成的帶通和帶阻濾波器。 它利用壓電效應(yīng)的能陷理論來(lái)選擇電極振子的幾何尺寸、返回頻率和電極振子間矩，以控制超聲波的聲學(xué)耦合，從而達(dá)到濾波的目的。其特點(diǎn)是頻率選擇度十分陡峭、損耗低、穩(wěn)定性好、阻帶衰減高，現(xiàn)已在移動(dòng)通信設(shè)備中大量使用，是必不可少的初級(jí)中頻濾波器，對(duì)提高整機(jī)靈敏度和抗干擾能力具有重要作用。國(guó)外MCF產(chǎn)品實(shí)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(fā)展方向集中在開(kāi)發(fā)新型壓電材料、擴(kuò)展帶寬、減少帶內(nèi)延時(shí)波動(dòng)、增大帶外衰減、擴(kuò)充和提高中頻點(diǎn)和線性度并使封裝尺寸進(jìn)一步小型化和片式化。 下圖為其中最簡(jiǎn)單的四電極單片晶體濾波器電路結(jié)構(gòu)及其等效電路。輸入諧振器隨所加信號(hào)電壓而產(chǎn)生厚度切變振動(dòng)，晶片因受電極質(zhì)量負(fù)荷的影響，電極區(qū)的諧振頻率比非電極區(qū)的低，使彈性波在兩區(qū)邊界發(fā)生反射,從而使絕大部分能量陷落在電極區(qū)內(nèi),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?yōu)殡娦盘?hào)。適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)電極尺寸、諧振器間距和頻率鍍回率，就可以控制彈性波在晶片中的傳播，從而實(shí)現(xiàn)濾波功能。
串聯(lián)單片晶體濾波器 由若干用電容耦合的單片晶體濾波器組成下圖4。其優(yōu)點(diǎn)是利于調(diào)整工作頻率和抑制寄生頻率。
多片晶體濾波器 由串聯(lián)的耦合諧振器、并聯(lián)的單諧振器和電容器組成下圖5。其特點(diǎn)是能在靠近通頻帶的頻率上形成若干衰減峰，有利于抑制干擾和改善濾波性能。
集成式晶體濾波器體積小、可靠性高而且造價(jià)低。但其中心頻率只有4.5～350兆赫，相對(duì)帶寬為0.01％～0.3％,所以在要求中心頻率低、通頻帶寬的場(chǎng)合尚不能取代分立式晶體濾波器。
術(shù)語(yǔ)解釋
1、 插入損耗：信號(hào)源直接傳送給負(fù)載阻抗的功率（P0）和插入濾波器后傳送給負(fù)載阻抗的功率（P1）之比的對(duì)數(shù)值。通常用分貝（dB）為單位進(jìn)行度量，表示為IL=10 lg （P0/ P1）。
2、 通帶波動(dòng)：通帶內(nèi)衰耗的最大峰值與最小谷值之差。
3、 通帶寬度；指相對(duì)衰耗小于和等于某一規(guī)定值時(shí)的頻率寬度（如1dB、2dB、3dB、6dB等）。
4、 阻帶衰耗：指整個(gè)阻帶內(nèi)的最小衰耗值。
5、 阻帶寬度：相對(duì)衰耗等于和大于某規(guī)定值時(shí)的頻帶寬度（如40dB、50dB、60dB、80dB等）。
6、 匹配阻抗：濾波器技術(shù)條件中要求的端接匹配阻抗值。
應(yīng)用指南
石英晶體濾波器根據(jù)其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低，但其帶寬和頻率受到限制，分離式濾波器則可以彌補(bǔ)集成式濾波器的不足，使可實(shí)現(xiàn)的頻率和帶寬得以拓展。
數(shù)字通訊技術(shù)的發(fā)展，對(duì)晶體濾波器的群延時(shí)特性及互調(diào)失真指標(biāo)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(yōu)良的濾波器在與其端接的電路阻抗不匹配時(shí)，濾波特性會(huì)變差，引起通帶波動(dòng)增大，插損增加。當(dāng)外電路阻抗低于濾波器特性阻抗時(shí)，中心頻率將下移，反之上移。濾波器的測(cè)試或使用應(yīng)符合以下原理圖
信號(hào)源+電平表"功能由網(wǎng)絡(luò)分析儀完成
Ri、R0：儀器內(nèi)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(shí)有并接電容要求，應(yīng)按上圖連接。
2、 合理的測(cè)量電平；如同晶體對(duì)激勵(lì)電平的要求一樣，濾波器中其核心元件仍是晶體，因此激勵(lì)電平在沒(méi)有規(guī)定時(shí)，一般選0dB作為輸入電平。
3、 良好的屏蔽：對(duì)濾波器的輸入端和輸出端進(jìn)行良好屏蔽，以使信號(hào)源的能量不能直接耦合到負(fù)載端。對(duì)甚高頻以上濾波器，則應(yīng)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(shí)應(yīng)盡可能采用大面積接地，并將輸入、輸出端隔離，保證濾波器的阻帶衰耗。 |
