10.7 MHz中等帶寬晶體濾波器的研制

馬 帥，佟仕忠，孫海軍，吳承猛，付貴增

（遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

晶體濾波器，它在現(xiàn)代電子設(shè)備中是不可缺少的關(guān)鍵器件之一。作為關(guān)鍵器件，由于它的品質(zhì)因數(shù)高和溫度穩(wěn)定性良好，于是在頻率選擇系統(tǒng)中便占有特定的地位?，F(xiàn)代電子技術(shù)促使頻率選擇器件進(jìn)一步的向前發(fā)展?，F(xiàn)在，晶體濾波器已被廣泛地應(yīng)用于廣播電視、郵電通訊、導(dǎo)航測控，以及宇航工程的電子設(shè)備之中，它關(guān)系到電子設(shè)備的用途、精度、靈敏度，以及抗干擾能力[1－2]。

眾所周知，石英晶體濾波器的相對帶寬在0.1到1%之間，是屬于中等帶寬晶體濾波器。在數(shù)字通信、移動通訊及導(dǎo)航控制系統(tǒng)中，優(yōu)良的中帶寬晶體濾波器能夠很好的減少信號失真和降低干擾，提高諧波抑制性能，使系統(tǒng)獲得較好的頻率選擇性和靈敏度，加之壓電石英晶體所具有的高Q值和良好的頻溫特性，使得它在通信接收系統(tǒng)中具有不可替代的關(guān)鍵作用[3]。

中等帶寬晶體濾波器的設(shè)計(jì)方法可以采用等參數(shù)設(shè)計(jì)法，也可以采用不等參數(shù)設(shè)計(jì)法[4]。對于一些阻帶要求很高以及性能良好的晶體濾波器，必須要由多節(jié)差接橋相串聯(lián)才能達(dá)到要求，確保其技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。由于采用了四節(jié)電路，使阻帶衰減≧60 dB；同時，由于采用了展寬線圈設(shè)計(jì)，因而中等的通帶范圍內(nèi)很容易實(shí)現(xiàn)波動調(diào)平，其通帶波動≦1 dB。另外，由于濾波振子采用了UM－1微型金屬殼封裝，因而使得整個器件的外形尺寸在同類產(chǎn)品中也是較小的。

1 產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)

中心頻率：10.7 MHz；3 dB帶寬：≥±19 kHz；通帶波動：≦1 dB；60 dB帶寬：≦±38 kHz；阻帶衰減：≥60 dB（偏離中心頻率50 kHz以外）；插入損耗：≦3 dB；端接阻抗：50Ω±10%；工作溫度：－55～85℃；外形尺寸：38.3 mm×19.2 mm×12.7 mm；

2 晶體濾波器的設(shè)計(jì)方案

2.1 確定濾波器函數(shù)類型及階數(shù)（極點(diǎn)）數(shù)n

該產(chǎn)品60 dB阻帶寬度指標(biāo)高，即要求矩形系數(shù)很小，選擇契比雪夫（波動0.1 dB）函數(shù)類型適合。用下列公式計(jì)算：

因?yàn)閏osh－1X＝In（X±X2－1），依據(jù)技術(shù)條件可知，其中As（波動）＝1 dB；Ap（帶外衰減）＝60 dB；代入公式（1）中，得到n＝8.2，故選擇8極點(diǎn)。

2.2 電路設(shè)計(jì)

晶體濾波器的電路結(jié)構(gòu)有L型、T型、π型、梯型、格型設(shè)計(jì)等多種設(shè)計(jì)方法[5]，本文采用了四節(jié)八晶體格型電路的設(shè)計(jì)方法。對該濾波器來說，通帶寬度和阻帶衰減是產(chǎn)品必須達(dá)到的重要指標(biāo)參數(shù)。由于單節(jié)電路所能實(shí)現(xiàn)的帶寬和頻帶抑制比較狹窄，所以要想實(shí)現(xiàn)較高的衰減和較好的性能則需將幾節(jié)電路相串聯(lián)，同時還要進(jìn)行展寬線圈設(shè)計(jì)。

首先計(jì)算最大可實(shí)現(xiàn)的帶寬是多少，是為了確定級和級之間是否需要展寬電路。用下列公式計(jì)算：

其中B3max：3 dB最大帶寬；f0：標(biāo)稱頻率；

r：電容比C0/C1（AT切型一般在250左右）；

k23：低通耦合系數(shù)，依據(jù)選擇的函數(shù)類型和極點(diǎn)數(shù)可查表得出。

將其代入公式（2），得出最大帶寬為38 kHz，該值是理論上可實(shí)現(xiàn)的最大帶寬，該產(chǎn)品為滿足全溫度范圍應(yīng)做到40 kHz，所以設(shè)計(jì)級和級之間有展寬的差接橋電路來實(shí)現(xiàn)。電路圖如圖1所示。

圖1 晶體濾波器電路設(shè)計(jì)圖Fig.1 Diagram of crystal filter circuit design

圖中的fs1+、fs1－、f′s1+、f′s1－、fs3+、fs3－、f′s3+、f′s3－分別為壓電晶體振子的串聯(lián)諧振頻率，L1和L3為用于網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧的諧振電感，C1、C2、C3、C4、C5分別為調(diào)諧及隔直電容，如何確定這些晶體振子的串聯(lián)諧振頻率值及諧振電感、電容元件的參數(shù)便是濾波晶體的設(shè)計(jì)及濾波器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容[6]。

2.3 電路圖中元件參數(shù)計(jì)算

2.3.1 頻率計(jì)算

電路結(jié)構(gòu)確定之后就要進(jìn)行濾波晶體頻率規(guī)格的設(shè)計(jì)，按圖1所示的四節(jié)電路，每部晶體濾波器共需8只晶體諧振器。

根據(jù)以下公式：

3 晶體濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)果

其中f0：標(biāo)稱頻率；

B3：3 dB帶寬；

ki，i+1：低通耦合系數(shù)，依據(jù)選擇的函數(shù)類型和極點(diǎn)數(shù)查表 得 出，k12＝k78＝0.7276；k23＝k67＝0.5451；k34＝k56＝0.5160；k45＝0.510 0。

將上述數(shù)值代入公式（3）（4）中得到，fs1+＝f′s1+＝10 703.83 kHz；fs1－＝f′s1－＝10 673.273 kHz；fs3+＝f′s3+＝10 699.389 kHz；fs3－＝f′s3－＝10 677.716 kHz。

2.3.2 濾波晶體諧振器等效參數(shù)的選取

晶體諧振器的等效電路圖如圖2所示。

圖2 晶體諧振器等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of the crystal resonator

對晶體等效參數(shù)的要求是分不同的頻段有不同的要求，主要是對寄生抑制[7]、等效電阻R1、等效電感L1、靜電容C0、等效電容C1、電極直徑有要求。晶體對濾波器的性能指標(biāo)影響很大，考慮到技術(shù)指標(biāo)，能夠提高濾波晶體的頻譜純度，結(jié)合生產(chǎn)的方便，濾波晶體可以采用平片AT切，θ＝35°15′，白片直徑為8 mm，白片厚度t＝1 650/f0＝0.16 mm。欲提高晶體濾波器的阻帶抑制度，必須使晶體寄生振蕩頻率遠(yuǎn)離主振，且寄生幅度應(yīng)抑制到最小值，能陷理論[8]能夠給出，晶體片的邊緣到達(dá)電極邊緣距離L＝18 t時，振動波就有40 dB的衰減，晶體片的電極面積越大，寄生衰減越差，寄生離主振頻率越近。綜合以上因素及晶體的等效電阻R1，等效電感L1，等效電容C1，及靜電容C0諸因素，我們選取電極直徑為2.5 mm。該產(chǎn)品的其他參數(shù)設(shè)計(jì)為：C1＝7 F；L1＝31mH；R1＝35Ω；C0＝1.7 pF；寄生抑制≥30 dB。

2.3.2 電路圖中其它元件值的計(jì)算

特性阻抗RT的計(jì)算

差接橋電感值Lt和在通帶中心頻率上與之諧振的電容值Ct的計(jì)算

其中RT為特性阻抗；Qt為變量器電感線圈質(zhì)量因素。

晶體濾波器電路圖中：

將差接變量器、晶體及調(diào)諧電容C1、C2、C3、C4、C5等上述理論計(jì)算出的元件值，在搭配好的實(shí)際電路中進(jìn)行試驗(yàn)，按圖1電路裝配后，反復(fù)調(diào)整，產(chǎn)品在HP8714ET網(wǎng)絡(luò)分析儀上調(diào)試，最終調(diào)試出合格的幅頻特性曲線。經(jīng)過調(diào)試的實(shí)際濾波器產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范值，其中主要指標(biāo)如插損IL≤3 dB；3 dB帶寬≥±19 kHz；阻帶衰減≥60 dB（偏離中心頻率50 kHz以外）；通帶波動≤1 dB等均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，其他各項(xiàng)參數(shù)比如矩形系數(shù)要求很小也符合規(guī)定。圖3為裝配調(diào)試好的10.7 MHz晶體濾波器實(shí)物。

圖3 10.7MHz晶體濾波器實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Real photograph of 10.7 MHz crystal filter

4 結(jié)束語

文中所用的晶體濾波器設(shè)計(jì)方法比較簡單靈活，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中使用較多，設(shè)計(jì)生產(chǎn)效果也比較好，理論與實(shí)際比較一致。首先要解決濾波振子頻率的設(shè)計(jì)及電路的設(shè)計(jì)，還要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來解決一些理論計(jì)算問題，同時還要兼顧插損、寄生抑制及阻帶衰減等技術(shù)指標(biāo)的要求。在實(shí)際制作中還可能會遇到一些問題，列如節(jié)與節(jié)之問要采取適當(dāng)?shù)倪B接方式，合理地設(shè)計(jì)印制板的布線等問題，今后還得進(jìn)一步研究。

[1]馮致禮，王之興.晶體濾波器[M].北京：宇航出版社，1987.

[2]李忠誠.現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1981.

[3]KINSAMAN R G.Crystal filter[M].New York：Academic Press，1998.

[4]BOND W L.Crystal technology[M].Chichester：John Wiley，2000.

[5]陳翠香.寬帶晶體濾波器的設(shè)計(jì)與試制[J].壓電晶體技術(shù)，1992（1）：23－25.CHEN Cui-xiang.Design and manufacture of broadband crystal filter[J].Piezoelectric Crystal Technology，1992（1）：23－25.

[6]靳寶安，王林力.LST－15MHz晶體濾波器設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2005，27（3）：675.JIN Bao-an，WANG Lin-li.LST-15MHz crystal filter design[J].Piezoelectric And Acousto-optic，2005，27（3）：675.

[7]靳寶安，王林力.LST－2.45 MHz單邊帶晶體濾波器設(shè)計(jì)[J].人工晶體學(xué)報，2006，35（6）：1155－1159.JIN Bao-an，WANG Lin-li.LST－2.45 MHz single sideband crystal filter design[J].Journal of Synthetic Crystals，2006，35（6）：1155－1159.

[8]張福學(xué)，孫康.壓電學(xué)（下冊）[M].北京：科學(xué)出版社，1984.