壓電陶瓷濾波器設(shè)計

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備更趨于小型化，在許多方面，LC濾波器由于受到電感元件限制而不能滿足現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求。而具有機械諧振特性和能量轉(zhuǎn)換能力的壓電陶瓷，和壓電晶體一樣，在濾波器技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

1、壓電陶瓷振子

目前，陶瓷濾波器使用的壓電陶瓷振子，其相對帶寬為0.5%~20%，品質(zhì)因數(shù)QM在600~3000范圍內(nèi)，大量生產(chǎn)的陶瓷振子頻率溫度范圍為1KHZ~幾十兆赫，具體又可分為音頻（3KHZ以下）、甚低叔（3~30KHZ）、低頻（30~300KHZ）、中頻（300~3000KHZ）、高頻（3~30MHZ）及甚高頻（30MHZ以下），音頻的下限達到500HZ，而甚高頻上限能達到90MHZ左右。使用鈦酸鋁酸陶瓷材料可抽成200MHZ振子和濾波器。

陶瓷濾波器的中心頻率和帶寬直接取決于振子的譜頻率真和相對帶寬，而振子這些特性又決定于振子的尺寸，振動模式及材料的機電耦合系數(shù)，見參考文獻（7）

（1）壓電陶瓷振子的等效電路  長條形壓電振子，在諧振頻率附近，當(dāng)考濾到介質(zhì)損耗和機械損耗時的等效電路圖5.1-12。其中LCR串聯(lián)支路反映了壓電陶瓷振子的機械振動性質(zhì)，R反映振子的機械損耗；C0和RO并聯(lián)支路反映壓電材料的介電生質(zhì)，RO是介質(zhì)損耗電阻，C0是振子兩電極面之間的靜電容。

圖5.1-12 陶瓷振子等效電路

圖5.1-12  陶瓷振子等效電路

其他形狀和振動模式的壓電振子，在諧振頻率附近具有與長條形振子相同形式的等效電路，如果不存在其他振動模式，則振子的等效參量與頻率無關(guān)，在小信號運用下，等效參量為常數(shù)，振子可看成為線性器件。一般情況下，介質(zhì)損耗電阻R0很大，可以看考慮，如果再忽略機械損耗，即認為，R=0，則壓電振子等效電路可等效為純電抗元件L、C、C0的組合。

（2）壓電陶瓷振子的諧振特性  壓電陶瓷振子即是機械諧振體，又是電的諧振體，其等效阻抗Z隨頻率F變化的規(guī)律如圖5.1-13所示。

頻率由低至高變化時，第一次出現(xiàn)的諧振稱為基波，之后出現(xiàn)的諧振為泛音。在討論電陶瓷振子諧振特性時，經(jīng)常遇到以下有意義的頻率：諧振頻率FR、反諧振頻率FA、最小阻抗頻率FM、最大阻抗頻率FN、串聯(lián)諧振頻率FS和并聯(lián)諧振頻率FP。

FS為等效電路中R=0時LC串聯(lián)諧振頻率FP為LC串聯(lián)和C0并聯(lián)電路的并聯(lián)諧振頻率。

實際情況中，機械損耗不能忽略時，取一級近似，它們之間的關(guān)系表達式為

2、陶瓷濾波器

圖5.1-14  陶瓷濾波器幾種形式

陶瓷濾波器的幾種結(jié)構(gòu)形式  正在發(fā)展中的陶瓷濾波器至今大約只有20多年的歷史。目前認為含有陶瓷振子的濾波器統(tǒng)稱為陶瓷濾波器，其典型結(jié)構(gòu)有如下幾種：

（1）二端振子組成濾波器，將壓電陶瓷振子作為一個二端元件使用。由這些振子組成的濾波器按電路結(jié)構(gòu)可組成L型、T型、X型、橋T型和橋型等形式，如圖5.1-14所示。

（2）機電耦合型濾波器，其結(jié)構(gòu)具有多種形式，基本工作原理是利用壓電出人意外的機電換能作用機械諧振特性完成濾波作用。

（3）單片型濾波器，基本部分是利用能陷理論構(gòu)成能陷型振子，它作為三靖元件在一個陶瓷片上組成單節(jié)或多節(jié)的濾波器或多重模濾波器。

（4）表面波濾波器，1965年以來，國內(nèi)外對固體表面?zhèn)鞑ケ砻鎻椥圆捌鋺?yīng)用開始大力研究，出現(xiàn)了許多利用表面波的電子學(xué)器件，壓電陶瓷表面波濾波器就是其中的一個典型器件，它的實現(xiàn)是在一個壓電陶瓷基片上表面上，設(shè)置輸入叉指換能器輸出叉指換能器，由壓電體表面的機電換能作用和叉指換能器的帶通特性完成對電信號的濾波作用。

2、T、X型陶瓷濾波器的電氣特性最常用的陶瓷濾波器是每節(jié)為三支諧振體構(gòu)成的T型和X型兩種電路。
1）阻抗特性  陶瓷濾波器的阻抗特性不僅影響通帶衰減特性，而且對濾波器的穩(wěn)定性和可靠性都有很大影響。

T型濾波器的特性阻抗

兩臂阻抗

式中FS1為串臂Z1的串聯(lián)諧振頻率；FP1為串臂Z1的并聯(lián)諧振頻率；FS2為并臂Z2的串聯(lián)諧振頻率；FP2為并臂Z2的并聯(lián)諧振頻率；C01為串臂諧振體靜電容；C02為并臂諧振體靜電容。

X型濾波器特性阻抗

式中Z1、Z2意義與T型濾波器的特性阻抗公式相同。

2）衰減特性  T型電路和X型電路，其阻帶固有衰耗B與兩臂阻抗的關(guān)系均為

把兩臂阻抗Z1、Z2關(guān)系式代入上式，則有

由式（5.1-3）可知，當(dāng)F=FS2、F=FP1時，濾波器的阻帶出現(xiàn)兩個衰減峰。圖5.1-15示出濾波器在匹配狀態(tài)下傳輸?shù)乃p特性。

由多節(jié)數(shù)組成濾波器的總衰減，是由各節(jié)濾波器衰減的疊加而得到。

3）通帶計算  根據(jù)通帶波動角BP要求值，計算反射衰減

式中F0為濾波器的中心頻率。

4）節(jié)間等效合并  實用濾波器，往往是由兩節(jié)或多節(jié)T型電路或X型電路連接起來，以滿足技術(shù)指標(biāo)要求，為節(jié)省元件，節(jié)之間可進行等效合并。

（1）T型節(jié)復(fù)合時計算  兩節(jié)T型電路的連接如圖5.1-16所示，Z1A和Z2%B近似等效代替，即在通帶內(nèi)應(yīng)滿足代替條件，即代替元件與被代替元件應(yīng)當(dāng)近似等效：

圖5.1-16  兩節(jié)T型電路連拉圖

可知，衰減峰相同的節(jié)合并后，衰減峰位置不變，而靜電容要小一半。

（2）X型節(jié)復(fù)合時的計算  兩節(jié)X型電路的連接如圖5.1-17所示，連接后元件Z2A、Z2B可用另一元件Z2AB代替：

可知，兩個衰減峰相同的節(jié)合并時，代替后的諧振體頻率不變，但靜電容要比未合并的大一倍。

圖5.1-17  兩節(jié)X型電路連接圖

3、部分陶瓷濾波器主要性能參數(shù)  見表5.1-13