壓電陶瓷濾波器原理及其設(shè)計(jì)

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(mǎn)足現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求。而具有機(jī)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(duì)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(dá)到500HZ，而甚高頻上限能達(dá)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(duì)帶寬，而振子這些特性又決定于振子的尺寸，振動(dòng)模式及材料的機(jī)電耦合系數(shù)，見(jiàn)參考文獻(xiàn)（7）

（1）壓電陶瓷振子的等效電路  長(zhǎng)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(jī)械損耗時(shí)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(jī)械振動(dòng)性質(zhì)，R反映振子的機(jī)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(dòng)模式的壓電振子，在諧振頻率附近具有與長(zhǎng)條形振子相同形式的等效電路，如果不存在其他振動(dòng)模式，則振子的等效參量與頻率無(wú)關(guān)，在小信號(hào)運(yùn)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(jī)械損耗，即認(rèn)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(jī)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(shí)，第一次出現(xiàn)的諧振稱(chēng)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(shí)，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(shí)LC串聯(lián)諧振頻率FP為L(zhǎng)C串聯(lián)和C0并聯(lián)電路的并聯(lián)諧振頻率。

實(shí)際情況中，機(jī)械損耗不能忽略時(shí)，取一級(jí)近似，它們之間的關(guān)系表達(dá)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(rèn)為含有陶瓷振子的濾波器統(tǒng)稱(chēng)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(gè)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(jī)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(jī)電換能作用機(jī)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(gè)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(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)固體表面?zhèn)鞑ケ砻鎻椥圆捌鋺?yīng)用開(kāi)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(gè)典型器件，它的實(shí)現(xiàn)是在一個(gè)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(jī)電換能作用和叉指換能器的帶通特性完成對(duì)電信號(hào)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(duì)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(shí)，濾波器的阻帶出現(xiàn)兩個(gè)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(jì)算  根據(jù)通帶波動(dòng)角BP要求值，計(jì)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(shí)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(lái)，以滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求，為節(jié)省元件，節(jié)之間可進(jìn)行等效合并。

（1）T型節(jié)復(fù)合時(shí)計(jì)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(mǎn)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(shí)的計(jì)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(gè)衰減峰相同的節(jié)合并時(shí)，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(jiàn)表5.1-13