中等帶寬晶體濾波器平滑群時延設計?

江山，羅南英

（成都天奧電子有限公司，成都611731）

中等帶寬晶體濾波器平滑群時延設計?

江山，羅南英

（成都天奧電子有限公司，成都611731）

對比分析窄帶電路和中等帶寬電路的貝塞爾濾波函數(shù)特性表明，中等帶寬電路的貝塞爾濾波器應用在低頻窄帶晶體濾波器設計中具有優(yōu)勢。采用計算機仿真手段，修正時域函數(shù)的不足之處，平衡窄帶晶體濾波器中頻域和時域這一對矛盾，使得濾波器的中心頻率附近具有0.1μs波動的平滑群時延特性，同時保證阻帶矩形系數(shù)小于3，實現(xiàn)低頻窄帶晶體濾波器恒定群時延和小矩形系數(shù)的對立統(tǒng)一性，降低整機和系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼、亂碼的幾率，同時又確保整機具有較高的雜波抑制度。

晶體濾波器；中等帶寬；平滑群時延；矩形系數(shù)；電路設計

1 引言

在現(xiàn)代數(shù)字通信的處理過程中，數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃院退俣戎饕Q于濾波系統(tǒng)的相位線性度或群時延的平坦度。而傳統(tǒng)的濾波器其線性相位與頻率選擇性是相互矛盾的，這對矛盾在低頻晶體濾波器中體現(xiàn)得尤為突出。這主要是由于低頻晶體濾波器在展寬通帶寬度時，會造成群時延特性惡化，而在許多情況下，整機需要這兩者都具有良好的特性。因為無論什么系統(tǒng)，輸出信號的純度和選擇性仍是兩個最重要的參數(shù)［1］。

如果整機的中頻濾波選擇頻率較低的窄帶晶體濾波器（低于30 MHz），由于晶體諧振器本身串并聯(lián)間隔相對較窄（Δfs－p小于50 kHz），若要求晶體濾波器帶寬為70 kHz，矩形系數(shù)小于3.5，在設計這種低頻晶體濾波器的幅頻特性時，就會帶來時域特性的惡化，即群時延波動較大，或者造成器件在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性變差。

為了解決這一對矛盾，本文在對比兩種電路設計的基礎上，另辟蹊徑，將中等帶寬電路結合貝塞爾濾波函數(shù)特性應用到低頻窄帶晶體濾波器設計中，再通過計算機仿真調(diào)試，實現(xiàn)較好的頻率選擇性和通帶內(nèi)平滑群時延。

2 兩種濾波電路的特性對比

2.1 晶體濾波器的技術指標

為了具有較好群時延特性，我們選擇最大平滑群時延（即貝塞爾濾波器）濾波函數(shù)，為了提高濾波器的選擇性（主要由矩形系數(shù)和寄生抑制決定），我們選擇六極點晶體濾波器，通過對比窄帶電路和中等帶寬電路，同時考慮到每種電路實現(xiàn)的幾率、生產(chǎn)成本、寬溫度范圍內(nèi)特性的穩(wěn)定性等問題，擇優(yōu)選擇。為了便于對這兩種電路進行仿真比較，我們以21.4 MHz晶體濾波器為例來進行分析和介紹設計方法。

晶體濾波器主要技術指標：中心頻率為21.4 MHz；3 dB帶寬大于±30 kHz；矩形系數(shù)小于3.0；插入損耗小于3 dB；50 kHz群時延波動小于1μs；最終衰減大于80 dB；寄生抑制大于75 dB；工作溫度為－40℃～＋70℃。

由以上技術要求可知，這種濾波器的特點是相對帶寬窄（0.28%，窄帶晶體濾波器相對帶寬范圍為0.01%～0.4%）、群時延波動小、阻帶衰減高、矩形系數(shù)較?。˙W40／BW3＜3.0）。它的設計難點在于在較小的矩形系數(shù)情況下，實現(xiàn)平滑群時延特性。

2.2 窄帶電路設計及仿真特性

六晶體三節(jié)差接橋型窄帶電路原理圖如圖1所示。

圖中主要元件的參數(shù)可以將貝塞爾函數(shù)的一組k、q值，代入文獻［2］中的窄帶電路計算公式得到，根據(jù)所得參數(shù)，采用ADS進行仿真，得到圖2的窄帶電路仿真特性。

2.3 中等帶寬電路設計及仿真特性

六晶體三節(jié)差接橋型中等帶寬電路原理圖如圖3所示。

差接橋型中等帶寬電路的設計原理與窄帶電路的設計原理均是從歸一化等電感串聯(lián)帶通LC濾波器電路通過不同的變換而得到［3］，而差接橋型中等帶寬電路是最近幾年才開始普遍應用，因此對其電路推導的介紹相對較少。為了得出圖3各參數(shù)的設計公式，從圖4的六節(jié)歸一化等電感串聯(lián)帶通濾波器電路開始推導。

為了實現(xiàn)差接橋型中等帶寬電路，從β2和β3中分出電容路中產(chǎn)生的負電容后，得出圖4的等效電路，如圖5所示。

在圖5中：

電感L的設計遵循文獻［2］中差接變量器設計原理。

利用二等分定理可將圖5的電路轉(zhuǎn)換成橋型再變換成差接橋型中等帶寬電路后，得到圖3所示六晶體中等帶寬濾波器電路。

其余電容按公式（1）進行設計，差接變量器及電感的設計與圖5中的L設計原理相同。

將同樣的貝塞爾函數(shù)的k、q值代入以上公式，計算出電路各參數(shù)值，再采用ADS進行仿真，得到圖6的中等帶寬電路仿真特性。

為了便于比較，將主要技術指標要求值和仿真值列于表1中。

從對照表和仿真圖可知，對于通過調(diào)試后的仿真指標，窄帶電路仍然保持通帶寬度的對稱性，中等帶寬電路保持了通帶群時延波動的平坦性、較好的矩形系數(shù)和較高的阻帶抑制。而且從實際工作中可知，低端晶體諧振器的頻率在窄帶電路中比在中等帶寬電路中更加偏低，這樣就會造成晶體諧振器的固有寄生振動出現(xiàn)在濾波器的通帶中，這會使濾波器的群時延出現(xiàn)跳變，最終造成系統(tǒng)信號的誤碼、亂碼現(xiàn)象。因此，對于低頻晶體濾波器，當通帶寬度接近晶體串并聯(lián)間隔的2倍時，雖然仍屬窄帶范疇，但是采用中等帶寬電路設計更具優(yōu)勢。

3 中等帶寬晶體濾波器平滑群時延實際電路設計

根據(jù)前面中等帶寬電路理論推導得出的設計公式計算出電路的元件參數(shù)，并通過實際電路進一步驗證，其實際電路如7圖所示。

實際電路中，與電感并聯(lián)的電容均采用微調(diào)電容，是為了便于吸納電路中分布電容，C9和C10電容能夠?qū)V波器的矩形系數(shù)起到調(diào)節(jié)作用，一般在實際電路中通過首次調(diào)試確定其參數(shù)值。圖8給出濾波器的實際測試曲線，表2給出仿真值與實測值比較結果。從表2可知，實際電路實現(xiàn)的技術指標與仿真值非常接近，特別是50 kHz帶寬的群時延平坦性，和阻帶的矩形系數(shù)達到一個很好的綜合性指標要求。

我們將該產(chǎn)品與國外TEMEX公司生產(chǎn)的同類型產(chǎn)品的主要技術指標進行比較，如表3所示，圖9為TEMEX公司產(chǎn)品的實測曲線圖（屏幕截圖）。

通過比較可知，我們的產(chǎn)品在通帶中心頻率附近的群時延平坦度、矩形系數(shù)和阻帶抑制方面優(yōu)于國外產(chǎn)品，而國外產(chǎn)品在全通帶范圍內(nèi)的群時延波動較小，通帶的對稱性好。從實用方面而言，我們的產(chǎn)品綜合指標較高，因此更具實用性和先進性。

4 結束語

通過以上介紹可知，對于有平滑群時延要求的低頻晶體濾波器設計，雖然相對帶寬仍在窄帶范疇，如果帶寬大于晶體諧振器串并聯(lián)間隔的1.5倍以上，就可以考慮采用本文所介紹的中等帶寬晶體濾波器平滑群時延設計方法。這樣既解決了帶寬寬度的問題，又避免晶體寄生出現(xiàn)在通帶內(nèi)造成群時延波動較大的問題，同時又能確保器件在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

隨著整機的發(fā)展，對晶體濾波器不但要求有更高的頻率選擇性，即帶寬寬、損耗小和矩形系數(shù)小，而且也要求通帶內(nèi)有平滑群時延，因此中等帶寬晶體濾波器平滑群時延設計填補了平滑群時延濾波器寬帶這方面的空白。仿真技術的發(fā)展和應用為這種設計方法提供了可行性，而且也縮短了研制周期。

本文中的晶體濾波器已經(jīng)應用在整機中，并獲得用戶認可，即將進入小批量試生產(chǎn)階段。在此，對給予該項目支持和幫助的領導和同事們表示深深的感謝！

［1］方秀峰.線形相位濾波器［J］.壓電晶體及其應用，1993（3）：121.

FANG Xiu-feng.Linear Phase Filter［J］.Piezoelectric Crystal and its Application，1993（3）：121.（in Chinese）

［2］李忠誠.現(xiàn)代晶體濾波器設計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1981：40.

LI Zhong-cheng.Design of Modern Crystal Filter［M］.Beijing：National Defense Industry Press，1981：40.（in Chinese）

［3］周承聯(lián).晶體濾波器的理論與計算［M］.北京：人民郵電出版社，1978：221－222.

ZHOU Cheng-lian.Theory and Calculation of Crystal Filter［M］.Beijing：People′s Posts＆Telecom Press，1978：221－222.（in Chinese）

Smooth Group Delay Design of Medium Bandwidth Crystal Filter

JIANG Shan，LUO Nan-ying
（Chengdu Spaceon Electronics Co.，Ltd.，Chengdu 611731，China）

Comparison of the function characteristics of Bessel filter of narrow-band circuit and mid-band circuit demonstrates the advantages of application of mid-band circuit Bessel filter in the design of low-frequency narrow-band crystal filter.The filters have smoothed group delay characteristics of 0.1μs fluctuation around the center frequency and the stop-band rectangular coefficient is ensure to be less than 3 after modifing the shortcomings of time-domain function and balancing the inconsistency of frequency and time domains in narrow-band crystal filters through computer simulation.The unity of opposites of constant group delay and small rectangular coefficient is realized in the low-frequency narrow-band crystal filter.The probability of error or messy code in the overall unit and system is reduced and the complete equipment has a high degree of clutter suppression.

crystal filter；medium bandwidth；smooth group delay；rectangular coefficient；circuit design

TN713

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.06.025

江山（1973－），女，重慶人，碩士，主要研究方向：晶體濾波器。

1001－893X（2010）06－0109－05

2010－01－26；

2010－05－25

JIANG Shan was born in Chongqing，in 1973.She is now an engineer with the M.S.degree.Her research direction is crystal filter.

Email：jscx1998＠yahoo.com.cn