低頻小體積晶體濾波器的研制

【摘要】本文論述了一種低頻小體積的晶體濾波器，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、濾波晶體的各項(xiàng)參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，最終滿足用戶使用要求。同時(shí)替代進(jìn)口產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。

【關(guān)鍵詞】低頻；小體積；晶體濾波器

近年來，隨著整機(jī)性能的提升，對(duì)元器件提出了更高的要求。晶體濾波器是一種頻率控制器件，在接收機(jī)中起著信號(hào)選擇作用。它具有體積小、工作溫度范圍寬、損耗小、矩形系數(shù)好、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、航空、通訊、導(dǎo)航等電子設(shè)備中。

為了滿足用戶的要求及元器件國產(chǎn)化的需求，我們研制了一種低頻小體積晶體濾波器。

1.技術(shù)指標(biāo)

2.設(shè)計(jì)方案

2.1 工作原理

單片晶體濾波器可以理解為一個(gè)雙耦合諧振回路系統(tǒng)如圖1所示，應(yīng)用晶體的逆正壓電效應(yīng)原理，在AT切型石英晶片上用真空鍍膜的方法，鍍上兩對(duì)有確定位置和一定形狀的電極，當(dāng)一定頻率的電信號(hào)加到輸入諧振器上時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，在輸出諧振器的內(nèi)部將產(chǎn)生相應(yīng)頻率的厚度振動(dòng)模，應(yīng)用能陷效應(yīng)，振動(dòng)模將依次地被傳送到壓電基片的輸出諧振器上，在輸出諧振器上通過正壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波變換成電信號(hào)輸出。實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的濾波。

圖1 雙耦合諧振回路

2.2 電路形式

考爾-契比雪夫?yàn)V波器在頻域使用時(shí)，衰減極點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處而且矩形系數(shù)最好，該產(chǎn)品阻帶衰減要求大于75dB，所以正好選用這種歸一化濾波器形式。從契比雪夫?yàn)V波器特性圖上直接查出n=8可滿足要求，因此選用八極點(diǎn)單片晶體級(jí)聯(lián)電路形式，由于端部負(fù)載和特性阻抗不相等，故需阻抗匹配。電路原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖

3.關(guān)鍵技術(shù)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)就是為改善單頻性、減小寄生而采用的寄生錯(cuò)位法。本產(chǎn)品相對(duì)帶寬為0.3%，對(duì)于單片晶體濾波器來說選用X軸向耦合才能實(shí)現(xiàn)，但弊病就是單頻性不好、寄生大，寄生振動(dòng)的存在會(huì)嚴(yán)重影響濾波器的特性。

通過設(shè)計(jì)不同的晶片邊比，使四只單片濾波諧振件的寄生位置不同，在串聯(lián)組合時(shí)，選取寄生位置和幅度不同的四只諧振件進(jìn)行搭配，由于寄生位置彼此錯(cuò)開，進(jìn)而大大減弱了寄生幅度，達(dá)到改善單頻性、減小寄生的目的。

3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特

本產(chǎn)品屬于低頻段，內(nèi)部晶片形狀設(shè)計(jì)為在低頻段具有較高活力的矩形，可以實(shí)現(xiàn)小的損耗；由于體積很小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。采用一次封裝，諧振件裸放在內(nèi)部，安裝時(shí)將諧振件分上下兩層錯(cuò)開扁平鉤焊到印制板上，同時(shí)在諧振件引線處多加一根單股銅導(dǎo)線，即有軟支撐又有硬支撐，保證了產(chǎn)品的可靠性；變量器的屏蔽盒直接焊接在基座上，同時(shí)又與印制板焊接，實(shí)現(xiàn)大面積接地，提高了產(chǎn)品的可靠性。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片

4.關(guān)鍵工藝

關(guān)鍵工藝就是晶片研磨加工工藝，改尺后晶片邊緣的光潔度、垂直度和精磨后的晶片平行度是改善寄生的關(guān)鍵。采取的措施是從粗到細(xì)進(jìn)行研磨，為了有效去掉前道研磨工序?qū)粝碌钠茐膶印榱吮ＷC平行度、平面度、光潔度，我們?nèi)∠苏嘲逖心?，采?S、4S研磨機(jī)研磨，雙面校角，最終砂號(hào)為W3.5，確保晶片達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在上片點(diǎn)膠工序由手工點(diǎn)膠改為機(jī)器點(diǎn)膠，提高了產(chǎn)品的電性能指標(biāo)。在操作過程中導(dǎo)電膠在針管內(nèi)不裸露在外面，成分不易揮發(fā)，保證了導(dǎo)電膠的有效性。通過調(diào)整機(jī)器氣壓參數(shù)使出膠量得到很好的控制，點(diǎn)到振子上的膠量一致性好，而且膠點(diǎn)光滑無拉尖現(xiàn)象，同時(shí)膠點(diǎn)大小一致性給安裝帶來了便利。

5.實(shí)測結(jié)果

6.小結(jié)

通過本產(chǎn)品的研制，掌握了低頻段在體積小的條件下實(shí)現(xiàn)較寬帶寬比的主體技術(shù)、在有效抑制寄生方面有所突破。為低頻晶體濾波器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[3]張沛霖，鐘維烈.壓電材料與器件物理[M].山東科技出版社，1996.

作者簡介：于麗瑩（1973—），女，遼寧遼陽人，現(xiàn)供職于遼陽鴻宇晶體有限公司，研究方向：石英晶體濾波器設(shè)計(jì)和開發(fā)。