中等帶寬晶體濾波器的設(shè)計(jì)

馬曉東，張輝，陳亮

（陜西華星電子集團(tuán)有限公司 陜西 咸陽　712099）

中等帶寬晶體濾波器的設(shè)計(jì)

馬曉東，張輝，陳亮

（陜西華星電子集團(tuán)有限公司 陜西 咸陽712099）

基于中等帶寬濾波器設(shè)計(jì)中，通帶寬度等相關(guān)因素進(jìn)行分析，涉及晶體諧振器和變量器等相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)。采用中等帶寬濾波器電路，通過對晶體諧振器的動態(tài)電感、電阻、Q值，變量器Q值和并聯(lián)LC調(diào)諧回路溫度特性進(jìn)行分析，得到了寬通帶、小通帶波動、高阻帶衰耗的晶體濾波器，并給出了實(shí)例闡述實(shí)現(xiàn)濾波器的方法。通過測試結(jié)果與設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的對比，表明設(shè)計(jì)方案可以滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。

中等寬帶；晶體濾波器；相關(guān)參數(shù)；設(shè)計(jì)

石英晶體濾波器的相對帶寬在0.1%～1%之間屬中等帶寬晶體濾波器，優(yōu)良的中等帶寬晶體濾波器能夠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值和良好的頻率—溫度特性，在通信接受系統(tǒng)中具有不可替代的關(guān)鍵作用。但由于石英晶體諧振器的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率的間隔非常小，一般來說當(dāng)相對帶寬在0.3%～1%范圍內(nèi)須采用電感元件補(bǔ)償晶體諧振器的分布電容，這就是中等帶寬線路［1］。中等帶寬晶體濾波器的設(shè)計(jì)是在窄帶晶體濾波器的電路中增加一個電感—電容的調(diào)諧回路，以克服晶體并電容及分布電容的影響，提高晶體濾波器的帶寬。

1　中等帶寬晶體濾波器線路實(shí)現(xiàn)的通帶寬帶

對應(yīng)某一頻率點(diǎn)，窄帶晶體濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)的最大帶寬取決于晶體諧振器的電容比，在考慮阻帶衰減和寄生抑制情況下，其電容比相當(dāng)于一個定值，通帶寬度受到限制。如圖1所示窄帶晶體濾波器線路中增加一個LC并聯(lián)調(diào)諧回路，以提高晶體濾波器的帶寬。

不考慮分布電容，只考慮晶體諧振器的并電容CP的影響并接在晶體諧振器上的最大電感為L：

圖1　單節(jié)中等帶寬晶體濾波器線路圖Fig.1　Single section medium bandwidth crystal filter circuit diagram

LS為晶體諧振器的動態(tài)電感；

CP為晶體諧振器的并電容；

CS為晶體諧振器的動態(tài)電容。

同時附加的電感又受如下限制［2］

取：

得到：

公式（4）是中等帶寬晶體濾波器線路能夠?qū)崿F(xiàn)的最大帶寬，晶體諧振器的電容比是決定濾波器帶寬的關(guān)鍵指標(biāo)，但受晶體諧振器的寄生抑制限制，動態(tài)電容如果做的很大，使晶體諧振器難以實(shí)現(xiàn)。同時增加一個LC并聯(lián)調(diào)諧回路，并聯(lián)電感的的副作用是在通帶兩端形成寄生通帶，降低濾波器的阻帶抑制，再考慮到晶體的分布電容以及附加電感的分布電容的影響，實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的通帶寬度在0.3%～0.7%F0之間。

1.1晶體諧振器的Q值對帶寬的影響

公式（5）中q為歸一化低通濾波器內(nèi)部元件質(zhì)量因數(shù)。由上式可以看出，通帶寬帶與晶體諧振器的Q值成反比，要獲得帶寬就需要低Q值晶體諧振器。

晶體諧振器的Q值：

增加晶體諧振器的電極面積可以獲得小的動態(tài)電感，同時寄生也隨之增加，影響阻帶寄生抑制。在獲得盡量小的動態(tài)電感的同時，增大晶體諧振器的電阻可以降低晶體諧振器的Q值。采用此方法增大低端晶體諧振器的電阻R，使其Q值降低，串并聯(lián)頻率的間隔變大，是增大通帶寬度的行之有效的方法。

在中等帶寬晶體濾波器電路中，每一節(jié)的晶體諧振器的動態(tài)參數(shù)要求盡量一致，較為嚴(yán)格。每一節(jié)所使用的兩個晶體諧振器的頻率相差較大，如果采用相同晶片和相同電極面積時，晶體諧振器的動態(tài)參數(shù)是不相等的，如果用在同一節(jié)差接橋式帶通濾波器中，通帶將會出現(xiàn)大的波動［3］。將低端晶體諧振器的電極面積稍大于高端晶體諧振器，保持參數(shù)的一致性。采用質(zhì)量負(fù)載法減小寄生振蕩，降低低端晶體諧振器的Q值，實(shí)現(xiàn)寬帶晶體濾波器。

1.2變量器的Qt值對帶寬的影響

帶有阻抗變換的變量器，由于其經(jīng)濟(jì)型和實(shí)用性在濾波器的制造中得到廣泛的應(yīng)用，在中等帶寬晶體濾波器電路中，為了使晶體濾波器的幅頻特性不受影響，變量器的通帶寬度應(yīng)是晶體濾波器通帶寬度的兩倍以上。

晶體濾波器的最小相對帶寬，受變量器的Qt值限制。

公式（7）給出了中等帶寬晶體濾波器最小相對帶寬，因此，變量器Qt的應(yīng)該以適度為宜。如果Qt值過大，最小相對帶寬降低，就會使濾波器的阻帶產(chǎn)生嚴(yán)重的上翹現(xiàn)象。

當(dāng)晶體濾波器要求的帶寬處于最小相對帶寬和最大帶寬之間時，使用中等帶寬晶體濾波器線路最為適宜。

1.3多節(jié)數(shù)中等帶寬晶體濾波器的設(shè)計(jì)

最大帶寬的確定與晶體濾波器選擇的電路節(jié)數(shù)有關(guān)，節(jié)數(shù)多時具體參數(shù)得到的通帶寬度是不相同的，節(jié)數(shù)越多通帶帶寬變窄。

對于多節(jié)數(shù)的中等帶寬晶體濾波器線路其最大通帶寬度為［4］:

式中：

k12:第一節(jié)和第二節(jié)的帶通偶合系數(shù)；

CS2:第一節(jié)晶體諧振器的等效動態(tài)電容；

CP2:第一節(jié)晶體諧振器的等效并電容；

s:第一節(jié)晶體諧振器的電容比。

以四節(jié)八極點(diǎn)為例，晶體諧振器頻率計(jì)算：

并聯(lián)電感：

中等帶寬晶體濾波器線路附加了LC調(diào)諧回路，雖然增加了通帶寬度，但同時引入了分布電容［5］，調(diào)諧回路的計(jì)算值與實(shí)際值有一定的誤差，使得其對通帶的阻抗特性產(chǎn)生一定的影響，突出表現(xiàn)在溫度特性方面。因?yàn)樵谡{(diào)諧回路還包括有分布電容，而分布電容這一部分在整個溫度范圍內(nèi)基本上是不變的［6］。

由于是等參數(shù)節(jié)的電路，晶體濾波器的帶外寄生不能完全抑制，這就對晶體諧振器的寄生要求較為嚴(yán)格，尤其是低端晶體諧振器。

2　設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1主要技術(shù)指標(biāo)

以表1中的技術(shù)指標(biāo)為例。

表1　技術(shù)指標(biāo)參數(shù)表Tab.1 Technical index parameter table

2.2濾波器的設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，采用以四節(jié)八極點(diǎn)中等帶寬晶體濾波器線路，如圖2所示。

2.3晶體諧振器的參數(shù)

晶體諧振器的具體參數(shù)通過計(jì)算得到確定，詳見表2。

表2　晶體諧振器參數(shù)表Tab.2 Crystal resonator parameter table

圖2　四節(jié)八極點(diǎn)中等帶寬晶體濾波器線路圖Fig.2　Crystal filter medium bandwidth four eight pole circuit diagram

2.4測試結(jié)果用安捷倫5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3。從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，測試結(jié)果完全滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

表3　安捷倫5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果Tab.3 Agilent 5061B network analyzer test results

3　結(jié)束語

通過對中等帶寬晶體濾波器［7］的設(shè)計(jì)和制作，認(rèn)識到晶體諧振器的頻率準(zhǔn)確性要求不高，但對晶體諧振器［8］的動態(tài)參數(shù)的一致性要求較為嚴(yán)格，并聯(lián)電感和電容的溫度特性要與晶體諧振器的溫度特性相匹配。

［1］矯志偉.高頻中等帶寬濾波器的研制［J］.壓電晶體技術(shù)，1988（1）:55-58.

［2］Anatol I.Zverev.Hand book of filter synthesis［M］.U.S.A: Wiley，1967.

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

［4］馮志禮，王之興.晶體濾波器［M］.北京:宇航出版社，1987.

［5］周浩.中等帶寬晶體濾波器的實(shí)現(xiàn)方法［J］.壓電晶體技術(shù)，1997（1）:41-46.

［6］石雷.寬溫范圍內(nèi)應(yīng)用的21.6 MHz晶體濾波器［J］.壓電晶體技術(shù)，1994（1）:46-50.

［7］寇陽.一種低損耗波導(dǎo)高通濾波器的設(shè)計(jì)方法［J］.電子科技，2015（6）：123-125.

［8］李辰晶，周永剛，金耀，等.基于互補(bǔ)裂環(huán)諧振器的集成波導(dǎo)雙工器設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2014（4）：72-75.

The design of the crystal filter medium bandwidth

MA Xiao-dong，ZHANG Hui，CHEN Liang
（Shaanxi Huaxing Electronics Group CO.，LTD，Xianyang 712099，China）

Design，based on the medium bandwidth filter pass band width and related factors were analyzed，and the crystal resonator and transformer and other related parameters design.Using medium bandwidth filter circuit，and through the crystal resonator dynamic inductance，resistance and Q value of the transformer Q value and parallel LC tuned circuit temperature characteristic is analyzed，the wide passband，small passband fluctuation，high stopband attenuation crystal filter，and gives the examples in this paper，the realization method of the filter.Through comparing test results and design technical indicators，that the scheme can satisfy the technical requirements of product design.

medium broadband；crystal filter；relevant parameters；design

TN713+.91

A

1674-6236（2016）05-0179-03

2015-04-20稿件編號：201504227

馬曉東（1963—），男，河南新野人，高級工程師。研究方向:電子元器件。