LST-15M-5S濾波器的小型化、輕量化設計

徐小英 趙楊勇 韋浪飛 武艷梅

（陜西華星電子集團有限公司，陜西 咸陽 712099）

LST-15M-5S晶體濾波器是一種高性能、小型化且輕量化的晶體濾波器，具有通帶寬、插入損耗低和頻率選擇性良好等特點，適用于通信系統(tǒng)、雷達、電子戰(zhàn)和導航等多領域應用場景，能夠提供穩(wěn)定的頻率源、高質量的信號處理和頻率控制功能，提高系統(tǒng)的性能和精度[1]。LST-15M-5S晶體濾波器在設計和制造過程中采用了先進的工藝和技術，可確保高性能和穩(wěn)定性，其寬通帶和低插入損耗特性使其能夠有效濾除不需要的頻率分量，提高信號的純度和清晰度。此外，LST-15M-5S晶體濾波器還具有良好的溫度穩(wěn)定性，老化率低，能夠在各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定性能。

1 晶體濾波器的技術指標和外形尺寸

1.1 主要技術指標

標稱頻率為15MHz；中心頻率偏差≤±750Hz；-6dB通帶寬度≥5kHz；-60dB阻帶寬度≤15kHz；帶內波動≤2dB；插入損耗≤2.5dB；阻帶衰減≥60dB；工作溫度范圍為-55℃～85℃；輸入、輸出阻抗為1kΩ、1.6kΩ//3pF；質量≤10g。

1.2 外形結構尺寸

該產品外形結構尺寸要求為（30×20×5）mm3，如圖1所示。設計的難點在于高度要求僅為5mm，質量要求不超過10g。

圖1 產品外形尺寸圖

2 電路設計

2.1 設計原理

格型電路是濾波器電路設計的基礎，其設計原理是將一個格型低通原型電路變換成帶通結構，再等效為差接橋型電路，最終研制出帶通晶體濾波器。該濾波器通過采用輸入端和輸出端阻抗的四端網絡接入系統(tǒng)獲得選擇信號。

在格型電路的設計過程中，需要選擇合適的低通原型電路。低通原型電路具有低通濾波器特性，能夠使低頻信號通過，并濾除高頻信號。選擇低通原型電路時，需要考慮其頻率響應、阻抗匹配以及插入損耗等因素，再將低通原型電路變換成帶通結構。帶通結構是指只允許某一特定頻率范圍內的信號通過的濾波器結構。在變換過程中，需要對電路進行等效變換，以實現帶通濾波器的特性[2]。最后將帶通結構等效為差接橋型電路。差接橋型電路是一種對稱性的電路結構，其特性與帶通結構相似。通過設計差接橋型電路，可以進一步優(yōu)化濾波器的性能，提高其頻率選擇性和阻抗匹配性。研制帶通晶體濾波器時，需要采用輸入端和輸出端阻抗的四端網絡接入系統(tǒng)。該四端網絡可將濾波器與系統(tǒng)連接起來，同時保證信號的傳輸質量和穩(wěn)定性。

2.2 工作原理

晶體濾波器是一種具有選頻功能的傳輸系統(tǒng)，可將其等效為一個具有輸入端和輸出端的四端網絡。晶體濾波器對通帶內的信號衰耗為最小，對阻帶內的信號衰耗為最大。當信號經過時，濾波器的信號幅值、相位均有改變，其輸出端的視在功率與輸入端的功率不一致，通常用兩端口網絡的傳輸系數來表示。LST-15M-5S晶體濾波器屬于寬帶帶通型小體積晶體濾波器，該濾波器通帶寬度（-6dB）≥5kHz、阻帶寬度（-60dB：≤1kHz，矩形系數≤3。該濾波器體積為（30×20×5）mm3。該晶體濾波器有5個端口，即1個輸入端、1個輸出端和2個交流接地端。其中輸入阻抗為1kΩ，輸出阻抗為1.6kΩ//3pF。由于輸入阻抗與輸出阻抗不相等，該濾波器的特性網絡稱為非對稱四端網絡。

2.3 電路設計

LST-15M-5S晶體濾波器電路采用契比雪夫型差接橋型三節(jié)六極點電路，兼顧濾波器體積和電性能綜合指標參數，關鍵元件設計方案選用5032貼片型石英晶體諧振器。要求濾波器的阻帶衰減≥60dB，分離式晶體濾波器理論上1節(jié)電路衰減20dB，3節(jié)衰減60dB。從理論上分析，采用契比雪夫差接橋型電路，可使濾波器輸入、輸出連接的阻帶衰減余量富足。

LST-15M-5S晶體濾波器采用差接橋型三節(jié)六極點電路，如圖2所示。

圖2 LST-15M-5S晶體濾波器電路原理圖

截至目前，契比雪夫差接橋型電路是已被確定的最簡單的格型電路且比全橋型電路節(jié)約一半晶體。鑒于LST-15M-5S晶體濾波器輸入、輸出阻抗不對稱，可以利用變量器實現端接阻抗匹配，滿足非平衡式電路的要求。

與同類產品相比，本晶體濾波器的主要難度在于其高度較小。制作該晶體濾波器的關鍵技術主要包括15MHz基頻石英貼片晶體諧振器和PCB電路板的結構設計。石英貼片晶體諧振器是濾波器的重要組成部分，其性能會直接影響濾波器的性能。因此在制作過程中需要嚴格控制諧振器的頻率、品質因數等參數，以確保其性能穩(wěn)定、可靠。同時，PCB電路板的結構設計也是關鍵技術之一。由于該濾波器需要承受寬溫范圍的工作環(huán)境，因此PCB電路板的結構設計需要考慮溫度變化對電路性能的影響。在設計中需要采用合理的布局和布線方式，以降低溫度變化對電路性能的影響，并提高其可靠性[3]。

3 關鍵元器件設計

采用5032貼片晶體替換傳統(tǒng)UM-1晶體是分離式濾波器的又一革命性變革，它開辟了分離式石英晶體濾波器小型化的進程。制作濾波用貼片晶體不僅在技術、工藝上與UM-1晶體有很大不同，還在加工設備上做了許多改進，其自動化更適應小型化、精密化的要求，貼片晶體諧振器的加工尤為重要。作為小型化晶體濾波器中的關鍵元件，5032貼片晶體諧振器外觀尺寸如圖3所示。

圖3 5032貼片晶體諧振器外觀尺寸圖（mm）

3.1 電感的設計

與石英晶體諧振器相比，現有電感元件的Q值和溫度穩(wěn)定性更低，串聯電感易導致濾波器溫度穩(wěn)定性下降，并限制寬帶晶體濾波器在寬溫域的應用。因此，設計展寬電感時，應選擇高Q值材料制成的電感。采用環(huán)狀磁芯繞制的電感的Q值高于一般片式電感或磁棒繞制的電感，并且溫度性能也更好。因此，高Q值的環(huán)形磁芯繞制的電感更適于制作展寬電感。

最終，變量器采用型號為NX0-60的5mm×2.5mm×1.5mm環(huán)形磁芯，繞制的導線可以粗些，以增強機械固持作用。為了將電感對高頻回路的影響降至最低，必須讓濾波器各臂的參數相同，并使串臂與并臂晶體諧振器的電感量盡可能相等。諧振頻率變化越大，就需要越多的串聯電感。然而，當串聯電感增加時，其分布電容也隨之增加，電感對晶體濾波器回路的作用也會更顯著。因此在設計中，展寬電感的電感量不宜過大。

3.2 晶體參數的確定

解決技術難點的主要措施是優(yōu)選電路和晶體，加強生產中各工藝環(huán)節(jié)的電路控制。根據歸一化系數設計寬帶晶體濾波器參數系數，即

R12=0.7145，K12=0.5385，K23=0.5180，K34=0.5385，Q1=1.2767，Q2=1.2767。由于頻率較高，因此需要通過計算和修正得出所需的晶體諧振器的頻率，即如公式（1）～公式（4）所示。

通過理論公式計算出各元件的理論參數，預估晶體濾波器所需石英晶體諧振器的關鍵電性能指標參數（L1、C1、C0、Fr）的大概范圍，對貼片晶體諧振器電極面積、晶片振動模式和晶片返回頻率等參數的綜合設計是貼片晶體諧振器的關鍵部分。根據實際搭建的電路，對理論計算出的參數進行修正和調整，使該濾波器達到最佳狀態(tài)，貼片晶體諧振器相關參數見表1。

表1 貼片晶體諧振器相關參數

4 結構設計

采用PCB電路板替代傳統(tǒng)金屬夾結構來實現濾波器小型化設計，可在減輕濾波器質量的同時有效提高產品可靠性。根據所用元件尺寸、數量、外形以及可靠性綜合要求，該濾波器電路板采用PCB高頻介質板進行設計和制作，并對電路板材介電常數、溫度系數、覆銅板的厚度均勻性以及線路板銅薄的寬度等參數進行調整。

由于濾波器體積小，分布參數易受干擾，因此濾波器設計和制作過程要仔細選擇元件位置，增加屏蔽措施，提高抗干擾能力，攻克濾波器高阻帶衰減指標。各元件按電路圖焊接在PCB電路板上，電容采用貼片0603封裝片式焊接，電感線圈采用硅膠固定，以免松動[4]。濾波器管腳為插針與底角螺釘，金屬外殼封口用烙鐵焊錫封焊，封裝接口處要求光滑、無毛刺，確保能通過低氣壓檢漏法檢驗[5]。

5 結語

綜上所述，本文研制的LST-15M-5S晶體濾波器采用契比雪夫差接橋型三節(jié)六極點優(yōu)化電路，內部結構采用PCB板，元件采用5032貼片諧振器和貼片電容，最終達到了體積小、質量輕且性能良好的指標要求。該濾波器具有優(yōu)異的頻率選擇性和阻抗匹配性，能夠有效抑制噪聲和干擾，提高信號的接收質量和傳輸穩(wěn)定性。同時，該濾波器還具有高可靠性和穩(wěn)定性，能夠長時間穩(wěn)定工作，確保復雜電磁環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。在未來的應用中，該晶體濾波器將具有廣闊的市場前景和較大的應用潛力，可為推動相關領域的技術進步提供參考。