SJ Z 9153.2-1987 压电滤波器对IEC368(1971)的第一次补充 第3章:压电滤波器使用指南.pdf
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1、中华人民共和子工业波器的第一次补充压电滤波器使用指南SJjZ 9158.2 81 IEC 388A(1982) 章压三First supplement to publication 368(1971 )piezoelectric fi1 ters Chapter 11 Guidc to the use of piezoelectric filten 压电滤用指南3 事l在通信、遥测、导航和测量中广泛地应用电气滤波器。在许多情况下是把放大和滤波作用结合起来的,如电子管或晶体管的级间变压器。近来对更灵敏的选择性,更平稳的通带特性,更高的阻带衰裙,更高的稳定性和更慢的老化提出了新要求,从而使得对作为
2、与分开的独立单元的滤波器的使用增加了。集成电路的出现加速了这种倾向。滤波器的质量主要取决于在滤波器中采用的谐振元件的特性。压电谐振器在品质因(Q)、温度特性、老化率、尺寸和重量等特性方面都优于普通的LC谐振电路。因此,在商品上目前有多种多样的压电滤波器。压电滤波器有两种主要类型,石英晶体滤波器和陶瓷滤波器。在这某些相同之点和不同之点。使用方和生产方要求概括地介绍压电滤波使他们更便利地使用压电滤搅器。本推荐标准就是根据比要求而编制的。体滤波器,第二节介绍陶瓷滤披器。滤波器之间存在使用指南从而能一节介绍石英晶1节石英晶体滤波器1 范围利用石英晶体谐振器的高Q值,高稳、远性制成的高选择性的电气滤波器
3、,通称为晶体滤波器。目前在通信、遥测、导航、测量以及远距离载波通信系统中广泛使用。虽然晶体滤波是多种多样的,但几个标准型号的晶体滤波器就能适应这些要求的大多数。本际准的范围主要远用于频率范围在l0kHzljlOoMHz左右的无源带通滤波器。官们作为单个的独立单元在市场上出售。此处不考虑集成为一个较大的设备的滤波器组。它的目前不是去阐述理论,也不企图包括在实际环境中可能出现的全部意外情况。它所注意到的是用户在为了新的用途而订购某种滤波器之前要考虑的某些更基本的问题。这些程序保证用户得到的性n.:.0 中华人民共和国电子工业部1988-01-06批准1 SJjZ 91532 87 IEC标准本指南
4、构成了IEC标准的一部分的那些标准的产品活页规范以及国家或由制造商出版的话页数据规范应规定基准频率,通带宽度),波动,矩形系数,端接阻抗等。虽然编制这些活页规范以包括范围广泛的具有标准性能的晶体滤波器,但不能过分调用户必须都从这些活页规范中选择晶体滤披器,当情况允许时,用户可稍微变更其电路以便能采用标准滤波器。这特别适用于基准频率的选3干。当基准频率局限在少数有限的频率范围时,与普通的LC滤波器相比,石英晶体滤波设计和生产戚本方面具有很大的优越性,因此不订购通用的基准频率可能是不经济的。不言而喻,标准化不是固定不变的,而是一个友展的过程。当新的要求出现时,经过国际电工委员会的周密研究之后再制订
5、新的产品活页规范未满足这些要求。2 技术引用户最关心的是滤波器的知性应满足特寇的规范,而选择满足该规也均滤披器内部网络以及石英晶体谐振器由制造厂决寇。滤波器特性通常用传输衰耗与频率的函数来表示,如图1所示。测量传输衰耗的标准方法将在第6条中叙述。在某些应用中,瞬态响应或群时延这样一些特性比传输衰耗更重要。但在本推荐中不考虑这些专门特性。闰HV、d业60dB带贯一。在规定的波动菇国内规定的通带60 d8 6dB通带一6 dB 小传输衰-起基国l滤i戊昂的传输哀耗特性2 SJjZ 9153.2 87 耗特性由基准频率、最小传输衰耗、通带波动和矩形系数规寇其标准值在IEC368号标准中给出。在规寇的
6、工作温度范围的最低和最高温度之间应满足规范要求,在环境试验之前和其后也要符合规范要求。S 温噩噩用的石英晶体本条对晶体谐振器作简要的说明,使用户了解由于谐振器的特性而在晶体滤波中存在的可能性和限制。在普通的滤波器中,电感器和电容器是作为电抗元件使用的。实际元件使用时产生的不可避免的损槌对滤波器特性产生两重影响。第,将增加传输衰耗,使内有寇的衰耗而不是零。第二,传输衰耗更严重时,使截止锐度变劣。i第二种主要取决于元件的品质因数,而第一种影响主要取决于损艳的绝对值。单地说,石英晶体谐振器相当于具有商品质因数的电抗元件的组合,比普通电感器的品质因数至少高二个数量级,晶体滤波器采用石英谐振器来代替电感
7、器和电容器并利用谐振器的商品质因数来取得截止锐度。图2是晶体谑被器和普通滤波器两者都设计成具有同样35 nv A咱、闰咱30 25 15 、20 图2晶体滤汶器与普通LC滤波器特性比较3 SJjZ 91S3.2 87 的通带的典型比较圈,可以看到,采用晶体滤波器获得了更锐的截止和更锐的衰艳峰,而在最小插入衰艳方面没有多少改进。在滤波器中采用晶体谐振器还能产生附带的优点,如更好的温度和老化特性、尺寸小,重旦伍。可以用图3所示的等效电路表示出晶体谐振器的电特性。等效电路由并联电容C。和由等效电感L1电容01和电阻R1串联起来的动态分路悔戚。讨论滤披器用谐振器的民性用的其它便利的参数是串联谐振频率f
8、s和并联谐振频率fp,品质因数Q和电容比y,这些参在也在图3中规寇。类似的石英晶体元件也广泛用来控制振荡器的频率。但是,在滤波器中用的谐振荡器中用的晶体元件之间存在着某些很重要的区别。振荡器中用的晶体元件,温度系数,品质因数和老化XJ谐振频率的影响是最主县的。官们在作为滤波器的谐振器的情况F虽然也要,但是想眨较轻。L, C, R, ,且Co f毡=2丁rVLl0 1-1 唯;-0丁c丁fp=七叫飞节:c7Qz21专CI - v fp-fs _j 1+_1 -1= 1 -7了一-可 2y 圈3晶体元件的等效电F各在理论七,这些决定了晶体滤波器的有效带宽的下限,。大多数滤披器的带宽通常都远远超过此
9、限。对滤波器用的谐振器飞,边一步要求在设计中规Iii所有的电抗参数。这fq参数决定于谐振的尺寸,f状和电极位置以及:JIiz5j模式等国索。因为这些国亲不能任意选择,故参敖的在4 SJ/Z 9153.2 87 效范围与普通电感器比较就相对地受到了限制。例如sd在某一特定频率上,有效的等效电感范围无论在什么情况下,都不会超过50左右,韭且对于高频晶体不会超过5,而在某一特定频率上,普通可用电感或电容的范围可达1000或1000以上。这就对晶体滤波器的设计增加了严格的限制。的等放电感达到高值实际上更困难。表1分别示出了典型晶体元件在低频OOOkHz)和高频(10.7MHz)时的特性。电容比是并电容
10、与等放动态电容之比。电容比的大小可以通过改变电极配置来调整,但不得低于某这个最小值是某一振动模式的一个固有常数。率等效动态电感口口日因数100kHz 20-.100H 50000 10.7MHz 10,_,30mH 150000 电容比也是谐振间的距离的量度,公式如下,fs哼噜1- 1= 2 因此,电容比与晶体滤波器的带宽紧密相关。最小电容比130 250 由晶体元件和电容器掏成的滤波器,其所能获得的最大相对通带是1/。如果要求更宽的通带,可以采用电感器,晶体元件和电容器这样可以获得直至(2/)h的相对带宽。电器可置于电路中这样的位置z使得其损耗与负载电阻的损耗有可能组合在一起,这种组合的结果
11、对损耗的影响只引起附加的恒量表耗而不影响截止锐度。因为晶体谐振器具有复杂的机械结构,所以除了在滤波器中采用的主振动模之外还存在其它许多振动模式。有时这些模式出现在主模式的附近韭影响滤波器的特性。必须把这些奇式抑制在某个电平之下或把它们移到不重要的频率。这项要求对滤波器用谐振器比对振荡器用晶体元件更为重要。通常通过对谐振器的尺寸,电极的适当设计和安装来满足这项要求。因此,等效电路参数的有效范围蛋到更严格的限制。有时采用具有多对电极的谐振器,还可采用多个主振动模式的谐振器。虽然这样的多电极或多棋的谐振器在滤波器的实际结构中具有某些优点,但采用官们,在晶体滤波器的可行性和限制方面却不会有多少基本的改
12、变。在高频晶体谐振器中,电极质量负荷可以把振动能陷于电极附近。通过由不同的电极供给能量的几个区域之间相互的声祸合能够获得多模谐振器或机电滤波器。这样,以一单片成形式就能获得一完整的滤波器。这就有可能显著地缩小尺寸和减在恳恳。4 渥搜器的基本特性4.1 一般特性以下是羔于采用性元件的各种类型的滤被器特性的简应注意到,一个晶5 体鉴别器可以。这两种滤波S JjZ 8158.2 87 于非线性器件都在本指南范围之外。一种一形式。也有采用有件的滤单边带(SSB)滤披它们可能具有对称的的两边使用两个交替对称的衰施特性,这取决于设备是使用单一个载频还是在通带。根据用途,通带宽典型的是在6dB上大约在2.4
13、kHz和3.5kHz之间。这种滤波器的体积随频率而不同,在lMHz至2MHz范围之内体积的变化在30cm3到150cm3之间。在9MHz时,体积可以小到16cm8。典型的相对阻带衰耗为60dBo图4示出了在2.5kHz带宽上衰艳为6dB而在3.6kHz带宽上为60dB的滤波器,其负载阻抗为750或5000Q。生产这种滤so 80 70 60dB 60 50 e 、J40牛30 20 .1 10 6 dB 1.003 1.005 1.007 80 70 60 -1- 50 40闰i甘、-30瑞ll 丁20i! 10 E 率(KHz)图4单边带就工设备用1.005MHz晶体滤泯器举例于通带和阻带之
14、闻的过渡带宽问题,在内的的困的要求。(FM)用滤波它们通常为10.7MHz,虽然也可用其它频率,如8MHz至30MHz的整个频率范围.要规定得足够宽,使在温度变化的条件下以及在发射机和接收机两者的振误差的条件下能在载波上接收到音频信号。通常由负责的权威规定这些频率的允许误2il:o阻带和过渡带衰耗由邻近通道的位置和频率稳寇性及重迭信号调制所产生的频谱确定。性能等级可用现信号法试验确定,这种试验是测量邻近通道中某一信号在要求的通道上所引6 SJ/Z 9158.2 87 起的干扰和串音。波器要求10000旁路25pF的负载。必须保证负载误差不要太大,以避免通带波动,通带波动会造成极为不能接受的失真
15、和/或对干扰的敏感性。根据用途和滤波器是提供接收机所要求的全部还是部分选择性,滤披器的体积通常在10cm8至40cm3范围之内,其相对衰耗为50dB、80dB或90dB。正常情况下,FM系统不规定滤波器通带特性,对此,见图5。该图表示在土15kHz上规寇为6dB最大值和在土30kHz上规寇为80dB最小值的滤波器。带阻滤波器100 80 80 E 中60 60 , E , ,.、8 国.间rd 、d40 + 40瑞4幌也20 20 一一。-40 呵30-20 -10 6 -+10 10 20 30 40 kHz 基准频率10.7.MHz图550kHz通道间隔用10.7MHz晶体滤泯器举例1;(
16、 对称阻带特性的带阻滤波器是不容易的,但很少提出这样的要求。带宽大于0.1%业具有显著衰耗的多节带阻滤波器是少有的韭很难制成。除非阻带宽度窄,否则会因寄生的影响在通带中产生损耗而带来麻烦。由于电感器的缺点,通带很宽,频率扩展到比阻带频率大一个或几个数量级时,就感到更困难。响应特性对于具有显著振幅响应特性的滤波器来说,存在着一些理论上的响应特性,如Chebyshev曲线、超平面曲线(Butterworth)、Papoulis曲线和与椭圆函数相应的曲线。在相位特性更为重要时,如在数字传输系统中,则有相应于高斯函数的曲线。只用这些特性去规寇滤波器的响应盖不是很好的作法,因为这些毕竟还是理论上的,而实
17、际的滤波器只能近似于想的响应。还应注意到,由于在相位特性和振幅特性之间存在着某种联系,不能弧立地同7 SJjZ 8153.2 87 时得到这两种特性。4.2 可获得性与限制晶体滤波器已大量生产盖在第-级中频的高频范围内的各种军用和商用来提高选择性。调频滤披器有各种型号,例如,甚高滤和超高频带10.备中广泛用的滤波器,型号有:50kHz, 25kHz , 20kHz和12.5kHz通道间隔滤波器。图5示出了50kHz道间隔滤波器一例。也有些单边带(SSB)用滤披器,其频率低于10MHz。图4示出了1.信用滤波器。因比,晶体滤波器稳定地在频分多路(FDM)电话系统中用来完成频道选择、导频信号的抑制
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