10.7 MHz中等帶寬晶體濾波器的研制

馬 帥，佟仕忠，孫海軍，吳承猛，付貴增

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順 113001）

晶體濾波器，它在現代電子設備中是不可缺少的關鍵器件之一。作為關鍵器件，由于它的品質因數高和溫度穩定性良好，于是在頻率選擇系統中便占有特定的地位。現代電子技術促使頻率選擇器件進一步的向前發展。現在，晶體濾波器已被廣泛地應用于廣播電視、郵電通訊、導航測控，以及宇航工程的電子設備之中，它關系到電子設備的用途、精度、靈敏度，以及抗干擾能力[1－2]。

眾所周知，石英晶體濾波器的相對帶寬在0.1到1%之間，是屬于中等帶寬晶體濾波器。在數字通信、移動通訊及導航控制系統中，優良的中帶寬晶體濾波器能夠很好的減少信號失真和降低干擾，提高諧波抑制性能，使系統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值和良好的頻溫特性，使得它在通信接收系統中具有不可替代的關鍵作用[3]。

中等帶寬晶體濾波器的設計方法可以采用等參數設計法，也可以采用不等參數設計法[4]。對于一些阻帶要求很高以及性能良好的晶體濾波器，必須要由多節差接橋相串聯才能達到要求，確保其技術指標的實現。由于采用了四節電路，使阻帶衰減≧60 dB；同時，由于采用了展寬線圈設計，因而中等的通帶范圍內很容易實現波動調平，其通帶波動≦1 dB。另外，由于濾波振子采用了UM－1微型金屬殼封裝，因而使得整個器件的外形尺寸在同類產品中也是較小的。

1 產品的主要技術指標

中心頻率：10.7 MHz；3 dB帶寬：≥±19 kHz；通帶波動：≦1 dB；60 dB帶寬：≦±38 kHz；阻帶衰減：≥60 dB（偏離中心頻率50 kHz以外）；插入損耗：≦3 dB；端接阻抗：50Ω±10%；工作溫度：－55～85℃；外形尺寸：38.3 mm×19.2 mm×12.7 mm；

2 晶體濾波器的設計方案

2.1 確定濾波器函數類型及階數（極點）數n

該產品60 dB阻帶寬度指標高，即要求矩形系數很小，選擇契比雪夫（波動0.1 dB）函數類型適合。用下列公式計算：

因為cosh－1X＝In（X±X2－1），依據技術條件可知，其中As（波動）＝1 dB；Ap（帶外衰減）＝60 dB；代入公式（1）中，得到n＝8.2，故選擇8極點。

2.2 電路設計

晶體濾波器的電路結構有L型、T型、π型、梯型、格型設計等多種設計方法[5]，本文采用了四節八晶體格型電路的設計方法。對該濾波器來說，通帶寬度和阻帶衰減是產品必須達到的重要指標參數。由于單節電路所能實現的帶寬和頻帶抑制比較狹窄，所以要想實現較高的衰減和較好的性能則需將幾節電路相串聯，同時還要進行展寬線圈設計。

首先計算最大可實現的帶寬是多少，是為了確定級和級之間是否需要展寬電路。用下列公式計算：

其中B3max：3 dB最大帶寬；f0：標稱頻率；

r：電容比C0/C1（AT切型一般在250左右）；

k23：低通耦合系數，依據選擇的函數類型和極點數可查表得出。

將其代入公式（2），得出最大帶寬為38 kHz，該值是理論上可實現的最大帶寬，該產品為滿足全溫度范圍應做到40 kHz，所以設計級和級之間有展寬的差接橋電路來實現。電路圖如圖1所示。

圖1 晶體濾波器電路設計圖Fig.1 Diagram of crystal filter circuit design

圖中的fs1+、fs1－、f′s1+、f′s1－、fs3+、fs3－、f′s3+、f′s3－分別為壓電晶體振子的串聯諧振頻率，L1和L3為用于網絡調諧的諧振電感，C1、C2、C3、C4、C5分別為調諧及隔直電容，如何確定這些晶體振子的串聯諧振頻率值及諧振電感、電容元件的參數便是濾波晶體的設計及濾波器電路結構設計的主要內容[6]。

2.3 電路圖中元件參數計算

2.3.1 頻率計算

電路結構確定之后就要進行濾波晶體頻率規格的設計，按圖1所示的四節電路，每部晶體濾波器共需8只晶體諧振器。

根據以下公式：

3 晶體濾波器的設計結果

其中f0：標稱頻率；

B3：3 dB帶寬；

ki，i+1：低通耦合系數，依據選擇的函數類型和極點數查表 得 出，k12＝k78＝0.7276；k23＝k67＝0.5451；k34＝k56＝0.5160；k45＝0.510 0。

將上述數值代入公式（3）（4）中得到，fs1+＝f′s1+＝10 703.83 kHz；fs1－＝f′s1－＝10 673.273 kHz；fs3+＝f′s3+＝10 699.389 kHz；fs3－＝f′s3－＝10 677.716 kHz。

2.3.2 濾波晶體諧振器等效參數的選取

晶體諧振器的等效電路圖如圖2所示。

圖2 晶體諧振器等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of the crystal resonator

對晶體等效參數的要求是分不同的頻段有不同的要求，主要是對寄生抑制[7]、等效電阻R1、等效電感L1、靜電容C0、等效電容C1、電極直徑有要求。晶體對濾波器的性能指標影響很大，考慮到技術指標，能夠提高濾波晶體的頻譜純度，結合生產的方便，濾波晶體可以采用平片AT切，θ＝35°15′，白片直徑為8 mm，白片厚度t＝1 650/f0＝0.16 mm。欲提高晶體濾波器的阻帶抑制度，必須使晶體寄生振蕩頻率遠離主振，且寄生幅度應抑制到最小值，能陷理論[8]能夠給出，晶體片的邊緣到達電極邊緣距離L＝18 t時，振動波就有40 dB的衰減，晶體片的電極面積越大，寄生衰減越差，寄生離主振頻率越近。綜合以上因素及晶體的等效電阻R1，等效電感L1，等效電容C1，及靜電容C0諸因素，我們選取電極直徑為2.5 mm。該產品的其他參數設計為：C1＝7 F；L1＝31mH；R1＝35Ω；C0＝1.7 pF；寄生抑制≥30 dB。

2.3.2 電路圖中其它元件值的計算

特性阻抗RT的計算

差接橋電感值Lt和在通帶中心頻率上與之諧振的電容值Ct的計算

其中RT為特性阻抗；Qt為變量器電感線圈質量因素。

晶體濾波器電路圖中：

將差接變量器、晶體及調諧電容C1、C2、C3、C4、C5等上述理論計算出的元件值，在搭配好的實際電路中進行試驗，按圖1電路裝配后，反復調整，產品在HP8714ET網絡分析儀上調試，最終調試出合格的幅頻特性曲線。經過調試的實際濾波器產品的各項參數均達到設計規范值，其中主要指標如插損IL≤3 dB；3 dB帶寬≥±19 kHz；阻帶衰減≥60 dB（偏離中心頻率50 kHz以外）；通帶波動≤1 dB等均達到標準值，其他各項參數比如矩形系數要求很小也符合規定。圖3為裝配調試好的10.7 MHz晶體濾波器實物。

圖3 10.7MHz晶體濾波器實物照片Fig.3 Real photograph of 10.7 MHz crystal filter

4 結束語

文中所用的晶體濾波器設計方法比較簡單靈活，在實際生產應用中使用較多，設計生產效果也比較好，理論與實際比較一致。首先要解決濾波振子頻率的設計及電路的設計，還要根據實際生產經驗來解決一些理論計算問題，同時還要兼顧插損、寄生抑制及阻帶衰減等技術指標的要求。在實際制作中還可能會遇到一些問題，列如節與節之問要采取適當的連接方式，合理地設計印制板的布線等問題，今后還得進一步研究。

[1]馮致禮，王之興.晶體濾波器[M].北京：宇航出版社，1987.

[2]李忠誠.現代濾波器設計[M].北京：國防工業出版社，1981.

[3]KINSAMAN R G.Crystal filter[M].New York：Academic Press，1998.

[4]BOND W L.Crystal technology[M].Chichester：John Wiley，2000.

[5]陳翠香.寬帶晶體濾波器的設計與試制[J].壓電晶體技術，1992（1）：23－25.CHEN Cui-xiang.Design and manufacture of broadband crystal filter[J].Piezoelectric Crystal Technology，1992（1）：23－25.

[6]靳寶安，王林力.LST－15MHz晶體濾波器設計[J].壓電與聲光，2005，27（3）：675.JIN Bao-an，WANG Lin-li.LST-15MHz crystal filter design[J].Piezoelectric And Acousto-optic，2005，27（3）：675.

[7]靳寶安，王林力.LST－2.45 MHz單邊帶晶體濾波器設計[J].人工晶體學報，2006，35（6）：1155－1159.JIN Bao-an，WANG Lin-li.LST－2.45 MHz single sideband crystal filter design[J].Journal of Synthetic Crystals，2006，35（6）：1155－1159.

[8]張福學，孫康.壓電學（下冊）[M].北京：科學出版社，1984.