高频电子线路第二章

2.2.3 其他形式的滤波器其他形式的滤波器、石英晶体滤波器、石英晶体滤波器一、石英晶体的物理特性一、石英晶体的物理特性1、石英晶体的结构 图（图（a a）表示自然结晶体，）表示自然结晶体，图（图（b b）表示晶体的横断。）表示晶体的横断。为了为了便于研究，人们根据石英晶体的便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，连接两个角锥顶种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴点的一根轴Z Z，称为光轴；在图，称为光轴；在图（b b）中沿对角线的三条）中沿对角线的三条X X轴，称轴，称为电轴；与电轴相垂直的三条为电轴；与电轴相垂直的三条Y Y轴，称为机械轴。轴，称为机械轴。图2.2.3.1 石英晶体的形状及横断面图2、石英晶体的切割 石英晶体谐振器是由石英晶体切片而成。各种晶片石英晶体谐振器是由石英晶体切片而成。各种晶片按与各轴不同角度切割而成。图就是石英晶体几种常用按与各轴不同角度切割而成。图就是石英晶体几种常用的切片方式，晶片经制作金属电极，按放于支架并封装的切片方式，晶片经制作金属电极，按放于支架并封装即成为晶体谐振器元件。即成为晶体谐振器元件。图2.2.3.2 石英晶体的各种切割方式（a）X切割 （b）Y切割 （c）AT切割3、石英晶体的电特性（1 1）石英晶体特有的正、反两种压电效应）石英晶体特有的正、反两种压电效应 正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴施正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产以张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生正、负电荷，呈现出电压。生正、负电荷，呈现出电压。负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加交变电压时，晶体将会沿电轴或机械轴产生弹交变电压时，晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形（伸张或压缩），称为机械振动。性变形（伸张或压缩），称为机械振动。（2 2）石英晶体具有谐振回路的特性）石英晶体具有谐振回路的特性 因为石英晶体和其它弹性体一样，具有弹性因为石英晶体和其它弹性体一样，具有弹性和惯性，因而存在着固有振动频率。当外加电信和惯性，因而存在着固有振动频率。当外加电信号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出电谐振。这时有很大的电流流过晶体，产生电能电谐振。这时有很大的电流流过晶体，产生电能和机械能的转换。和机械能的转换。（3 3）具有较小的频率温度特性）具有较小的频率温度特性图（图（a）是考）是考虑基频及各虑基频及各次泛音的等次泛音的等效电路。效电路。二、石英谐振器的等效电路及阻抗特性二、石英谐振器的等效电路及阻抗特性1、等效电路图2.2.3.3 晶体谐振器的等效电路（a）包括泛音在内的等效电路 （b）谐振频率附近的等效电路 （c）电路符号弹性体的质弹性体的质量，值很大，量，值很大，为（几十为（几十m几十）几十）H；弹性体的弹弹性体的弹性模数，值性模数，值较小，较小，为（）为（）pF；由于各谐波频率相由于各谐波频率相隔较远，相互影响隔较远，相互影响很小。对于某一具很小。对于某一具体应用（如工作于体应用（如工作于基频或工作于泛基频或工作于泛音），只须考虑此音），只须考虑此频率附近的电路特频率附近的电路特性，因此可以用图性，因此可以用图（b）等效。）等效。机械摩擦和空机械摩擦和空气阻尼引起的气阻尼引起的损耗，值很小，损耗，值很小，为（几几十）为（几几十）晶体作为介质的静态晶体作为介质的静态电容。其数值一般为电容。其数值一般为（几几十（几几十)pF，较，较大。大。与石英片厚度、与石英片厚度、介电常数、极板面积介电常数、极板面积有关。有关。0SCd2 2、谐振频率、谐振频率串联谐振频率：串联谐振频率：12qqqfL C并联谐振频率：并联谐振频率：01122qpqCffCLC式中式中 00qqC CCCC两频率之间的间隔为两频率之间的间隔为12qpqqoCffffC qLqC晶体的主要特点是它的等效电感晶体的主要特点是它的等效电感特别大，而等效电容特别大，而等效电容特别小。晶体谐振器的品质因数为特别小。晶体谐振器的品质因数为1qoqqLQrC很大，为（几万很大，为（几万几百万）几百万）图（图（b b）所示等效电路的阻抗一）所示等效电路的阻抗一般表示式为般表示式为001111qqqqqqjrjLCCZrjLjCC上式在忽略上式在忽略qr后可简化为后可简化为22202111qepZjjXC 由此式画出的电抗曲线如图所示。由该图知：由此式画出的电抗曲线如图所示。由该图知：pqeX当当，时，时，呈容性。呈容性。qpeX呈感性。呈感性。当当时，时，TJpqfff 作滤波器使用时，作滤波器使用时，决定了滤波器的通决定了滤波器的通当当带宽度。带宽度。图2.2.3.4 晶体谐振器的电抗曲线22202111qepZjjXC 晶体谐振器与一般振荡回路比较，有以下几个明晶体谐振器与一般振荡回路比较，有以下几个明显的特点：显的特点：晶体在工作频率附近阻抗变化率大，具有很高的并联谐振阻抗。pfqfqLqCqr 晶体的谐振频率 和 非常稳定。这是因为、由晶体尺寸决定，由于晶体的物理特性、它们受外界因素（如温度、震动等）的影响小。Q 有非常高的品质因数。而普通LC振荡回路的值只能到几百。2.2.3.2 陶瓷滤波器陶瓷滤波器 利用陶瓷材料的压电效应构成利用陶瓷材料的压电效应构成.单片陶瓷滤波器又称单片陶瓷滤波器又称为单端口陶瓷滤波器。为单端口陶瓷滤波器。图2.2.3.5 单片陶瓷滤波器的等效电路和符号(a)等效电路 (b)单端口符号图 (c)双端口符号图显然，具有与石英相同的谐振特性，其显然，具有与石英相同的谐振特性，其 Q值高于值高于LCLC回路，回路，低于石英晶体。低于石英晶体。等效于压电等效于压电陶瓷谐振子陶瓷谐振子的固定电容的固定电容值；值；电感电感 电容电容 电电阻阻分别相当于机械振分别相当于机械振动时的等效质量、动时的等效质量、等效弹性模数和等等效弹性模数和等效阻尼。效阻尼。qLqCqr、表面声波滤波器、表面声波滤波器表面声波滤波器的结构如图所示。表面声波滤波器的结构如图所示。图2.2.3.7 表面声波滤波器结构示意图 电信号由交叉指形换能器转换成声波。换能电信号由交叉指形换能器转换成声波。换能器的工作原理是利用压电衬底对电场作用时的膨器的工作原理是利用压电衬底对电场作用时的膨胀和收缩效应。、表面声波滤波器电场是由沉积胀和收缩效应。、表面声波滤波器电场是由沉积在压电衬底表面的两个平行交错在压电衬底表面的两个平行交错(即交叉指形即交叉指形)的的薄膜金属电极上的电位差形成的。一个时变电信薄膜金属电极上的电位差形成的。一个时变电信号号(交流信号源供给交流信号源供给)输入，引起压电衬底振动，输入，引起压电衬底振动，并沿其表面产生声波。严格地说，传输的声波有并沿其表面产生声波。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是表面波。在压电衬底的表面波和体波，但主要是表面波。在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信号。信号。简单工作原理简单工作原理 沿弹性体表面传递的声波，有沿弹性体表面传递的声波，有n n节换能器，（节换能器，（n+1n+1）个电极或个电极或 个周期段。指间距个周期段。指间距b b、指宽、指宽a a决定声波波决定声波波长长 。2nN 0fd02()Mab换能器频率换能器频率，周期段长（波长）：周期段长（波长）：传播速度。传播速度。0sff0sAnA0A当外加信号频率当外加信号频率 时时，各节所发出的表面波同相迭加，振幅最大，各节所发出的表面波同相迭加，振幅最大，总振幅总振幅（为每节所激发声波强度振幅）。为每节所激发声波强度振幅）。sf0f0A当当偏离偏离，强度减小，强度减小（原因是各（原因是各 振幅不变，但相位变化）。振幅不变，但相位变化）。sin x x0 xnff0fff 表面声波滤波器的幅频特性为具有表面声波滤波器的幅频特性为具有的函数形式，的函数形式，（，（）。）。式中式中00000.550 目前表面声波滤波器的中心频率可在目前表面声波滤波器的中心频率可在10MHz10MHz1GHz1GHz之间，相对带宽为之间，相对带宽为，插入损耗最低仅几个，插入损耗最低仅几个dBdB，矩形系数可达。矩形系数可达。图所示为一接有声表面波滤波器的预中放电路，图所示为一接有声表面波滤波器的预中放电路，滤波器输出端与一宽带放大器相接。滤波器输出端与一宽带放大器相接。图2.2.3.8 声表面波滤波器与放大器连接 5.衰减器与匹配器衰减器与匹配器 1)高频衰减器 VVWVWW 图 2 28 T型和型网络 R1R2R3Z1Z2 图 2 29 T型电阻网络匹配器