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晶体滤波器
晶体滤波器
用晶体谐振器组成的滤波器。晶体滤波器与LC谐振回路构成的滤波器相比,在频率选择性、频率稳定性、过渡带陡度和插入损耗等方面都优越得多，已广泛用于通信、导航、测量等电子设备。1921年W.G.凯地将晶体谐振器用于各种调谐电路,形成了晶体滤波器的雏形。1927年L.艾斯本希德把晶体谐振器用于真正的滤波电路。1931年W.P.梅森又把它用于格型滤波器。60年代中期，集成式晶体滤波器研制成功，从此，晶体滤波器在小型化方面有了很大发展。
石英晶体谐振器是最常用的晶体谐振器之一，它在滤波器中主要用作窄带通滤波器。钽酸锂或铌酸锂晶体谐振器的耦合系数和频率常数较大，适于制做高频宽带通滤波器。其他压电材料因温度稳定性较差，很少采用。（见压电器件）。
data/attachment/portal/201111/06/15315889mv2d9qx9omq94q.jpg晶体滤波器
当作用于晶体谐振器的电信号频率等于晶体的固有频率时，电能通过晶体的逆压电效应在晶体中引起机械谐振产生机械能;在输出端,正压电效应又将这种机械能转换为电信号。晶体谐振器及其等效电路和阻抗特性如图1。其中，L1、C1和R1分别代表晶体谐振器的动态电感、动态电容和动态电阻；C0为晶体支架和电极间的静态电容。R1通常很小，可忽略不计。这样，图1a的等效电路可视为纯电抗二端网络。谐振器的串联、并联谐振频率f1、f2以及比值f2/f1分别为
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data/attachment/portal/201111/06/1531581wxvdztufzfvkr5w.gif比值f2/f1随比值C1/C0而异。这个特性可以用来调节晶体滤波器的通频带。例如，谐振器外接一个串联电容器,等效于C1减小、f1升高；而外接一个并联电容器,则等效于C0增大、f2降低。两者均可缩小f1与f2之间的间隔,即缩窄通频带。如果串接或并接电感器,则将增大频率间隔，展宽通频带。
因晶片不能做得很薄，石英晶体谐振器的基波频率只能达到30～35兆赫。工作频率较高的谐振器大多工作于泛音（高于基频近奇次倍的振动），但泛音次数越高，串、并联谐振频率的间隔越小。
70年代发展起来的离子刻蚀技术能使晶体谐振器的基波频率接近500兆赫。但由于外接元件，特别是线圈问题，其泛音频率也只能做到600兆赫，相对带宽约为0.01％～1％。
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分立式晶体滤波器由分立式晶体谐振器和分立式电子元件构成的滤波器。图2a的差接桥型晶体滤波器是其一种。在滤波性能上它和格型滤波器等效，但所用的晶体谐振器数目可减少一半。其阻抗特性及衰减特性如图2b和c。在f1至f3之间,z1和z2的符号相反,又由于变压器次级两端电压的极性相反,两臂中的电流同号相加,所以f1至f3间为滤波器的通频带。同理,当f＜f1和f＞f3时,z1和z2同号,两臂电流异号相减;所以f1～f3两侧以外的区域为阻带。z1＝z2时,输出为零,fdata/attachment/portal/201111/06/153158440kd1411s7412tg.gif、fdata/attachment/portal/201111/06/15315893g51g980kgg5rrg.gif为无穷大衰减频率。分立式晶体滤波器可实现的中心频率为10千赫到350兆赫,相对带宽为0.01％～10％。
集成式晶体滤波器采用集成电路工艺制作的晶体滤波器，有单片的、串联单片的和多片的三种类型。
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单片晶体滤波器由镀在AT切（见石英晶体）石英片上若干对电极形成的耦合谐振器组成。图3为其中最简单的四电极单片晶体滤波器电路结构及其等效电路。输入谐振器随所加信号电压而产生厚度切变振动，晶片因受电极质量负荷的影响，电极区的谐振频率比非电极区的低，使弹性波在两区边界发生反射,从而使绝大部分能量陷落在电极区内,少量泄漏的能量则耦合到与之相邻的谐振器。这样依次相传到输出谐振器，再变为电信号。适当地设计电极尺寸、谐振器间距和频率镀回率，就可以控制弹性波在晶片中的传播，从而实现滤波功能。
串联单片晶体滤波器由若干用电容耦合的单片晶体滤波器组成（图4）。其优点是利于调整工作频率和抑制寄生频率。
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多片晶体滤波器由串联的耦合谐振器、并联的单谐振器和电容器组成（图5）。其特点是能在靠近通频带的频率上形成若干衰减峰，有利于抑制干扰和改善滤波性能。
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集成式晶体滤波器体积小、可靠性高而且造价低。但其中心频率只有4.5～350兆赫，相对带宽为0.01％～0.3％,所以在要求中心频率低、通频带宽的场合尚不能取代分立式晶体滤波器。
参考书目
W.P.Mason,ElectromechanicalTransducersandWaveFilters,2nded.,D.VanNostranaCo.,Princeton,NewJersey,1948.
D.S.Humpherya,TheAnalysisDesignandSynthesisofElectricalFilters,PrenticeHallInc.,EnglewoodCliffs,NewJersey,1970.