10.7 MHz中等带宽晶体滤波器的研制

马 帅，佟仕忠，孙海军，吴承猛，付贵增

（辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院，辽宁 抚顺 113001）

晶体滤波器，它在现代电子设备中是不可缺少的关键器件之一。作为关键器件，由于它的品质因数高和温度稳定性良好，于是在频率选择系统中便占有特定的地位。现代电子技术促使频率选择器件进一步的向前发展。现在，晶体滤波器已被广泛地应用于广播电视、邮电通讯、导航测控，以及宇航工程的电子设备之中，它关系到电子设备的用途、精度、灵敏度，以及抗干扰能力[1－2]。

众所周知，石英晶体滤波器的相对带宽在0.1到1%之间，是属于中等带宽晶体滤波器。在数字通信、移动通讯及导航控制系统中，优良的中带宽晶体滤波器能够很好的减少信号失真和降低干扰，提高谐波抑制性能，使系统获得较好的频率选择性和灵敏度，加之压电石英晶体所具有的高Q值和良好的频温特性，使得它在通信接收系统中具有不可替代的关键作用[3]。

中等带宽晶体滤波器的设计方法可以采用等参数设计法，也可以采用不等参数设计法[4]。对于一些阻带要求很高以及性能良好的晶体滤波器，必须要由多节差接桥相串联才能达到要求，确保其技术指标的实现。由于采用了四节电路，使阻带衰减≧60 dB；同时，由于采用了展宽线圈设计，因而中等的通带范围内很容易实现波动调平，其通带波动≦1 dB。另外，由于滤波振子采用了UM－1微型金属壳封装，因而使得整个器件的外形尺寸在同类产品中也是较小的。

1 产品的主要技术指标

中心频率：10.7 MHz；3 dB带宽：≥±19 kHz；通带波动：≦1 dB；60 dB带宽：≦±38 kHz；阻带衰减：≥60 dB（偏离中心频率50 kHz以外）；插入损耗：≦3 dB；端接阻抗：50Ω±10%；工作温度：－55～85℃；外形尺寸：38.3 mm×19.2 mm×12.7 mm；

2 晶体滤波器的设计方案

2.1 确定滤波器函数类型及阶数（极点）数n

该产品60 dB阻带宽度指标高，即要求矩形系数很小，选择契比雪夫（波动0.1 dB）函数类型适合。用下列公式计算：

因为cosh－1X＝In（X±X2－1），依据技术条件可知，其中As（波动）＝1 dB；Ap（带外衰减）＝60 dB；代入公式（1）中，得到n＝8.2，故选择8极点。

2.2 电路设计

晶体滤波器的电路结构有L型、T型、π型、梯型、格型设计等多种设计方法[5]，本文采用了四节八晶体格型电路的设计方法。对该滤波器来说，通带宽度和阻带衰减是产品必须达到的重要指标参数。由于单节电路所能实现的带宽和频带抑制比较狭窄，所以要想实现较高的衰减和较好的性能则需将几节电路相串联，同时还要进行展宽线圈设计。

首先计算最大可实现的带宽是多少，是为了确定级和级之间是否需要展宽电路。用下列公式计算：

其中B3max：3 dB最大带宽；f0：标称频率；

r：电容比C0/C1（AT切型一般在250左右）；

k23：低通耦合系数，依据选择的函数类型和极点数可查表得出。

将其代入公式（2），得出最大带宽为38 kHz，该值是理论上可实现的最大带宽，该产品为满足全温度范围应做到40 kHz，所以设计级和级之间有展宽的差接桥电路来实现。电路图如图1所示。

图1 晶体滤波器电路设计图Fig.1 Diagram of crystal filter circuit design

图中的fs1+、fs1－、f′s1+、f′s1－、fs3+、fs3－、f′s3+、f′s3－分别为压电晶体振子的串联谐振频率，L1和L3为用于网络调谐的谐振电感，C1、C2、C3、C4、C5分别为调谐及隔直电容，如何确定这些晶体振子的串联谐振频率值及谐振电感、电容元件的参数便是滤波晶体的设计及滤波器电路结构设计的主要内容[6]。

2.3 电路图中元件参数计算

2.3.1 频率计算

电路结构确定之后就要进行滤波晶体频率规格的设计，按图1所示的四节电路，每部晶体滤波器共需8只晶体谐振器。

根据以下公式：

3 晶体滤波器的设计结果

其中f0：标称频率；

B3：3 dB带宽；

ki，i+1：低通耦合系数，依据选择的函数类型和极点数查表 得 出，k12＝k78＝0.7276；k23＝k67＝0.5451；k34＝k56＝0.5160；k45＝0.510 0。

将上述数值代入公式（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 滤波晶体谐振器等效参数的选取

晶体谐振器的等效电路图如图2所示。

图2 晶体谐振器等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of the crystal resonator

对晶体等效参数的要求是分不同的频段有不同的要求，主要是对寄生抑制[7]、等效电阻R1、等效电感L1、静电容C0、等效电容C1、电极直径有要求。晶体对滤波器的性能指标影响很大，考虑到技术指标，能够提高滤波晶体的频谱纯度，结合生产的方便，滤波晶体可以采用平片AT切，θ＝35°15′，白片直径为8 mm，白片厚度t＝1 650/f0＝0.16 mm。欲提高晶体滤波器的阻带抑制度，必须使晶体寄生振荡频率远离主振，且寄生幅度应抑制到最小值，能陷理论[8]能够给出，晶体片的边缘到达电极边缘距离L＝18 t时，振动波就有40 dB的衰减，晶体片的电极面积越大，寄生衰减越差，寄生离主振频率越近。综合以上因素及晶体的等效电阻R1，等效电感L1，等效电容C1，及静电容C0诸因素，我们选取电极直径为2.5 mm。该产品的其他参数设计为：C1＝7 F；L1＝31mH；R1＝35Ω；C0＝1.7 pF；寄生抑制≥30 dB。

2.3.2 电路图中其它元件值的计算

特性阻抗RT的计算

差接桥电感值Lt和在通带中心频率上与之谐振的电容值Ct的计算

其中RT为特性阻抗；Qt为变量器电感线圈质量因素。

晶体滤波器电路图中：

将差接变量器、晶体及调谐电容C1、C2、C3、C4、C5等上述理论计算出的元件值，在搭配好的实际电路中进行试验，按图1电路装配后，反复调整，产品在HP8714ET网络分析仪上调试，最终调试出合格的幅频特性曲线。经过调试的实际滤波器产品的各项参数均达到设计规范值，其中主要指标如插损IL≤3 dB；3 dB带宽≥±19 kHz；阻带衰减≥60 dB（偏离中心频率50 kHz以外）；通带波动≤1 dB等均达到标准值，其他各项参数比如矩形系数要求很小也符合规定。图3为装配调试好的10.7 MHz晶体滤波器实物。

图3 10.7MHz晶体滤波器实物照片Fig.3 Real photograph of 10.7 MHz crystal filter

4 结束语

文中所用的晶体滤波器设计方法比较简单灵活，在实际生产应用中使用较多，设计生产效果也比较好，理论与实际比较一致。首先要解决滤波振子频率的设计及电路的设计，还要根据实际生产经验来解决一些理论计算问题，同时还要兼顾插损、寄生抑制及阻带衰减等技术指标的要求。在实际制作中还可能会遇到一些问题，列如节与节之问要采取适当的连接方式，合理地设计印制板的布线等问题，今后还得进一步研究。

[1]冯致礼，王之兴.晶体滤波器[M].北京：宇航出版社，1987.

[2]李忠诚.现代滤波器设计[M].北京：国防工业出版社，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]陈翠香.宽带晶体滤波器的设计与试制[J].压电晶体技术，1992（1）：23－25.CHEN Cui-xiang.Design and manufacture of broadband crystal filter[J].Piezoelectric Crystal Technology，1992（1）：23－25.

[6]靳宝安，王林力.LST－15MHz晶体滤波器设计[J].压电与声光，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]靳宝安，王林力.LST－2.45 MHz单边带晶体滤波器设计[J].人工晶体学报，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]张福学，孙康.压电学（下册）[M].北京：科学出版社，1984.