LST-15M-5S滤波器的小型化、轻量化设计

徐小英 赵杨勇 韦浪飞 武艳梅

（陕西华星电子集团有限公司，陕西 咸阳 712099）

LST-15M-5S晶体滤波器是一种高性能、小型化且轻量化的晶体滤波器，具有通带宽、插入损耗低和频率选择性良好等特点，适用于通信系统、雷达、电子战和导航等多领域应用场景，能够提供稳定的频率源、高质量的信号处理和频率控制功能，提高系统的性能和精度[1]。LST-15M-5S晶体滤波器在设计和制造过程中采用了先进的工艺和技术，可确保高性能和稳定性，其宽通带和低插入损耗特性使其能够有效滤除不需要的频率分量，提高信号的纯度和清晰度。此外，LST-15M-5S晶体滤波器还具有良好的温度稳定性，老化率低，能够在各种环境条件下保持稳定性能。

1 晶体滤波器的技术指标和外形尺寸

1.1 主要技术指标

标称频率为15MHz；中心频率偏差≤±750Hz；-6dB通带宽度≥5kHz；-60dB阻带宽度≤15kHz；带内波动≤2dB；插入损耗≤2.5dB；阻带衰减≥60dB；工作温度范围为-55℃～85℃；输入、输出阻抗为1kΩ、1.6kΩ//3pF；质量≤10g。

1.2 外形结构尺寸

该产品外形结构尺寸要求为（30×20×5）mm3，如图1所示。设计的难点在于高度要求仅为5mm，质量要求不超过10g。

图1 产品外形尺寸图

2 电路设计

2.1 设计原理

格型电路是滤波器电路设计的基础，其设计原理是将一个格型低通原型电路变换成带通结构，再等效为差接桥型电路，最终研制出带通晶体滤波器。该滤波器通过采用输入端和输出端阻抗的四端网络接入系统获得选择信号。

在格型电路的设计过程中，需要选择合适的低通原型电路。低通原型电路具有低通滤波器特性，能够使低频信号通过，并滤除高频信号。选择低通原型电路时，需要考虑其频率响应、阻抗匹配以及插入损耗等因素，再将低通原型电路变换成带通结构。带通结构是指只允许某一特定频率范围内的信号通过的滤波器结构。在变换过程中，需要对电路进行等效变换，以实现带通滤波器的特性[2]。最后将带通结构等效为差接桥型电路。差接桥型电路是一种对称性的电路结构，其特性与带通结构相似。通过设计差接桥型电路，可以进一步优化滤波器的性能，提高其频率选择性和阻抗匹配性。研制带通晶体滤波器时，需要采用输入端和输出端阻抗的四端网络接入系统。该四端网络可将滤波器与系统连接起来，同时保证信号的传输质量和稳定性。

2.2 工作原理

晶体滤波器是一种具有选频功能的传输系统，可将其等效为一个具有输入端和输出端的四端网络。晶体滤波器对通带内的信号衰耗为最小，对阻带内的信号衰耗为最大。当信号经过时，滤波器的信号幅值、相位均有改变，其输出端的视在功率与输入端的功率不一致，通常用两端口网络的传输系数来表示。LST-15M-5S晶体滤波器属于宽带带通型小体积晶体滤波器，该滤波器通带宽度（-6dB）≥5kHz、阻带宽度（-60dB：≤1kHz，矩形系数≤3。该滤波器体积为（30×20×5）mm3。该晶体滤波器有5个端口，即1个输入端、1个输出端和2个交流接地端。其中输入阻抗为1kΩ，输出阻抗为1.6kΩ//3pF。由于输入阻抗与输出阻抗不相等，该滤波器的特性网络称为非对称四端网络。

2.3 电路设计

LST-15M-5S晶体滤波器电路采用契比雪夫型差接桥型三节六极点电路，兼顾滤波器体积和电性能综合指标参数，关键元件设计方案选用5032贴片型石英晶体谐振器。要求滤波器的阻带衰减≥60dB，分离式晶体滤波器理论上1节电路衰减20dB，3节衰减60dB。从理论上分析，采用契比雪夫差接桥型电路，可使滤波器输入、输出连接的阻带衰减余量富足。

LST-15M-5S晶体滤波器采用差接桥型三节六极点电路，如图2所示。

图2 LST-15M-5S晶体滤波器电路原理图

截至目前，契比雪夫差接桥型电路是已被确定的最简单的格型电路且比全桥型电路节约一半晶体。鉴于LST-15M-5S晶体滤波器输入、输出阻抗不对称，可以利用变量器实现端接阻抗匹配，满足非平衡式电路的要求。

与同类产品相比，本晶体滤波器的主要难度在于其高度较小。制作该晶体滤波器的关键技术主要包括15MHz基频石英贴片晶体谐振器和PCB电路板的结构设计。石英贴片晶体谐振器是滤波器的重要组成部分，其性能会直接影响滤波器的性能。因此在制作过程中需要严格控制谐振器的频率、品质因数等参数，以确保其性能稳定、可靠。同时，PCB电路板的结构设计也是关键技术之一。由于该滤波器需要承受宽温范围的工作环境，因此PCB电路板的结构设计需要考虑温度变化对电路性能的影响。在设计中需要采用合理的布局和布线方式，以降低温度变化对电路性能的影响，并提高其可靠性[3]。

3 关键元器件设计

采用5032贴片晶体替换传统UM-1晶体是分离式滤波器的又一革命性变革，它开辟了分离式石英晶体滤波器小型化的进程。制作滤波用贴片晶体不仅在技术、工艺上与UM-1晶体有很大不同，还在加工设备上做了许多改进，其自动化更适应小型化、精密化的要求，贴片晶体谐振器的加工尤为重要。作为小型化晶体滤波器中的关键元件，5032贴片晶体谐振器外观尺寸如图3所示。

图3 5032贴片晶体谐振器外观尺寸图（mm）

3.1 电感的设计

与石英晶体谐振器相比，现有电感元件的Q值和温度稳定性更低，串联电感易导致滤波器温度稳定性下降，并限制宽带晶体滤波器在宽温域的应用。因此，设计展宽电感时，应选择高Q值材料制成的电感。采用环状磁芯绕制的电感的Q值高于一般片式电感或磁棒绕制的电感，并且温度性能也更好。因此，高Q值的环形磁芯绕制的电感更适于制作展宽电感。

最终，变量器采用型号为NX0-60的5mm×2.5mm×1.5mm环形磁芯，绕制的导线可以粗些，以增强机械固持作用。为了将电感对高频回路的影响降至最低，必须让滤波器各臂的参数相同，并使串臂与并臂晶体谐振器的电感量尽可能相等。谐振频率变化越大，就需要越多的串联电感。然而，当串联电感增加时，其分布电容也随之增加，电感对晶体滤波器回路的作用也会更显著。因此在设计中，展宽电感的电感量不宜过大。

3.2 晶体参数的确定

解决技术难点的主要措施是优选电路和晶体，加强生产中各工艺环节的电路控制。根据归一化系数设计宽带晶体滤波器参数系数，即

R12=0.7145，K12=0.5385，K23=0.5180，K34=0.5385，Q1=1.2767，Q2=1.2767。由于频率较高，因此需要通过计算和修正得出所需的晶体谐振器的频率，即如公式（1）～公式（4）所示。

通过理论公式计算出各元件的理论参数，预估晶体滤波器所需石英晶体谐振器的关键电性能指标参数（L1、C1、C0、Fr）的大概范围，对贴片晶体谐振器电极面积、晶片振动模式和晶片返回频率等参数的综合设计是贴片晶体谐振器的关键部分。根据实际搭建的电路，对理论计算出的参数进行修正和调整，使该滤波器达到最佳状态，贴片晶体谐振器相关参数见表1。

表1 贴片晶体谐振器相关参数

4 结构设计

采用PCB电路板替代传统金属夹结构来实现滤波器小型化设计，可在减轻滤波器质量的同时有效提高产品可靠性。根据所用元件尺寸、数量、外形以及可靠性综合要求，该滤波器电路板采用PCB高频介质板进行设计和制作，并对电路板材介电常数、温度系数、覆铜板的厚度均匀性以及线路板铜薄的宽度等参数进行调整。

由于滤波器体积小，分布参数易受干扰，因此滤波器设计和制作过程要仔细选择元件位置，增加屏蔽措施，提高抗干扰能力，攻克滤波器高阻带衰减指标。各元件按电路图焊接在PCB电路板上，电容采用贴片0603封装片式焊接，电感线圈采用硅胶固定，以免松动[4]。滤波器管脚为插针与底角螺钉，金属外壳封口用烙铁焊锡封焊，封装接口处要求光滑、无毛刺，确保能通过低气压检漏法检验[5]。

5 结语

综上所述，本文研制的LST-15M-5S晶体滤波器采用契比雪夫差接桥型三节六极点优化电路，内部结构采用PCB板，元件采用5032贴片谐振器和贴片电容，最终达到了体积小、质量轻且性能良好的指标要求。该滤波器具有优异的频率选择性和阻抗匹配性，能够有效抑制噪声和干扰，提高信号的接收质量和传输稳定性。同时，该滤波器还具有高可靠性和稳定性，能够长时间稳定工作，确保复杂电磁环境中的可靠性和稳定性。在未来的应用中，该晶体滤波器将具有广阔的市场前景和较大的应用潜力，可为推动相关领域的技术进步提供参考。