叉指結(jié)構(gòu)在單片晶體濾波器中的應(yīng)用

摘要：剖析了一種復(fù)合型寬帶單片式晶體濾波器。從單片晶體濾波器和又指換能器的原理出發(fā)對該濾波器進(jìn)行了理論分析，然后使用仿真軟件模擬了叉指結(jié)構(gòu)對單片式晶體濾波器的影響。最后通過實驗證明了插指結(jié)構(gòu)對晶體濾波器具有調(diào)整矩形系數(shù)，增加帶外抑制和頻率微調(diào)的作用。
關(guān)鍵詞：單片晶體濾波器；插指換能器；矩形系數(shù)；帶外抑制

0 引言
    濾波器是頻率選擇系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件，在通信、導(dǎo)航、廣播電視、宇航工程的電子設(shè)備中，占有重要的地位。隨著1963年能陷理論的出現(xiàn)，在1966年日本東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)學(xué)院和美國貝爾實驗室分別研制出單片式晶體濾波器(MCF)。單片晶體濾波器通過在壓電材料的基片上應(yīng)用真空鍍膜的方式，鍍上若干有確定位置和確定尺寸形狀的電極，按照濾波的需求有目的的通過設(shè)計來確定每個諧振器的幾何尺寸，鍍回頻率以及諧振器之間的距離，來控制機(jī)械振動波在基片上的傳播，從而達(dá)到將電信號濾波的目的。

1 單片式寬帶晶體濾波器簡介
    石英晶體濾波器具有插入損耗小，穩(wěn)定度高，品質(zhì)因數(shù)高等特點，但是石英晶體也有機(jī)電耦合系數(shù)小，串并聯(lián)諧振頻率間隔小的固有局限性，通常用于實現(xiàn)相對帶寬在0．35％以下的濾波器，對于相對帶寬超過1％的濾波器就必須在晶體濾波器中加入展寬線圈，通過串聯(lián)或者并聯(lián)電感來調(diào)節(jié)晶體諧振器的串聯(lián)或并聯(lián)諧振頻率，從而達(dá)到展寬頻帶的作用；鈮酸鋰、鉭酸鋰等材料制作寬帶晶體濾波器因為其機(jī)電耦合系數(shù)大，是石英晶體的5～6倍，制作的晶體濾波器相對帶寬能夠達(dá)到0．2％～5％，但鈮酸鋰、鉭酸鋰材料溫度穩(wěn)定性不如石英晶體；近些年來發(fā)展的硅酸鎵鑭等新型晶體濾波器，能夠制作出相對帶寬在0．3％～0．8％之間相對比較寬的性能優(yōu)良的寬帶晶體濾波器。
    在某型設(shè)備中，應(yīng)用了大量的晶體濾波器，通過對種類繁多的晶體濾波器研究后發(fā)現(xiàn)：與普通4極點晶體濾波器不同的是，在這些晶體濾波器內(nèi)部存在由叉指結(jié)構(gòu)組成的區(qū)域，這里稱為微調(diào)區(qū)，其中以這款中心頻率為12．1 MHz，3 dB帶寬，240 kHz的寬帶晶體濾波器最具有典型代表意義。

    通過圖1可以看出該單片式晶體濾波器是典型的4極點單片晶體濾波器，并且在輸入和輸出端加入了輔助放大電路，這樣設(shè)計的好處是濾波器的頻率特性內(nèi)部已調(diào)試好，使用者無需任何外部補(bǔ)償，便于濾波器在各種產(chǎn)品中應(yīng)用。
    微調(diào)區(qū)由左右對稱的指間距均勻等指長的叉指結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

2 叉指結(jié)構(gòu)對單片晶體濾波器性能改善的理論分析和模擬
    叉指換能器的脈沖響應(yīng)模型表明均勻叉指結(jié)構(gòu)的幅頻特性：
   
    式中：K2是機(jī)電耦合系數(shù)；Cr是總靜態(tài)電容；N是叉指換能器的周期數(shù)；f0是中心頻率。
    單片晶體濾波器在設(shè)計時通常采用巴特沃茲或者切比雪夫濾波器形式進(jìn)行設(shè)計，理想情況下4極點巴特沃茲帶通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)的幅頻特性為：
   
    式中B3是3 dB帶寬。
    叉指等長的情況下，當(dāng)叉指的間隔取特定值時，在特定頻率上衰減很小，波形類似sa函數(shù)，針對微調(diào)區(qū)這種結(jié)構(gòu)排列的叉指系統(tǒng)函數(shù)幅頻特性描述如下：
   
    4極點晶體濾波器，中間加入叉指結(jié)構(gòu)后的系統(tǒng)函數(shù)的幅頻特性為：
   
    用Matlab對上述情況進(jìn)行模擬(在此為了方便分析忽略叉指結(jié)構(gòu)的部分)并且針對真實晶體濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，對上式調(diào)整如下：
   
    通過圖3可以看出，叉指結(jié)構(gòu)對晶體濾波器有改善矩形系數(shù)的作用。

    用Matlab對改變叉指連接數(shù)目進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4(上邊帶)所示。

    通過仿真可以看出，通過控制左右連接叉指結(jié)構(gòu)的數(shù)目可以比較精確的在一定范圍內(nèi)調(diào)整濾波器上、下邊帶頻率。

3 驗證實驗
    通過實驗來檢驗叉指結(jié)構(gòu)對晶體濾波器性能的影響，實驗方法是將叉指連接逐個拆除，對比每次拆除叉指后的濾波器頻率響應(yīng)，從圖5(用外加電容補(bǔ)償叉指靜態(tài)電容后，相同帶寬情況下)可以看出叉指結(jié)構(gòu)對晶體濾波器具有改善矩形系數(shù)，增加帶外抑制的作用。而從圖6中可以看出逐個拆除叉指連接的漸變過程，從這個過程可以看出，通過調(diào)整連接叉指的數(shù)目可以比較準(zhǔn)確的微調(diào)濾波器的帶寬。

    單片式晶體濾波器有以下兩個缺點：
    (1)上通帶波紋度較大，受到相對鍍回頻率△的影響大。
    (2)截止特性不對稱：上測阻帶衰減緩慢，上測通帶較寬。
    在實際實驗驗證過程中發(fā)現(xiàn)，叉指結(jié)構(gòu)對上邊帶的影響較大，這是由于叉指的頻率略低于中心頻率造成的，可以改善上面提到單片晶體濾波器的兩個缺點。

4 結(jié)語
    本文通過實驗驗證了叉指結(jié)構(gòu)對單片晶體濾波器能夠起到調(diào)整矩形系數(shù)，增加帶外抑制和頻率微調(diào)的作用。寬帶單片晶體濾波器具有頻帶寬，體積小，易于調(diào)整等特點，能夠在單片晶體濾波器內(nèi)部預(yù)先設(shè)置叉指結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品實現(xiàn)微調(diào)，這種方法對改善單片濾波器性能和減小產(chǎn)品體積是大有益處的。