1.3 其他形式的滤波器 1.3.1、石英晶体滤波器 一、石英晶体的物理特性 1、石英晶体的结构 1.3 其他形式的滤波器 1.3.1、石英晶体滤波器 一、石英晶体的物理特性 1、石英晶体的结构 图1.3.1（a）表示自然结晶体，图（b）表示晶体的横断。 为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴Z，称为光轴；在图（b）中沿对角线的三条X轴，称为电轴；与电轴相垂直的三条Y轴，称为机械轴。 图1.3.1 石英晶体的形状及横断面图 1.3

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。各种晶片按与各轴不同角度切割而成。图1.3.2就是石英晶体几种常用的切片方式，晶片经制作金属电极，按放于支架并封装即成为晶体谐振器元件。 图1.3.2 石英晶体的各种切割方式 （a）X切割 （b）Y切割 （c）AT切割 1.3.1

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生正、负电荷，呈现出电压。 3、石英晶体的电特性 （1）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。 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性变形（伸张或压缩），称为机械振动。 1.3.1

（2）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。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，产生电能和机械能的转换。 （3）具有较小的频率温度特性

由于各谐波频率相隔较远，相互影响很小。对于某一具体应用（如工作于基频或工作于泛音），只须考虑此频率附近的电路特性，因此可以用图（b）等效。 二、石英谐振器的等效电路及阻抗特性 弹性体的质量，值很大， 为（几十m～几十）H； 弹性体的弹性模数，值较小， 为（0.01～0.1）pF； 1、等效电路 由于各谐波频率相隔较远，相互影响很小。对于某一具体应用（如工作于基频或工作于泛音），只须考虑此频率附近的电路特性，因此可以用图（b）等效。 晶体作为介质的静态电容。其数值一般为（几～几十)pF，较大。 与石英片厚度、介电常数、极板面积有关。 图（a）是考虑基频及各次泛音的等效电路。 机械摩擦和空气阻尼引起的损耗，值很小，为（几～几十） 图1.3.3 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 1.3.1

2、谐振频率 串联谐振频率： 并联谐振频率： 式中 两频率之间的间隔为 1.3.1

晶体的主要特点是它的等效电感 特别大，而等效电容 特别小。晶体谐振器的品质因数为 图1.3.3（b）所示等效电路的阻抗一般表示式为 很大，为（几万~几百万） 图1.3.3（b）所示等效电路的阻抗一般表示式为 上式在忽略 后可简化为 1.3.1

由此式画出的电抗曲线如图1.3.4所示。由该图知： 图1.3.4 晶体谐振器的电抗曲线 当 ， 时， 呈容性。 呈感性。 当 时， 作滤波器使用时， 决定了滤波器的通 当 带宽度。 1.3.1

晶体谐振器与一般振荡回路比较，有以下几个明显的特点： ① 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。 ② 有非常高的品质因数。而普通LC振荡回路的 值只能到几百。 ③ 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。 1.3.1

(a)等效电路 (b)单端口符号图 (c)双端口符号图 1.3.2 陶瓷滤波器 利用陶瓷材料的压电效应构成.单片陶瓷滤波器又称为单端口陶瓷滤波器。 电感 电容 电阻 分别相当于机械振动时的等效质量、等效弹性模数和等效阻尼。 图1.3.5 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 等效于压电陶瓷谐振子的固定电容值； 值高于 显然，具有与石英相同的谐振特性，其 LC回路，低于石英晶体。 1.3.2

1.3.3、表面声波滤波器 表面声波滤波器的结构如图1.3.7所示。 图1.3.7 表面声波滤波器结构示意图 1.3.3

简单工作原理 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胀和收缩效应。1.3.3、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(即交叉指形)的薄膜金属电极上的电位差形成的。一个时变电信号(交流信号源供给)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信号。

沿弹性体表面传递的声波，有n节换能器，（n+1）个电极或 个周期段。指间距b、指宽a决定声波波长 。 换能器频率 ， 传播速度。 周期段长（波长）：

各节所发出的表面波同相迭加，振幅最大，总振幅 当外加信号频率 时， 各节所发出的表面波同相迭加，振幅最大，总振幅 （ 为每节所激发声波强度振幅）。 当 偏离 ，强度减小 （原因是各 振幅不变，但相位变化）。 表面声波滤波器的幅频特性为具有 的函数形式， 式中 ，（ ）。 1.3.3

目前表面声波滤波器的中心频率可在10MHz～1GHz之间，相对带宽为 ，插入损耗最低仅几个dB， 矩形系数可达1.2。 图1.3.8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。 图1.3.8 声表面波滤波器与放大器连接 1.3.3