叉指結構在復合型寬帶單片式晶體濾波器中的應用

剖析了一種復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構對單片式晶體濾波器的影響。最后通過(guò)實(shí)驗證明了插指結構對晶體濾波器具有調整矩形系數，增加帶外抑制和頻率微調的作用。

濾波器是頻率選擇系統中的關(guān)鍵元器件，在通信、導航、廣播電視、宇航工程的電子設備中，占有重要的地位。隨著(zhù)1963年能陷理論的出現，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(shí)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(guò)在壓電材料的基片上應用真空鍍膜的方式，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(guò)設計來(lái)確定每個(gè)諧振器的幾何尺寸，鍍回頻率以及諧振器之間的距離，來(lái)控制機械振動(dòng)波在基片上的傳播，從而達到將電信號濾波的目的。

1 單片式寬帶晶體濾波器簡(jiǎn)介

石英晶體濾波器具有插入損耗小，穩定度高，品質(zhì)因數高等特點(diǎn)，但是石英晶體也有機電耦合系數小，串并聯(lián)諧振頻率間隔小的固有局限性，通常用于實(shí)現相對帶寬在0.35%以下的濾波器，對于相對帶寬超過(guò)1%的濾波器就必須在晶體濾波器中加入展寬線(xiàn)圈，通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)電感來(lái)調節晶體諧振器的串聯(lián)或并聯(lián)諧振頻率，從而達到展寬頻帶的作用;鈮酸鋰、鉭酸鋰等材料制作寬帶晶體濾波器因為其機電耦合系數大，是石英晶體的5～6倍，制作的晶體濾波器相對帶寬能夠達到0.2%～5%，但鈮酸鋰、鉭酸鋰材料溫度穩定性不如石英晶體;近些年來(lái)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。

在某型設備中，應用了大量的晶體濾波器，通過(guò)對種類(lèi)繁多的晶體濾波器研究后發(fā)現：與普通4極點(diǎn)晶體濾波器不同的是，在這些晶體濾波器內部存在由叉指結構組成的區域，這里稱(chēng)為微調區，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(guò)圖1可以看出該單片式晶體濾波器是典型的4極點(diǎn)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，這樣設計的好處是濾波器的頻率特性?xún)炔恳颜{試好，使用者無(wú)需任何外部補償，便于濾波器在各種產(chǎn)品中應用。微調區由左右對稱(chēng)的指間距均勻等指長(cháng)的叉指結構組成，如圖2所示。

2 叉指結構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模型表明均勻叉指結構的幅頻特性：

式中：K2是機電耦合系數;Cr是總靜態(tài)電容;N是叉指換能器的周期數;f0是中心頻率。

單片晶體濾波器在設計時(shí)通常采用巴特沃茲或者切比雪夫濾波器形式進(jìn)行設計，理想情況下4極點(diǎn)巴特沃茲帶通濾波器的系統函數的幅頻特性為：

式中B3是3 dB帶寬。

叉指等長(cháng)的情況下，當叉指的間隔取特定值時(shí)，在特定頻率上衰減很小，波形類(lèi)似sa函數，針對微調區這種結構排列的叉指系統函數幅頻特性描述如下：

4極點(diǎn)晶體濾波器，中間加入叉指結構后的系統函數的幅頻特性為：