中等带宽晶体滤波器的设计

马晓东，张辉，陈亮

（陕西华星电子集团有限公司 陕西 咸阳　712099）

中等带宽晶体滤波器的设计

马晓东，张辉，陈亮

（陕西华星电子集团有限公司 陕西 咸阳712099）

基于中等带宽滤波器设计中，通带宽度等相关因素进行分析，涉及晶体谐振器和变量器等相关参数设计。采用中等带宽滤波器电路，通过对晶体谐振器的动态电感、电阻、Q值，变量器Q值和并联LC调谐回路温度特性进行分析，得到了宽通带、小通带波动、高阻带衰耗的晶体滤波器，并给出了实例阐述实现滤波器的方法。通过测试结果与设计技术指标的对比，表明设计方案可以满足产品的技术要求。

中等宽带；晶体滤波器；相关参数；设计

石英晶体滤波器的相对带宽在0.1%～1%之间属中等带宽晶体滤波器，优良的中等带宽晶体滤波器能够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值和良好的频率—温度特性，在通信接受系统中具有不可替代的关键作用。但由于石英晶体谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率的间隔非常小，一般来说当相对带宽在0.3%～1%范围内须采用电感元件补偿晶体谐振器的分布电容，这就是中等带宽线路［1］。中等带宽晶体滤波器的设计是在窄带晶体滤波器的电路中增加一个电感—电容的调谐回路，以克服晶体并电容及分布电容的影响，提高晶体滤波器的带宽。

1　中等带宽晶体滤波器线路实现的通带宽带

对应某一频率点，窄带晶体滤波器能够实现的最大带宽取决于晶体谐振器的电容比，在考虑阻带衰减和寄生抑制情况下，其电容比相当于一个定值，通带宽度受到限制。如图1所示窄带晶体滤波器线路中增加一个LC并联调谐回路，以提高晶体滤波器的带宽。

不考虑分布电容，只考虑晶体谐振器的并电容CP的影响并接在晶体谐振器上的最大电感为L：

图1　单节中等带宽晶体滤波器线路图Fig.1　Single section medium bandwidth crystal filter circuit diagram

LS为晶体谐振器的动态电感；

CP为晶体谐振器的并电容；

CS为晶体谐振器的动态电容。

同时附加的电感又受如下限制［2］

取：

得到：

公式（4）是中等带宽晶体滤波器线路能够实现的最大带宽，晶体谐振器的电容比是决定滤波器带宽的关键指标，但受晶体谐振器的寄生抑制限制，动态电容如果做的很大，使晶体谐振器难以实现。同时增加一个LC并联调谐回路，并联电感的的副作用是在通带两端形成寄生通带，降低滤波器的阻带抑制，再考虑到晶体的分布电容以及附加电感的分布电容的影响，实际可实现的通带宽度在0.3%～0.7%F0之间。

1.1晶体谐振器的Q值对带宽的影响

公式（5）中q为归一化低通滤波器内部元件质量因数。由上式可以看出，通带宽带与晶体谐振器的Q值成反比，要获得带宽就需要低Q值晶体谐振器。

晶体谐振器的Q值：

增加晶体谐振器的电极面积可以获得小的动态电感，同时寄生也随之增加，影响阻带寄生抑制。在获得尽量小的动态电感的同时，增大晶体谐振器的电阻可以降低晶体谐振器的Q值。采用此方法增大低端晶体谐振器的电阻R，使其Q值降低，串并联频率的间隔变大，是增大通带宽度的行之有效的方法。

在中等带宽晶体滤波器电路中，每一节的晶体谐振器的动态参数要求尽量一致，较为严格。每一节所使用的两个晶体谐振器的频率相差较大，如果采用相同晶片和相同电极面积时，晶体谐振器的动态参数是不相等的，如果用在同一节差接桥式带通滤波器中，通带将会出现大的波动［3］。将低端晶体谐振器的电极面积稍大于高端晶体谐振器，保持参数的一致性。采用质量负载法减小寄生振荡，降低低端晶体谐振器的Q值，实现宽带晶体滤波器。

1.2变量器的Qt值对带宽的影响

带有阻抗变换的变量器，由于其经济型和实用性在滤波器的制造中得到广泛的应用，在中等带宽晶体滤波器电路中，为了使晶体滤波器的幅频特性不受影响，变量器的通带宽度应是晶体滤波器通带宽度的两倍以上。

晶体滤波器的最小相对带宽，受变量器的Qt值限制。

公式（7）给出了中等带宽晶体滤波器最小相对带宽，因此，变量器Qt的应该以适度为宜。如果Qt值过大，最小相对带宽降低，就会使滤波器的阻带产生严重的上翘现象。

当晶体滤波器要求的带宽处于最小相对带宽和最大带宽之间时，使用中等带宽晶体滤波器线路最为适宜。

1.3多节数中等带宽晶体滤波器的设计

最大带宽的确定与晶体滤波器选择的电路节数有关，节数多时具体参数得到的通带宽度是不相同的，节数越多通带带宽变窄。

对于多节数的中等带宽晶体滤波器线路其最大通带宽度为［4］:

式中：

k12:第一节和第二节的带通偶合系数；

CS2:第一节晶体谐振器的等效动态电容；

CP2:第一节晶体谐振器的等效并电容；

s:第一节晶体谐振器的电容比。

以四节八极点为例，晶体谐振器频率计算：

并联电感：

中等带宽晶体滤波器线路附加了LC调谐回路，虽然增加了通带宽度，但同时引入了分布电容［5］，调谐回路的计算值与实际值有一定的误差，使得其对通带的阻抗特性产生一定的影响，突出表现在温度特性方面。因为在调谐回路还包括有分布电容，而分布电容这一部分在整个温度范围内基本上是不变的［6］。

由于是等参数节的电路，晶体滤波器的带外寄生不能完全抑制，这就对晶体谐振器的寄生要求较为严格，尤其是低端晶体谐振器。

2　设计实例

2.1主要技术指标

以表1中的技术指标为例。

表1　技术指标参数表Tab.1 Technical index parameter table

2.2滤波器的设计

根据技术指标的要求，采用以四节八极点中等带宽晶体滤波器线路，如图2所示。

2.3晶体谐振器的参数

晶体谐振器的具体参数通过计算得到确定，详见表2。

表2　晶体谐振器参数表Tab.2 Crystal resonator parameter table

图2　四节八极点中等带宽晶体滤波器线路图Fig.2　Crystal filter medium bandwidth four eight pole circuit diagram

2.4测试结果用安捷伦5061B网络分析仪进行测试，测试结果见表3。从以上测试数据可以看出，测试结果完全满足技术指标的要求。

表3　安捷伦5061B网络分析仪测试结果Tab.3 Agilent 5061B network analyzer test results

3　结束语

通过对中等带宽晶体滤波器［7］的设计和制作，认识到晶体谐振器的频率准确性要求不高，但对晶体谐振器［8］的动态参数的一致性要求较为严格，并联电感和电容的温度特性要与晶体谐振器的温度特性相匹配。

［1］矫志伟.高频中等带宽滤波器的研制［J］.压电晶体技术，1988（1）:55-58.

［2］Anatol I.Zverev.Hand book of filter synthesis［M］.U.S.A: Wiley，1967.

［3］李忠诚.现代晶体滤波器设计［M］.北京:国防工业出版社，1981.

［4］冯志礼，王之兴.晶体滤波器［M］.北京:宇航出版社，1987.

［5］周浩.中等带宽晶体滤波器的实现方法［J］.压电晶体技术，1997（1）:41-46.

［6］石雷.宽温范围内应用的21.6 MHz晶体滤波器［J］.压电晶体技术，1994（1）:46-50.

［7］寇阳.一种低损耗波导高通滤波器的设计方法［J］.电子科技，2015（6）：123-125.

［8］李辰晶，周永刚，金耀，等.基于互补裂环谐振器的集成波导双工器设计［J］.电子科技，2014（4）：72-75.

The design of the crystal filter medium bandwidth

MA Xiao-dong，ZHANG Hui，CHEN Liang
（Shaanxi Huaxing Electronics Group CO.，LTD，Xianyang 712099，China）

Design，based on the medium bandwidth filter pass band width and related factors were analyzed，and the crystal resonator and transformer and other related parameters design.Using medium bandwidth filter circuit，and through the crystal resonator dynamic inductance，resistance and Q value of the transformer Q value and parallel LC tuned circuit temperature characteristic is analyzed，the wide passband，small passband fluctuation，high stopband attenuation crystal filter，and gives the examples in this paper，the realization method of the filter.Through comparing test results and design technical indicators，that the scheme can satisfy the technical requirements of product design.

medium broadband；crystal filter；relevant parameters；design

TN713+.91

A

1674-6236（2016）05-0179-03

2015-04-20稿件编号：201504227

马晓东（1963—），男，河南新野人，高级工程师。研究方向:电子元器件。