壓電陶瓷聲體濾波器
一壓電陶瓷聲體濾波器
最早出現的壓電陶瓷濾波器是單片的或由兩片組成的二端及三端濾波器，應用於收音機線路中。接著出現的是比
二、三端濾波器複雜的多節濾波器。能阱漠理論的出現導致了能阱漠濾波器的問世。以上這些陶瓷濾波器，就其振動模式及振動波的傳輸方式來說都是聲體波，為與後章出現的聲表面濾波器相區別，稱這些濾波器為聲體波濾波器。
壓電陶瓷濾波器與lc濾波器相比，具有體積小、重量輕、**低廉、可靠性高等優點，所以一經問世就受重視，特別是它的體積小的特點，適應電路整合化的要求，所以在選頻器件中占有重要的地位。本章主要介紹上述幾種陶瓷濾波器、諧振器以及用壓電陶瓷片作換能器的壓電音叉、機械濾波器等復合濾波器。壓電聲體波延遲線也是一種聲體波器件，所以在本章也給與介紹。
1 : 壓電陶瓷振子的諧振特性及等效電路
壓電陶瓷振子是結構成各種壓電陶瓷濾波器的基本元件。在交變電場的作用下，壓電陶瓷振子會產生機械振動，當外加交變電場頻率增到某一頻率時，振子的阻抗變得最小，輸出電流變的最大，此時的頻率叫做最小阻抗頻率fm。當頻率繼續增高達到某一頻率時，振子的阻抗會變的最大，輸出的電流變得最小，此時的頻率叫做最大阻抗頻率fn。
壓電陶瓷振子的阻抗隨頻率交化如圖6.1所示。
由於壓電陶瓷振子的諧振特性，阻抗隨頻率的變化與lc諧振電路相類似，因此可以採用機電模擬的方法，用如圖１.2所示的相應電路來表示壓電陶瓷振子在諧振頻率附近的引數和特性，這一電路稱為等效電路。圖中，l1稱為動態電感（或閃電感），代表振子振動時的質量，與振子材料機械效能有關；c1稱為動態電容，與材料彈性強度有關；c0稱為靜電容（或併聯電容），與材料介電效能有關；r1稱為動態電阻（或內電阻、串聯諧振電阻），代表振子振動時內摩擦引起的機械損耗。
振子的串聯諧振頻率fs由下式給出：
這一頻率近似等於最小阻抗頻率fm ,振子的併聯諧振頻率fp由下式給出：
這一頻率近似等於最大阻抗頻率fn 此外，在最小抗阻頻率fm附近存在乙個電抗分量為零的訊號電壓與電流同相位的頻率。這一頻率叫做壓電振子的諧振頻率fr 在最大抗阻頻率fn附近也存在乙個電納分量為零的訊號電壓與電流同相位的頻率。這一頻率叫做壓電振子的反諧振頻率fa 在一般情況下，上述fm、fn、fr、fa、fs、fp關係：
, 稱為優值； 稱為機械品質因數； 稱為電容比。
在理想的無損耗（r1 = 0 ，qm=∝）情況下，
壓電振子的阻抗與頻率的關係如下：
2 ：壓電陶瓷振子的振動模式
如前所述，壓電陶瓷作壓電振子使用時，主要是利用它在交變電場下所具有的諧振特性，振子的振頻率fr依賴於振子的幾何尺寸和振動模式。
振動模式是指某一幾何尺寸的振子在特定條件（按所需方向極化、激勵和設定電極等）下，用以完成機械能和電能相互轉換的振動方式。振子的振動模式按極化方向與激勵電場方向間的關係通常可以分為伸縮振動、切變振動、彎曲振動、能阱模振動等型別。常用壓電陶瓷振子的振動模式如表6.
1所示。在設計振子時，除了選擇合適的陶瓷材料外，還要選擇合適的振子的振動模式。
1.2多節陶瓷濾波器
1: 多節陶瓷濾波器的構成原理
由前節所述壓電陶瓷振子的諧振特性而知，壓電陶瓷振子對fr附近頻率的訊號衰耗很小，對fa附近頻率的訊號衰耗很大。由此可見，單片壓電陶瓷振子就已經具有濾波性質了。 由上述單個振子製成的濾波器，稱為二端濾波器。
表6.1 振動模式及相關特性
乙個二端濾波器的衰耗特性是相當差的，不能完全滿足使用要求。為了獲得效能良好的濾波器，通常是將二端振子按一定方式組合四端或三端濾波器。如圖１.
3（a）所示的四端濾波器，就是由1和2兩個振子組成的。串聯振子1的作用和單片壓電陶
圖１.３ （a）l節濾波器及其測量電路；（b）輸出特性曲線
瓷振子的作用相同，其輸出特性如圖１.3（b）中曲線1所示。併聯振子2的作用，當輸入訊號頻率在併聯振子諧振頻率fr2附近時，併聯振子的阻抗很小，因此訊號幾乎全部被併聯振子短路了，負載r上得到的電壓很小；當輸入訊號頻率在併聯振子的反諧振頻率fa2附近時，併聯振子的阻抗很小，因此訊號幾乎全部加在負載r上，所以負載得到的電壓很大，其輸出特性如圖１.
3（b），
圖１.４
中曲線2所示。串聯振子和併聯振子的輸出情況正好相反。如果適當
選擇串聯振子和併聯振子的諧振頻
率和反諧振頻率，使fr1=fa2那
麼就可得到如圖１.4所示的衰耗特
性曲線，由此可見，乙個串聯振子
和乙個併聯振子組成的四端器件，
已經成為乙個簡單的帶通濾波器
了。2 : 多節陶瓷濾波器的幾種結構形式
曲二端振子組成的四端濾波器，按電路結構可以組成l型、
t型、∏型和橋型等幾種，如圖１.5所示。按照l型、t型、∏
型電路結構組成的濾波器為梯型濾波器（或鏈型濾波器）。按
照橋型電路結構組成的濾波器，稱為橋型濾波器。l型叫基本半
節，由兩個基本半節按不同方向連起來，就得到t型和∏型結構
結構。圖１.6所示為窄帶陶瓷濾波器振子連線圖。
圖１.5 濾波器的電路結構
圖１.6五節對稱t型濾波器
3 : 陶瓷濾波器的主要術語和定義
相對衰耗乙個給定頻率的衰耗與通常規定頻率點的衰耗之差，及為相對衰耗。
參考頻率f 最大輸出頻率fm，截止頻率fc和中心頻率fo：參考頻率f為通帶內取做參考標準的頻率。通帶內衰耗最小的一點的頻率即為fm。
再同帶邊界上相對衰耗達到規定值的那個頻率，即為截止頻率fc。中心頻率fo是帶通或帶阻濾波器的截止頻率的幾何平均值，及fo=,但實際上常用截止頻率的算術平均值作為幾何平均值的近似值，中心頻率fo的算術平均值為。
通帶寬度f 兩個截止頻率之差稱為通帶寬度，即f=fc2-fc1。
通帶波動b 通帶波動b等於在規定的通帶內最高波峰衰耗與最低波谷的衰耗之差。
插入衰耗是指通帶內某頻率點上的插入衰耗。
防衛度（或稱阻帶抑止）bz 濾波器的阻帶衰耗大小，規定著鄰近通帶訊號干擾的大小。防衛度就是規定阻帶頻率範圍內的最小相對衰耗值。防衛度的大小可以從濾波器插入衰耗曲線上求出來。
矩形係數和過渡帶實際濾波器的衰耗特性，從通帶到阻帶有一定的過渡範圍，在截止頻率與鄰近阻帶內最近一點頻率之間的頻率帶稱為過渡帶。過渡帶窄，濾波器的衰耗陡度大。生產上常用矩形係數描述衰耗陡度。
通常用相對衰耗為b2時的頻寬△f b2和相對衰耗為3分貝（或6分貝）時的頻寬△f 3分貝（或6分貝）之比來表示矩形係數，即
式中，k越接近1，就表示濾波器的矩形係數越好，即從通常到阻帶的變化也越陡峭。在這種情況下，濾波器的選擇性也就越好。
四、多節陶瓷濾波器的測量
陶瓷濾波器和其他濾波器一樣，只有對其衰耗特性、相位特性和阻抗特性進行測量後，才能全面給出它的電效能。
衰耗特性的測量要在一定條件下進行。若沒有特別的規定，所有的試驗均在環境溫度20+5℃、相對濕度為65+15％、大氣壓力為750+30公釐汞柱高的正常氣候條件下進行。試驗前，樣品應在正常氣候條件下至少放置24小時。
此外，還要給出測試電平和濾波器的終接負載。測試線路如圖１.7所示。
圖１.７
測試原理：對於終端接有規定阻抗的濾波器，其插入衰耗可以從電壓指示器的讀數中得出。
測試方法和計算公式：將訊號發生器的輸出電平和訊號頻率調到所規定的數值上。在接入濾波器之前，先將1 .
2端短路,此時，指示器讀數為v1，然後將1，2端斷開，接入濾波器，此時，指示器讀數為v2，則插入衰耗用下列算式：
b=20log v1/v2(db)
當電壓指示器為電平表時，其插入衰耗為濾波器接入前後電平表讀書之差。
二多振子壓電陶瓷濾波器的引數與標準
1: 分類與命名
1.1型號
1.1.1 cf
頻寬分檔 d、e、f、g、h
中心頻率 455 、450（khz）
濾波器引出腳數量 w(5、 t(3)
壓電陶瓷濾波器
1.1.2 cf sfu □□□ □
中心頻率分檔 a、b、y
中心頻率 455 、450 、465（khz）
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