Кварцевые и электромеханические фильтры (стр. 1 из 3)
Академия России
Кафедра Физики
РЕФЕРАТ
«Кварцевые и электромеханические фильтры»
Орел 2009
СОДЕРЖАНИЕ
1.Кварцевые резонаторы их параметры
2.Основные типы кварцевых фильтров.
3.Критерии реализуемости полосовых Фильтров на элементах LC.
4.Электромеханические фильтры.
5.Литература
1. Кварцевые резонаторы и их параметры
Необходимость использования в технике связи селективных электрических цепей с относительно узкими полосами пропускания привела к использованию пьезоэлектрических резонаторов, состоящих из пьезоэлектрика и прикреплённых к нему токопроводящих электродов. Действие пьезорезонаторной колебательной системы основано на явлении пьезоэффекта и состоит в обратимой способности преобразовывать энергию электрических колебаний в энергию механических колебаний.
Пьезоэффектом обладают кристаллы кварца, сегнетовой соли, турмалина, титаната бария, титоната-цирконата свинца, танталита лития и других минералов, а также ряд искусственно созданных материалов (например, различные виды пьезокерамики).
Рис 1.
Наибольшее распространение в технике связи нашли кварцевые резонаторы, которые в простейшем случае представляют собой параллелепипед-пластину, вырезанную определённым образом относительно кристаллографических осей, с напылёнными на ней вакуумным способом электродами. Одна из конструкций резонатора и его условное схематическое изображение показаны на рисунке 1.
В зависимости от типа кварцевой пластины, конфигурации электродов и способа их подключения возможны различные виды её колебаний, среди которых наиболее часто используемыми являются растяжение-сжатие, изгиб, сдвиг по толщине, сдвиг по контуру, кручение.
Значения частот собственных механических колебаний резонатора зависят от его формы и геометрических размеров, плотности и модуля упругости, пьезоэлектрика, массы и геометрии электродов, а также от способа крепления резонатора. У типовых кварцевых резонаторов значение основной частоты собственных колебаний (продольное по длине сжатия – растяжения) находятся в пределах 50 – 200 кГц. Использование резонаторов с колебаниями изгиба позволяет несколько снизить значения приведённых выше частот. Верхняя же граница применения кварцевых резонаторов определяется наименьшей технологически выполнимой толщиной кварцевой пластины и при использовании колебаний сдвига по толщине составляет 20 – 30 МГц, а при использовании колебаний на гармониках – даже до 200 МГц.
В области частот, расположенных вблизи основной частоты собственных механических колебаний пьезорезонатора, схема его замещения с достаточной для инженерной практики точностью может быть представлена в виде одной из двух схем реактивных двухполюсников на рисунке 2а, б. Эти схемы весьма точно определяют рассматриваемый физический объект, так как потери на трение в колеблющейся пластине и потери на электромагнитное излучение в окружающую среду чрезвычайно малы. (Добротность Q последовательного колебательного контура в более точной схеме замещения рисунка 2 достигает значений 10 – 106 единиц).
Схема замещения кварцевого резонатора на рисунке 2а используется в расчётах наиболее часто. Её параметр С0 носит название статической ёмкости резонатора, а параметры Сд и Lд называются соответственно динамической ёмкостью и динамической индуктивностью.
Найдём и исследуем выражение для Z (jщ) кварцевого резонатора, воспользовавшись для этой цели схемой замещения на рисунке 2а.
а) б)
Рис 2.
Рис 3.
Где
, 
причём очевидно, что
. График функции Z(jщ)/j приведён на рисунке 3.Отличительной способностью кварцевых резонаторов является близость частот щд и щр. Интервал частот Дщ называется резонансным промежутком, а отношение (щр -щд)/щд=Д называется относительным резонансным промежутком. Практически Д
0,004 (0,4%). Ещё одним важным параметром, характеризующим пьезоэлектрический резонатор, является емкостной коэффициент Zд=С0/Сд, называемый иногда просто емкостным отношением.Учитывая близость частот щд щр можно определить, что rд = 1/2Д
125. Параметры rд и щд очень стабильны. Например, относительное изменение щд, за счёт старения кварца составляет величину (0,5 — 10)*10-6 за несколько тысяч часов работы. Относительное изменение щд, за счёт температурных отклонений на один градус Цельсия лежит в пределах (1 — 10)*10-6 1/град.За последнее десятилетие широкое распространение получили пьезорезонаторы, изготовленные из поликристаллической пьезокерамики типа титаната-цирконата свинца. Для того чтобы пьезокерамика обладала свойствами пьезоэлектрического монокристалла, она предварительно поляризуется путём приложения к её электродам некоторого постоянного напряжения. По стабильности пьезокерамические резонаторы существенно уступают кварцевым, но зато имеют rд 
25, что позволяет при прочих равных условиях строить электрические фильтры с ПП, в 5 — 10 раз более широкой, чем при использовании кварцевых резонаторов.
Заметим, что проблема расширения ПП пьезоэлектрических фильтров во многих практических случаях является одной из центральных и наиболее трудно решаемых проблем при построении селективных устройств рассматриваемого типа.
1.1 Основные типы кварцевых фильтров
В пределах полосы пропускания характеристика затухания кварцевого фильтра может быть монотонной, равноволновой или близкой к равноволновой, что определяется как методом расчёта, так и точностью изготовления кварцевых пластин. В пределах полосы задержания характеристика затухания может монотонно возрастать или иметь некоторое число всплесков затухания.
В зависимости от требований, предъявляемых к кварцевому фильтру, используются те или иные типовые структуры – мостовые без расширительных катушек, мостовые с расширительными катушками, лестничные и монолитные кварцевые фильтры. Основные характеристики этих типов рассматриваются ниже.
а) Дифференциально-мостовые кварцевые фильтры.
Рис 4а.
Рис 4б.
Прототипом подавляющего большинства кварцевых фильтров, используемых в аппаратуре связи, является мостовой симметричный четырёхполюсник, схема которого изображена на рисунке 4а.
Известно, что в мостовой схеме полоса пропускания находится в области частот, где Za и Zб имеют разные знаки. Включим вместо Za и Zб кварцы, у которых нули и полюсы их сопротивления на характеристических строках смещены относительно друг друга, как показано на рисунке 5.
Рис5.
Тогда полоса пропускания будет лежать в заштрихованной на рисунке 5 области. Как видно она примерно равна двум промежуткам, где кварц имеет индуктивный характер.
Включим теперь вмсето Zaдва параллельно соединённых кварца со смещёнными нулями и полюсами, а вместо Zб кварц с параллельно ему включённой ёмкостью. Эквивалентные схемы реактивных двухполюсников, соответствующие такому соединению показаны на рисунках 6а и 6б.
Рис 6.
Определим полосу пропускания при соответствующем подборе резонансных частот кварцев (рисунок 7).
Рис 7.
Видно, что при такой конструкции полоса пропускания расширяется и равна примерно трём промежуткам, где сопротивление кварца имеет индуктивный характер.
Указанные схемы обладают избыточным числом элементов и поэтому практически никогда не используются. Обычно от мостовой схемы переходят к эквивалентной с идеальным трансформатором, имеющим отвод от середины вторичной обмотки (рисунок 4б). Такой трансформатор носит название дифференциального.
Мостовая структура кварцевого фильтра сохраняет за собой лишь теоретическое значение. Условия эквивалентности схем доказываются в литературе и приведены на рисунках 4а и 4б.
Фактически схема замещения реального трансформатора включает в себя индуктивность холостого хода и индуктивности рассеяния. Последние при надлежащем исполнении могут быть достаточно малыми и их можно не учитывать. Однако индуктивность холостого хода, как правило, оказывает влияние на характеристики кварцевых фильтров и ею пренебречь нельзя. С целью компенсации этого влияния параллельно первичной обмотке дифференциального трансформатора включается дополнительная ёмкость. Она образует с указанной индуктивностью параллельный колебательный контур, который настраивается на среднюю частоту полосы пропускания фильтра, что и позволяет существенно повысить сопротивление холостого хода трансформатора в пределах этой полосы.