1.單片晶體濾波器與分立晶體濾波器

基于石英晶體的濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)有兩種:單片晶體濾波器（MCF）和分立晶體濾波器。MCF是一種濾波器，通過(guò)在壓電基板（如石英坯）上安裝電極并利用電極之間的機(jī)械結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器的特性。與分立晶體濾波器相比，MCF通常更小、更可靠且更具成本效益，因?yàn)樗鼈兪褂玫脑偾一ミB更少。大多數(shù)mcf是對(duì)稱帶通濾波器。此外，在VHF范圍內(nèi)，MCF方法允許泛音上的帶寬，如果使用分立晶體濾波器設(shè)計(jì)，則只能通過(guò)更昂貴的基模諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，分立晶體諧振器濾波器比mcf具有更好的功率處理能力。  對(duì)于極窄或極寬的帶寬，它們可能是更好的設(shè)計(jì)選擇，因?yàn)樗鼈冊(cè)诰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲芯哂懈蟮撵`活性。這使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有明顯不對(duì)稱的單邊帶性能，這是單芯片設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)的。1962年，日本的Toyocom公司首次開發(fā)出MCF，此后，人們開發(fā)出了多種小型、寬頻帶、高可靠性的濾波器。如今，MCF是無(wú)線電通信設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的頻率控制元件之一。

2.晶體濾波器帶寬類別

由于石英的材料特性所帶來(lái)的帶寬限制（在諧振器等效電路中由靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電容C的比值表示）0/C1），單芯片和分立晶體濾波器通常根據(jù)分?jǐn)?shù)帶寬分類如下:

窄帶晶體濾波器

窄帶濾波器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可以在不使用電感的情況下適應(yīng)晶體靜態(tài)電容。  電容比C0/C1諧振器等效電路的帶寬決定了無(wú)電感窄帶晶體濾波器的最大帶寬。對(duì)于使用基模AT切割石英諧振器的濾波器，在理想條件下，該最大帶寬約為中心頻率的0.32%。如果所需帶寬超過(guò)此限制，則必須更改網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以納入電感。

中間帶晶體濾波器

中間帶通濾波器使用電感來(lái)消除諧振器C帶來(lái)的額外電容0加上不可避免的雜散電容。大多數(shù)中頻帶設(shè)計(jì)使用分立諧振器，但它們可能包含單片雙諧振器?；ＶC振器的帶寬在0.3%和1.0%之間。  雜散響應(yīng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在濾波器通帶和過(guò)渡區(qū)中，并且通常在濾波器阻帶中相當(dāng)強(qiáng)。這些雜散響應(yīng)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)策略來(lái)控制，以實(shí)現(xiàn)所需的性能。

寬帶晶體濾波器

寬帶晶體濾波器通過(guò)使用電感為濾波器響應(yīng)提供極點(diǎn)，同時(shí)調(diào)節(jié)諧振器靜態(tài)電容，從而為晶體濾波器和LC濾波器提供最終連接。因此，濾波器響應(yīng)對(duì)電感和Q值非常敏感，如果要保持性能，需要對(duì)電感進(jìn)行精確的溫度補(bǔ)償。帶寬在中心頻率的1%到10%之間。通常使用分立諧振器。使用AT切割晶體時(shí)，濾波器通帶和過(guò)渡區(qū)中通常會(huì)出現(xiàn)雜散響應(yīng)。

3.衰減規(guī)格

衰減是信號(hào)通過(guò)雙端口網(wǎng)絡(luò)（如濾波器）時(shí)產(chǎn)生的功率損耗（dB）。 絕對(duì)衰減可以定義為相對(duì)于負(fù)載到電源的直接連接或可用電源功率的衰減。 對(duì)于共軛阻抗或阻性阻抗以及相等的源阻抗和負(fù)載阻抗，這兩個(gè)定義是等效的。 相對(duì)衰減是相對(duì)于參考點(diǎn)（通常是最小損耗點(diǎn)（最大傳輸點(diǎn)）測(cè)量的衰減。保證衰減是指定頻率下的最大保證衰減。

4.響應(yīng)特征

濾波器設(shè)計(jì)的類型取決于所需的響應(yīng)特性。濾波器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和濾波器中使用的晶體數(shù)量取決于所需的形狀因子和衰減。  下面討論常見的設(shè)計(jì)類型。

貝塞爾或線性相位 :  濾波器的傳遞函數(shù)源自貝塞爾多項(xiàng)式。它產(chǎn)生的濾波器在中心頻率附近具有平坦的延遲。使用的磁極越多，平坦區(qū)域延伸越寬。下線率很低。這種類型的過(guò)濾器接近高斯過(guò)濾器。它具有較差的VSWR，并且在較寬的帶寬上失去了其最平坦的延遲特性。

巴特沃斯:濾波器的傳遞函數(shù)提供最大的平坦幅度。選擇性優(yōu)于高斯或貝塞爾濾波器，但代價(jià)是延遲和相位線性度。對(duì)于大多數(shù)帶通設(shè)計(jì)，中心頻率的VSWR非常好。巴特沃茲濾波器通常對(duì)元素值的變化最不敏感。

切比雪夫:濾波器的傳遞函數(shù)僅由通帶中的切比雪夫等波紋函數(shù)導(dǎo)出。這些濾波器的性能介于橢圓函數(shù)濾波器和巴特沃茲濾波器之間。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，這是首選的濾波器類型，因?yàn)樗鼈兲峁┝烁玫倪x擇性，并且通過(guò)這種近似方法獲得的網(wǎng)絡(luò)最容易實(shí)現(xiàn)。

橢圓函數(shù): 通帶紋波與切比雪夫相似，但由于增加了有限衰減峰值，阻帶選擇性大大提高。巴特沃茲或切比雪夫的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度有所增加，但它仍然可以在幾乎整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

高斯:濾波器的傳遞函數(shù)由高斯函數(shù)導(dǎo)出。高斯濾波器的階躍和脈沖響應(yīng)為零過(guò)沖。上升時(shí)間和延遲是傳統(tǒng)傳遞函數(shù)中最低的。 這些特性是以選擇性差、元素靈敏度高和元素值范圍寬為代價(jià)獲得的。高斯濾波器與貝塞爾濾波器非常相似，只是延遲在中心頻率處有一個(gè)輕微的“駝峰”，滾降速率較慢。  由于延遲響應(yīng)，振鈴特性優(yōu)于貝塞爾濾波器。 實(shí)現(xiàn)限制也適用于這些過(guò)濾器。

同步調(diào)諧: 這些濾波器與貝塞爾濾波器和高斯濾波器具有相同的優(yōu)缺點(diǎn)，只是響鈴響應(yīng)是所有設(shè)計(jì)類型中最好的，滾降甚至比高斯濾波器更慢。與其他兩種類型一樣，一些實(shí)現(xiàn)限制也適用。

切比雪夫相位誤差: 在該近似中，切比雪夫近似技術(shù)被應(yīng)用于通帶區(qū)域上的相位（延遲）。 它產(chǎn)生類似于高斯或貝塞爾設(shè)計(jì)的鐘形幅度響應(yīng)以及等波紋相位和延遲響應(yīng)。 選擇性優(yōu)于貝塞爾函數(shù)或高斯函數(shù)。

高斯至6（或12）dB: 這種近似的通帶響應(yīng)遵循高斯形狀，在6或12 dB點(diǎn)，響應(yīng)發(fā)生變化并遵循巴特沃茲特性。  與嚴(yán)格的巴特沃茲函數(shù)相比，相位或延遲響應(yīng)有所改善，衰減優(yōu)于純高斯函數(shù)，因此這是一種真正的折衷型近似。 與所有試圖控制相位響應(yīng)的濾波器一樣，實(shí)現(xiàn)變得更加困難，因此其工作范圍略有限制。

5.晶體溫度濾波器的穩(wěn)定性

有一些晶體濾波器的頻率低于1MHz，但目前大多數(shù)都高于1MHz，并且使用AT切割晶體。雖然線圈或其他因素會(huì)影響穩(wěn)定性，但晶體是主要的控制元件，并且在某些濾波器（如MCF）中是唯一的控制元件。因此，穩(wěn)定性可以與AT切割晶體的穩(wěn)定性聯(lián)系起來(lái)。頻率變化與溫度的關(guān)系遵循如下所示的立方特性。曲線族的變化由單個(gè)晶體坯從晶體棒上切割下來(lái)的角度的微小變化來(lái)控制。每條曲線與相鄰曲線的偏差僅為兩分鐘弧度。  設(shè)計(jì)人員將選擇適當(dāng)?shù)那€（角度）以在指定的溫度范圍內(nèi)給出最小偏差。

6.晶體濾波器的頻率和帶寬

晶體濾波器的中心頻率可以從幾千赫茲到幾百兆赫茲不等，但最佳工作區(qū)域是晶體的尺寸和工作參數(shù)接近最佳值的地方。

“低”頻率濾波器的最佳工作范圍約為100kHz至800kHz，帶寬在下表范圍內(nèi)。

“中頻”晶體的最佳工作范圍在2MHz到50MHz之間。  注意，這使得800kHz和2MHz之間的頻帶未被覆蓋。  這并不意味著晶體濾波器不能在此范圍內(nèi)制造；這只意味著它更困難，因此成本更高。

中心頻率高于30MHz的晶體濾波器可以使用泛音模式石英晶振晶體或高頻基波構(gòu)建。  泛音的Qs高得多，適合較窄的帶寬，而基波的阻抗低得多，適合較寬的帶寬。  然而，所有晶體都有雜散響應(yīng)，雜散通常出現(xiàn)在通帶的高端。  這種雜散特性限制了濾波器可以實(shí)現(xiàn)的最大帶寬。

7.中心頻率和標(biāo)稱頻率

中心頻率是規(guī)格中的給定頻率，其他頻率可以參考該頻率，而標(biāo)稱頻率是中心頻率的標(biāo)稱值，用作指定相對(duì)衰減水平的參考頻率。  在帶通和帶阻濾波器F中在表示標(biāo)稱中心頻率；Fo表示單個(gè)濾波器的實(shí)際或測(cè)量中心頻率，通常定義為:

                      Fo=（fl× fu)½

在哪里fl和fu 測(cè)量通帶下限和上限，通常為3 dB衰減頻率。  有時(shí)，相對(duì)于實(shí)際或測(cè)量的濾波器中心頻率來(lái)指定頻率更方便。  F的值o當(dāng)然會(huì)隨著溫度和時(shí)間的變化而變化。  因此，必須有一個(gè)與F相關(guān)的公差o考慮到溫度、老化和制造公差。

8.通帶、阻帶和帶寬

通帶是濾波器用來(lái)傳遞信號(hào)的頻率范圍。  它表示衰減小于規(guī)定值的頻率范圍，通常規(guī)定為3 dB。

阻帶是濾波器的相對(duì)衰減等于或大于指定值的頻段。  它表示為衰減超過(guò)某個(gè)指定最小值（如60 dB）的頻率范圍。

對(duì)于帶通或帶阻濾波器，具有指定衰減的較低點(diǎn)和較高點(diǎn)之間的寬度（頻率差），如3 dB帶寬或80 dB帶寬。  對(duì)于低通濾波器，帶寬就是衰減達(dá)到規(guī)定值時(shí)的頻率。

9.紋波和通帶紋波

通常指濾波器的振幅響應(yīng)隨頻率的波狀變化。  例如，理想的切比雪夫和橢圓函數(shù)濾波器具有相等的紋波特性，這意味著通帶內(nèi)幅度響應(yīng)的波峰和波谷之差相等。  另一方面，巴特沃斯、高斯和貝塞爾函數(shù)沒有波紋。  紋波通常以dB為單位。

通帶紋波定義為通帶內(nèi)最大和最小衰減之差。

10.形狀系數(shù)

形狀系數(shù)是阻帶帶寬與通帶帶寬之比，通常是60 dB帶寬與3 dB帶寬之比。  這是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，決定了滿足規(guī)格所需的極數(shù)和復(fù)雜度。

11.插入損耗

濾波器的頻率響應(yīng)總是被認(rèn)為是相對(duì)于特定參考點(diǎn)的衰減而言的。  該基準(zhǔn)電壓下的實(shí)際衰減通常稱為插入損耗。  它以通帶內(nèi)的最小衰減點(diǎn)為基準(zhǔn)。  插入損耗可以定義為插入濾波器前傳送到負(fù)載阻抗的功率與插入濾波器后傳送到負(fù)載阻抗的功率的對(duì)數(shù)比。  換句話說(shuō)，當(dāng)在電源和負(fù)載之間插入濾波器時(shí)，傳輸?shù)截?fù)載的功率降低。  插入損耗由下式給出:

伊利諾伊分貝= 10 log（P腰神經(jīng)2/ PL2)

其中P腰神經(jīng)2 濾波器旁路時(shí)，功率是否輸送到負(fù)載L2 是電路中插入濾波器時(shí)的輸出功率。  上述等式也可以用電壓比表示為:

伊利諾伊分貝= 20 log（V腰神經(jīng)2/ VL2)

這樣就可以直接根據(jù)輸出電壓來(lái)測(cè)量插入損耗。

12.插入損耗線性度

濾波器的插入損耗可能隨驅(qū)動(dòng)電平而變化。  在高功率水平下，石英諧振器變得非線性，導(dǎo)致濾波器損耗增加，這種現(xiàn)象主要由石英的特性決定，而不是由濾波器的處理決定。  然而，在低驅(qū)動(dòng)電平下，諧振器處理在保持恒定插入損耗方面變得至關(guān)重要。  通過(guò)采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、嚴(yán)格的加工和嚴(yán)格的控制，濾波器的插入損耗變化不超過(guò)0.005 dB，驅(qū)動(dòng)電平變化不超過(guò)40 dB。

13.虛假響應(yīng)

所有諧振器，無(wú)論是LC調(diào)諧電路、空腔諧振器還是石英晶體諧振器，都具有不需要的諧振模式。  石英晶體具有非諧波共振和近諧波泛音響應(yīng)，非諧波共振通常發(fā)生在所需共振之上。  因此，幾乎所有晶體濾波器的幅度和相位特性都會(huì)出現(xiàn)不需要的響應(yīng)。偏差通常（但不總是）在窄帶寬范圍內(nèi)。  通常情況下，它們出現(xiàn)在濾波器阻帶中，并表現(xiàn)為衰減減少的狹窄無(wú)用區(qū)域。  雜散響應(yīng)通常出現(xiàn)在高于中心頻率的頻率上。  有時(shí)，在較寬帶寬的濾波器中，濾波器通帶中可能會(huì)出現(xiàn)雜散響應(yīng)，導(dǎo)致不良紋波。

濾波器最常用的AT切割晶體諧振器在略高于所需諧振的頻率處有一系列不需要的非諧波響應(yīng)，在基本諧振的大約奇整數(shù)倍處有諧波（泛音）響應(yīng)。  泛音和主要非諧波的位置可以預(yù)先計(jì)算出來(lái)。  泛音響應(yīng)可以通過(guò)額外的LC濾波來(lái)抑制，如果封裝尺寸足夠大，可以在需要時(shí)容納在濾波器封裝內(nèi)。  LC濾波通常無(wú)法抑制附近的非諧波響應(yīng)。  這里寄生響應(yīng)的抑制是通過(guò)諧振器設(shè)計(jì)、諧振器處理和濾波器電路設(shè)計(jì)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

隨著晶體諧振器電極面積的增加，將會(huì)激發(fā)更多不需要的非諧波響應(yīng)（假設(shè)工作頻率不變），并且動(dòng)生電感將會(huì)降低。  為了降低插入損耗和/或保持窄帶設(shè)計(jì)，可能有必要在更寬的帶寬下增加電極尺寸。因此，帶寬更寬的濾波器可能具有更多更強(qiáng)的雜散響應(yīng)。  然而，人們總是可以利用窄帶設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，在較高的頻率下以降低的百分比帶寬操作晶體濾波器，從而針對(duì)給定的帶寬要求改善雜散響應(yīng)。

14.群時(shí)延失真

群延遲也稱為包絡(luò)延遲，是指窄帶信號(hào)從器件的輸入端傳遞到輸出端所需的時(shí)間。  群延遲失真是指特定通帶區(qū)域內(nèi)或兩個(gè)特定頻率下的最大和最小群延遲之差。  對(duì)于大多數(shù)帶通濾波器，延遲響應(yīng)在每個(gè)通帶邊緣附近都有一個(gè)峰值，此時(shí)濾波器衰減開始迅速增加。  濾波器延遲和衰減特性是相互依賴的。  濾波器衰減越快，延遲峰值越大。  一般來(lái)說(shuō)，大延遲峰值與具有許多極點(diǎn)的濾波器或具有近阻帶極點(diǎn)的濾波器（如橢圓函數(shù)濾波器）相關(guān)。  另一方面，mcf具有非常小的群延遲失真，通常小于10m南

15.互調(diào)

當(dāng)濾波器以非線性方式工作導(dǎo)致入射信號(hào)混合時(shí)，會(huì)發(fā)生互調(diào)。  這種混頻產(chǎn)生的新頻率稱為互調(diào)產(chǎn)物，通常是三階產(chǎn)物，這意味著入射信號(hào)電平增加1 dB會(huì)導(dǎo)致IM增加3 dB。  IM可以分為以下兩種類型:

當(dāng)濾波器阻帶中的兩個(gè)入射信號(hào)（通常為-20至-30 dBm）在濾波器通帶中產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物時(shí)，就會(huì)發(fā)生帶外互調(diào)。  當(dāng)信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)在第一和第二相鄰信道中時(shí)，這種現(xiàn)象在接收機(jī)應(yīng)用中最為普遍。晶體濾波器在低信號(hào)電平下的互調(diào)性能主要由諧振器制造過(guò)程中的表面缺陷決定，不受分析預(yù)測(cè)的影響。 

當(dāng)濾波器通帶內(nèi)兩個(gè)間隔很近的信號(hào)產(chǎn)生也在濾波器通帶內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物時(shí)，就會(huì)發(fā)生帶內(nèi)互調(diào)。  它在信號(hào)電平較高（通常為-10 dBm和+10 dBm）的發(fā)射應(yīng)用中最為普遍。  高信號(hào)電平下的互調(diào)性能是諧振器制造工藝和石英非線性彈性的函數(shù)。  后者在信號(hào)電平較高時(shí)占主導(dǎo)地位，可以進(jìn)行分析。

16.相移和最小相位傳遞函數(shù)

信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)相位的變化。信號(hào)的時(shí)間延遲被稱為相位滯后，在正常網(wǎng)絡(luò)中，相位滯后隨著頻率的增加而增加，從而產(chǎn)生正包絡(luò)延遲。

絕大多數(shù)晶體濾波器是最小相移濾波器。  從數(shù)學(xué)上講，這意味著濾波器的衰減特性和相位特性之間存在函數(shù)關(guān)系。  據(jù)說(shuō)這種雙端口網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)具有最小相移特性，這意味著其從零到無(wú)限頻率的總相移是其擁有的極點(diǎn)數(shù)量在物理上可能的最小值。

17.終端阻抗

這是濾波器輸入端和負(fù)載端保持良好特性響應(yīng)所需的阻抗。  端接阻抗通常指定為串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容，其中還應(yīng)包括電路板的雜散電容。

18.動(dòng)力處理

功率處理通常被指定為最大輸入功率。在設(shè)計(jì)中，它與決定帶內(nèi)互調(diào)性能的因素密切相關(guān)。已知帶寬、插入損耗和雜散響應(yīng)要求，可以估算濾波器的功率處理能力。

19.振動(dòng)引起的邊帶

當(dāng)晶體濾波器受到機(jī)械振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)引起的邊帶可能會(huì)出現(xiàn)在濾波器輸出信號(hào)中。  振動(dòng)在晶體諧振器上產(chǎn)生加速力，導(dǎo)致它們的諧振頻率發(fā)生輕微變化-通常為1g加速度的十億分之幾。  對(duì)于正弦振動(dòng)，諧振頻率以振動(dòng)頻率進(jìn)行調(diào)制，峰值偏差由晶體諧振器的加速度靈敏度和振動(dòng)幅度決定。  在頻譜分析儀上觀察，濾波器輸出會(huì)因振動(dòng)頻率而與載波產(chǎn)生邊帶偏移。  對(duì)于大多數(shù)濾波器而言，振動(dòng)引起的邊帶非常小，無(wú)需擔(dān)心。然而，窄帶頻譜清理濾波器可能需要特別注意。  通過(guò)最小化諧振器加速靈敏度和控制濾波器結(jié)構(gòu)內(nèi)的機(jī)械諧振來(lái)最小化振動(dòng)引起的邊帶。

20.建立時(shí)間和上升時(shí)間

建立時(shí)間是指輸入經(jīng)過(guò)階躍響應(yīng)、脈沖、沖擊或斜坡后，輸出信號(hào)在規(guī)定的過(guò)沖百分比內(nèi)建立所需的時(shí)間。

上升時(shí)間通常定義為濾波器輸出在初始上升時(shí)從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時(shí)間。  雖然上升時(shí)間的精確值可以很容易地從濾波器手冊(cè)中計(jì)算或確定，但以下將上升時(shí)間與帶寬相關(guān)聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)法則提供了有用的估計(jì)。

                    Tr= 0.35層c

其中Tr是上升時(shí)間（單位為秒），以及  fc是3 dB截止頻率，單位為赫茲。