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計技術有兩種:單片晶體濾波器（MCF）和分立晶體濾波器。MCF是一種濾波器，通過在壓電基板（如石英坯）上安裝電極并利用電極之間的機械結合來實現(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，因為它們使用的元件更少且互連更少。大多數(shù)mcf是對稱帶通濾波器。此外，在VHF范圍內，MCF方法允許泛音上的帶寬，如果使用分立晶體濾波器設計，則只能通過更昂貴的基模諧振器來實現(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。對于極窄或極寬的帶寬，它們可能是更好的設計選擇，因為它們在網(wǎng)絡拓撲中具有更大的靈活性。這使得網(wǎng)絡設計具有明顯不對稱的單邊帶性能，這是單芯片設計難以實現(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是無線電通信設備中應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的帶寬限制（在諧振器等效電路中由靜態(tài)與動態(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)分數(shù)帶寬分類如下:

窄帶晶體濾波器

窄帶濾波器的網(wǎng)絡設計可以在不使用電感的情況下適應晶體靜態(tài)電容。電容比C0/C1諧振器等效電路的帶寬決定了無電感窄帶晶體濾波器的最大帶寬。對于使用基模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%。如果所需帶寬超過此限制，則必須更改網(wǎng)絡設計以納入電感。

中間帶晶體濾波器

中間帶通濾波器使用電感來消除諧振器C帶來的額外電容0加上不可避免的雜散電容。大多數(shù)中頻帶設計使用分立諧振器，但它們可能包含單片雙諧振器。基模諧振器的帶寬在0.3%和1.0%之間。雜散響應有時會出現(xiàn)在濾波器通帶和過渡區(qū)中，并且通常在濾波器阻帶中相當強。這些雜散響應可以通過適當?shù)脑O計策略來控制，以實現(xiàn)所需的性能。

寬帶晶體濾波器

寬帶晶體濾波器通過使用電感為濾波器響應提供極點，同時調節(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，濾波器響應對電感和Q值非常敏感，如果要保持性能，需要對電感進行精確的溫度補償。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，濾波器通帶和過渡區(qū)中通常會出現(xiàn)雜散響應。

3.衰減規(guī)格

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

4.響應特征

濾波器設計的類型取決于所需的響應特性。濾波器設計的復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。下面討論常見的設計類型。

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。這種類型的過濾器接近高斯過濾器。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，但代價是延遲和相位線性度。對于大多數(shù)帶通設計，中心頻率的VSWR非常好。巴特沃茲濾波器通常對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。對于大多數(shù)應用，這是首選的濾波器類型，因為它們提供了更好的選擇性，并且通過這種近似方法獲得的網(wǎng)絡最容易實現(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)絡復雜度有所增加，但它仍然可以在幾乎整個工作區(qū)域內實現(xiàn)。

高斯:濾波器的傳遞函數(shù)由高斯函數(shù)導出。高斯濾波器的階躍和脈沖響應為零過沖。上升時間和延遲是傳統(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輕微的“駝峰”，滾降速率較慢。由于延遲響應，振鈴特性優(yōu)于貝塞爾濾波器。實現(xiàn)限制也適用于這些過濾器。

同步調諧: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，只是響鈴響應是所有設計類型中最好的，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，切比雪夫近似技術被應用于通帶區(qū)域上的相位（延遲）。它產(chǎn)生類似于高斯或貝塞爾設計的鐘形幅度響應以及等波紋相位和延遲響應。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遵循高斯形狀，在6或12 dB點，響應發(fā)生變化并遵循巴特沃茲特性。與嚴格的巴特沃茲函數(shù)相比，相位或延遲響應有所改善，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的濾波器一樣，實現(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。頻率變化與溫度的關系遵循如下所示的立方特性。曲線族的變化由單個晶體坯從晶體棒上切割下來的角度的微小變化來控制。每條曲線與相鄰曲線的偏差僅為兩分鐘弧度。設計人員將選擇適當?shù)那€（角度）以在指定的溫度范圍內給出最小偏差。

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。

“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，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現(xiàn)的最大帶寬。

7.中心頻率和標稱頻率

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，而標稱頻率是中心頻率的標稱值，用作指定相對衰減水平的參考頻率。在帶通和帶阻濾波器F中在表示標稱中心頻率；Fo表示單個濾波器的實際或測量中心頻率，通常定義為:

Fo=（fl× fu)½

在哪里fl和fu測量通帶下限和上限，通常為3 dB衰減頻率。有時，相對于實際或測量的濾波器中心頻率來指定頻率更方便。F的值o當然會隨著溫度和時間的變化而變化。因此，必須有一個與F相關的公差o考慮到溫度、老化和制造公差。

8.通帶、阻帶和帶寬

通帶是濾波器用來傳遞信號的頻率范圍。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衰減等于或大于指定值的頻段。它表示為衰減超過某個指定最小值（如60 dB）的頻率范圍。

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

9.紋波和通帶紋波

通常指濾波器的振幅響應隨頻率的波狀變化。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，這意味著通帶內幅度響應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。這是一個關鍵參數(shù)，決定了滿足規(guī)格所需的極數(shù)和復雜度。

11.插入損耗

濾波器的頻率響應總是被認為是相對于特定參考點的衰減而言的。該基準電壓下的實際衰減通常稱為插入損耗。它以通帶內的最小衰減點為基準。插入損耗可以定義為插入濾波器前傳送到負載阻抗的功率與插入濾波器后傳送到負載阻抗的功率的對數(shù)比。換句話說，當在電源和負載之間插入濾波器時，傳輸?shù)截撦d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，功率是否輸送到負載L2是電路中插入濾波器時的輸出功率。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)輸出電壓來測量插入損耗。

12.插入損耗線性度

濾波器的插入損耗可能隨驅動電平而變化。在高功率水平下，石英諧振器變得非線性，導致濾波器損耗增加，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，在低驅動電平下，諧振器處理在保持恒定插入損耗方面變得至關重要。通過采用適當?shù)脑O計、嚴格的加工和嚴格的控制，濾波器的插入損耗變化不超過0.005 dB，驅動電平變化不超過40 dB。

13.虛假響應

所有諧振器，無論是LC調諧電路、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，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出現(xiàn)不需要的響應。偏差通常（但不總是）在窄帶寬范圍內。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用區(qū)域。雜散響應通常出現(xiàn)在高于中心頻率的頻率上。有時，在較寬帶寬的濾波器中，濾波器通帶中可能會出現(xiàn)雜散響應，導致不良紋波。

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，在基本諧振的大約奇整數(shù)倍處有諧波（泛音）響應。泛音和主要非諧波的位置可以預先計算出來。泛音響應可以通過額外的LC濾波來抑制，如果封裝尺寸足夠大，可以在需要時容納在濾波器封裝內。LC濾波通常無法抑制附近的非諧波響應。這里寄生響應的抑制是通過諧振器設計、諧振器處理和濾波器電路設計的組合來實現(xiàn)的。

隨著晶體諧振器電極面積的增加，將會激發(fā)更多不需要的非諧波響應（假設工作頻率不變），并且動生電感將會降低。為了降低插入損耗和/或保持窄帶設計，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的雜散響應。然而，人們總是可以利用窄帶設計的優(yōu)勢，在較高的頻率下以降低的百分比帶寬操作晶體濾波器，從而針對給定的帶寬要求改善雜散響應。

14.群時延失真

群延遲也稱為包絡延遲，是指窄帶信號從器件的輸入端傳遞到輸出端所需的時間。群延遲失真是指特定通帶區(qū)域內或兩個特定頻率下的最大和最小群延遲之差。對于大多數(shù)帶通濾波器，延遲響應在每個通帶邊緣附近都有一個峰值，此時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。一般來說，大延遲峰值與具有許多極點的濾波器或具有近阻帶極點的濾波器（如橢圓函數(shù)濾波器）相關。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

當濾波器以非線性方式工作導致入射信號混合時，會發(fā)生互調。這種混頻產(chǎn)生的新頻率稱為互調產(chǎn)物，通常是三階產(chǎn)物，這意味著入射信號電平增加1 dB會導致IM增加3 dB。IM可以分為以下兩種類型:

當濾波器阻帶中的兩個入射信號（通常為-20至-30 dBm）在濾波器通帶中產(chǎn)生互調產(chǎn)物時，就會發(fā)生帶外互調。當信號同時出現(xiàn)在第一和第二相鄰信道中時，這種現(xiàn)象在接收機應用中最為普遍。晶體濾波器在低信號電平下的互調性能主要由諧振器制造過程中的表面缺陷決定，不受分析預測的影響。

當濾波器通帶內兩個間隔很近的信號產(chǎn)生也在濾波器通帶內的互調產(chǎn)物時，就會發(fā)生帶內互調。它在信號電平較高（通常為-10 dBm和+10 dBm）的發(fā)射應用中最為普遍。高信號電平下的互調性能是諧振器制造工藝和石英非線性彈性的函數(shù)。后者在信號電平較高時占主導地位，可以進行分析。

16.相移和最小相位傳遞函數(shù)

信號通過濾波器時相位的變化。信號的時間延遲被稱為相位滯后，在正常網(wǎng)絡中，相位滯后隨著頻率的增加而增加，從而產(chǎn)生正包絡延遲。

絕大多數(shù)晶體濾波器是最小相移濾波器。從數(shù)學上講，這意味著濾波器的衰減特性和相位特性之間存在函數(shù)關系。據(jù)說這種雙端口網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)具有最小相移特性，這意味著其從零到無限頻率的總相移是其擁有的極點數(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載端保持良好特性響應所需的阻抗。端接阻抗通常指定為串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容，其中還應包括電路板的雜散電容。

18.動力處理

功率處理通常被指定為最大輸入功率。在設計中，它與決定帶內互調性能的因素密切相關。已知帶寬、插入損耗和雜散響應要求，可以估算濾波器的功率處理能力。

19.振動引起的邊帶

當晶體濾波器受到機械振動時，振動引起的邊帶可能會出現(xiàn)在濾波器輸出信號中。振動在晶體諧振器上產(chǎn)生加速力，導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。對于正弦振動，諧振頻率以振動頻率進行調制，峰值偏差由晶體諧振器的加速度靈敏度和振動幅度決定。在頻譜分析儀上觀察，濾波器輸出會因振動頻率而與載波產(chǎn)生邊帶偏移。對于大多數(shù)濾波器而言，振動引起的邊帶非常小，無需擔心。然而，窄帶頻譜清理濾波器可能需要特別注意。通過最小化諧振器加速靈敏度和控制濾波器結構內的機械諧振來最小化振動引起的邊帶。

20.建立時間和上升時間

建立時間是指輸入經(jīng)過階躍響應、脈沖、沖擊或斜坡后，輸出信號在規(guī)定的過沖百分比內建立所需的時間。

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

Tr= 0.35層c

其中Tr是上升時間（單位為秒），以及fc是3 dB截止頻率，單位為赫茲。

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