1、中华人民共和国电子工业性部标压电滤波器二次补充SJ/Z 9158.8 87 IEC 368B (1 975) 3 压电滤波用指南Second supplement to pablicaUon 368 (1 971) Piezoe1ectric fUters Chapter 1: Gulde to the use of piezoelectric fi1ters 第3章压电滤波器使用指南第2节压电陶瓷滤波10范的压电陶瓷材料的研制和发展，已经出现了一个新的、相当有希望的领域，即用压电陶瓷振予也称为陶瓷振子纱)设计高质量、小型而廉价的滤波器。具有高搞合系数，高品质因数并足够稳定的陶瓷振子的获得，就
2、可能设计出代替常规的，机械滤波器的陶器滤披器以及作其它新的应用.目前压电陶瓷滤波器以下称为陶瓷滤波器)广泛地用于通信通信接收机的中)以及产生一组基准频率的仪器中，还用于遥测装置、测量以及广播接收机的中。虽然这些滤波器的技术规范是很不相同的，但用几种标准型号的陶瓷滤波器足上述的大部分需要。本标准适用于工作频率从几千赫到10兆赫以上的无源带通滤波器，这种滤波器在市场上作为分立和独立单元是可以买到的。这里不考虑集成为一个大系统的滤披器。本指南所考虑的波器仅限于利用无摞线性元件的两端滤波器。这个简短的标准不作理论说明，也不涉及在实际环境中可能出现的所有偶然事件。本指南把注意力集中在某些基本问题上，这些
3、问题是用户在为新的应用而订购滤波器以前所必需考虑的。这样做将保证用户避免不满意的性髓。诸如IEC标准本指南便是其中-部分以及国家技术规范的产品活页规范或制造者发行的数据，将规寇可获得的基准频率、通带宽度、波动、矩形系数，端接阻抗等各项综合指标。这些表包括了很宽范围的具有标准性能的陶瓷滤波器。必须强调，用户无论在什么地方，只要可能，就要根据这些规范选择陶瓷滤波器，即使为了能用标准滤波器而需要对线路作些小的修改时也应如此。在选择基准频率时尤其是如此。与常规的LC滤波器不同，当基准频率局限于几个狭窄的频率范围时，陶瓷滤波器和晶中华人国电子1988-01 1 SJjZ 9153.3一盯体滤波器在设计及
4、制造成本方面具有很大的有利条件。因此，不规定使用某一较通用的基准率的订货可能是不经济的。应该明白，标准化并不是固寇不变的，而是一个连续过程。当提出新的要求时，将制订新的产品活页规范来满足这些要求.11 技术引用户的主要兴的内部滤波器和振子网络.常用传输衰耗频率关系来表示滤耗的标准方法。在某些应用中，足具体的技术规格。由制造者自己选择满足该技术的幅频特性，如国l所示。第15条介绍了测量传延时之类的特性较传输衰耗豆为重要。但这里不考虑这些特殊传输费提(dB)因一60dB带宽一一-60 dB 6dB通带6 dB 渡动一-一一一一一一一一一一相对主运挺OdB一一小传输衰花基准顿图1呆湛i皮嚣的传输表耗
5、特性2 SJjZ 9158.8 87 用基准频率，最小传输衰裙，通带波动以及矩形系数更进一步说明传输衰糙特性，它们的标准值在考虑中将在SJjZ9153 (IEC 368)标准中给出。在规定的工作温度范围的与最高温度之间，要满足本技术规范。在环境试验前后也要满足这个条件.在某些情况中，尤其是广播接收机用滤波器，也要规定整个给定温度范围内特性的最卫阳且12 湿湿噩用E电陶童摞于这里简单地介绍一下陶瓷振子，以所产生的可能性和局限性。在-常规滤使用户可以了解由中，电感器和电的特性对瑞踹100 130 60 40 20 。用作电抗元件。实h、- 440 450 460 470 陶瓷路边器，振于Qs= 8
6、00 -LC这边器，钱圈Os=300 -.-.-_;吕英晶体滤边器，附加线圈Os= 300 困2具有相同数目谐振回路的典型陶瓷滤泯器，LC边;在器和石英晶体滤.t.器的特性比较.(kHz) 不s SJjZ 9153.3 87 可避兔的损耗对滤波器特性产生双重影响。首先，它们将增加传输衰耗，从而使通带内的衰耗变为有限值而不是霉。而且更为严重的是，使截止频率附近的哀耗特性的个去美响主要与元件的Q值有夫，而第一个影响，除了其它因素外，还与提耗的绝对值有关。正如下面将要描述的，一陶瓷振子等效于电抗元件的组合，它的品质因数(Q)儿倍于常规电感器的Q。在相对带宽相同的情况下，陶瓷滤波器的传输衰耗和矩形系数
7、介于石英和LC滤波器之间。陶瓷滤波器与常规LC滤披器及石英晶体滤波器(把官们设计成具有相似的通带的一个典型比较示于国2。从图中可以看出，陶瓷滤波器所达到的性能介于石英晶体和常规LC滤波器之间。然而，用陶瓷振子作滤披器的主要优点是可得到尺寸很小巫波慨。用陶瓷振子的电气特性可以用图町的所示自飞等效电路来表示。它由-电容OD及若干分路的并臂所组成，并臂由串联的等效动态电感、电容及电阻所组成，每一臂都有一确定的谐振频率。在谐振区附近，其简化的等效电路示于图3(b)，它由一并联电容00和一动态组成。然而00与频率有关，因为不仅涉及电容OD，而且也包含其它动态臂的影响。因此，用简化的等效电路表示振子在反谐
8、振时的特性可能不够精确。描述陶瓷振于特性的其它方便的参数是串联谐振频率fs，并联谐振频率fPJ机械品质因数Q固和相对频率间隔Bs。图3也给出了它们与等效电路参数之间的一般关系，它适用谐振回蹄。但是，fp的表示式因为复杂而被省略。- -q C, L, Co C, 、C2 L2 Cn Ln R, R2 Rn RI (a) . -._ (b) 适用于每个谐振回路的公式Uv仙一1矶时一= -r:nu tsd 1 Bs=丘jEJ S 图3陶瓷振子的等效回珞(a)适用于宽频率范围的回路，图中Cn应为C(的仅适用于紧邻谐振频率附近振子的品质因数和频率稳定性限制了陶瓷滤波器可用的最小通带宽度，而相对频率间隔决
9、起可达到的最大通带宽度。例如，对于由陶瓷振子和电容器所组成的梯形滤波器，可达到4 SJjZ 9153.3 87 的最大相对带宽小于民，而对于桥形滤波器，则小于Bs或2Bs。当陶瓷振于利用分布机械结构时，它同时有许多模式振动。主模附近的寄生模可能影响滤波器特性。可把这些奇生模抑制在一起的电平以下或者将它移到不重要的频率处，但在宽的带通滤波器时，要做到这-点可能是困难的。为了抑制寄生棋，必须仔细地选择振子的结构，线性尺寸，电极的形状及它们的支架等等。选择线性尺寸使得寄生振动模不在有夫的率范围以内。用陶瓷振子作滤波器时，需要进一步规寇所有的电抗参数。由于电抗参数也与振子尺寸，电极的形状及位置有夫，故
10、每个特定频率的现实参数的范围受到限制，其限制不如石英滤波器振于那样严格。对于径向也呆子，在某一特运频率下，合用的等效电感范围约为8: 1，而对于厚庭模的高频振子可能超过3: 1。这便严格地限制了陶瓷滤波器的设计。瓷振子与晶体元件不同，具有较大的相对谐振间隔，就攻性的错钦酸铅说来，官可达到15%。因此，利用陶瓷振子就可设计足够大带宽的压电滤波器，不必利用附加元件。陶瓷振子的第二个优点是具有很大的并电容，可以说计出只由振子组成的梯型滤波器网络。当在晶体管电路用的滤波器中使用陶瓷振于时，因为滤披器的特性电阻需与上述电路的输出电阻相匹配，所以它的等放电感值小(单位:mH)也是一个优点。滤波器中有时采用
11、具有一对以上电极的振子，例如在元线电收音机的中频滤波器中，为了级间藕合所用的环和点电极振子。还有利用一个以上主振模式的振于。在具有(特寇尺寸及质量)局部电极的高频陶瓷振子中，其振动能量被陷佳，并且保持在电板下面及其邻近区域内。利用几个电极区之间彼此的声搞合，可以制成压电滤波器。因此，获得单片或集成形式的完整滤波器。且然这种精合模滤波器比础立模滤披器有某些优点，但官们在陶瓷滤波器的可能限性方面引起的奕化很小。13 遮波嚣的基本特性13.1 一般特性下面简单地评述一下采用无源线性元件的各种滤披器的特性。然后介绍一些典型的用途。13.1.1 晶体管收音机用中频滤波器率在440.480kHz的滤波器是
12、最广泛使用的成品元件。中频滤波器是按照不同的电路及设计而制造的，从简单的级间祸合电路到多节梯型滤波器。带宽度(6dB)在6，50kHz。这种滤披器的体积可能小于1cm3。图4a给出了一滤波器特性的实例，其6dB带宽为8kHz，60dB带宽为20kHz，端接阻抗为12000和60000由环和点电极振子所构成的中频滤披器，在输入和输出端不同的端接情况下的特性示于图。.5 7。一SJjZ 9153.3 87 二60 60 50 50 EZW幡40 LO dB 一一幢-1由自-雹喃喃ZS瑞40 苦思e 30 20 内UVRMA唱6 dB 30 20 4挥缸一-一10 。一回_俨a。0 - 25 - 2
13、0 -15 -10 - 5 也25 20 15 10 5 465 形陶瓷滤波嚣的表耗特性频率(kHz)8个才属于组成的中捕多节固4a6 SljZ 9153.3 87 RL RG A B 30 20 SV碍懈B 10 。缸490 470 480 450 0 460 440 430 420 (kHz) 滤i皮器在不同的端接阻抗下的表耗特性RG=5.6kQ 曲线Bz7 频RL=lkQ 具有坏和点电极才属于形式均中RG=12kQ 曲线AZ S RL=2.2且Q18.1.2 10.7MHz中频滤披器图5给出了这种滤波器特性的一例。4b 囤SJjZ 9153.3 87 0 9,5 EU)聪恨古罪、30 2
14、5 20 10 5 。15 35 + + -t-25 20 15 1 0 5 35 30 40 EEW件梆辞世12 图5fc= 10.7MHz的陶瓷滤泯嚣的表耗特性 11,5 11 ,0 率(MHz)10,5 10 带宽度应足够宽，以便在温度变化及发射机和接收机频率都有误差的条件下接信息。这些频率的容许误差通常列于相应的产品规范中。阻带和过夜带衰耗由下一个频道的位置及其频率稳定性，和它的谱一起决定。可通过双信号测试，即检测邻近频道中的信号对定其性能是否满足要求。型滤波器是为了在端接从一百到几千欧姆的晶体管电路中工作而设计的。必须保证终的容许误差不能太大，以避免在通带中产生不合需要的特性畸变纹波
15、)，它可能导致不可接受的失真或者对干扰18.1.3 4 6MHz的中频滤波器在考虑中。18.1.4 多路立体声接收机用滤对多路立体声信号译码时需要若干15，.70kHz的滤波器.多种，图6示出了导频选择用陶瓷滤波器的加信号调制所产生的的干扰和串音来确的适合于这种用瓷滤波8 50 碍。穹司宫卸20 10 。30 81jZ 9158.3 87 38 40 50 kHz 图6用于多路立体声信号导频选择的典型陶瓷混波器的表耗特性13.1.5 载波电话系统中，载波和导频用滤波器分调制(FDM)载频系统中，使用许多复杂的LC滤波器、晶体滤波器或机械滤披器。目前可用的材料还不允许在载波电话领域中大量地使用陶
16、器滤波器。但是仍可为陶瓷滤找到某些用途例如载波的产生，信号的产生，辅助频率)0对于导频选择，围绕中心频率的稳定性要有很严格的技术规定.对大部分设计来说，滤波器电路由输入和出变压器，排列成Jaumann(混合节的四个振子、电容器和电阻器所组成。在滤披器中采用温度稳定性较好的电容器，减小带宽的场合，要按最大带宽设计振子。在两Jaumann(浪合节的连接处所观察到的反射衰耗由滤波器的各级的阻抗不同所引起一一起因于L1的9 SljZ 9153.3 87 _, 容许误差)，可以通过配1dB左右的型网络的电阻。图7示出馈送典型特性。因8给出了导频选择滤波器的频率响应特性.百国中120 -一LJll 国10
17、0.。80 60 40 20 阜。由10 kHz 380 4,81 、E 4.4F、p、 I-:二4，0卜-、飞.-吨飞F飞, 3,6 I 464 465 ,) 率ldB L 斗L 丁420 460 主立一蛐t 、 、-.-_ 466 467 带6dB 25dB .:2 _-L ， r 一-一Ir -I 斗扣4500 540 1 MHz 晶I I , JJ户斗Lfl V二二/468 469 470 宽60dB 75dB 85dB 468kHz 5kHz 10kHz 24kHz 48kHz 72kHz 96kHz 中心频率:允差:土1kHz阻扰:输入250010000Q稳定性5年在+0.2%以内
18、输出2500.10000060. 1O-6/ C (0-50C) 频率kHz. 30日312 412 420 r 424 444 45(, 468 480 496 516 548 556 S64 612 -_ 471 kHz 插入损耗5dB 因7电话系统载频选择用典型的陶瓷滤注器的表耗特性10 的+ S.C +ISOC +3SC +S50C 大衰耗85dB , d8 70+ 60 50 40 30 20 10 。SJjZ 9153.3 87 -196日z84,7 dB -33一+ 169 f.z 80,8 dB 250C a = 6,8 dB -500 -400 -300 -200 -100
19、。+ 100 + 200 + 300 + 400唯600k Hz 固812.08kHz导频滤沈器的频率响应曲线18.1.8 响应特性dB 70 60 50 40 30 20 10 。对振幅特性重要的滤波器来说，存在着象chebyshev曲线，极平滑的曲线(Butterw-orth) ，椭圆函数响应的理论响应特性，对于相位特性重要的漉波器，例如在中的滤波器，存在着Gaussian函数响应。因为它们实质上是理论晌应，用这些特性来规定波器是不切合实际的.对于实际的滤波器来说，由于振子参数之间的离散，并且随实际的终载而不同等原因，其特性只能接近理想响应。还应该指出，因为相位和振幅特性是互相有关的，所以
20、独立地获得两个特性是不可能的。13.2 实用和限制13.2.1 有关实用与限制的情况在13.1.1至13.1.6中已给出。13.2.2 带宽对陶瓷带通滤波器可获得性的影陶瓷振子的可获得参数限制了陶瓷滤被器的设计，从而影响可获得性的范围。所用的多数陶瓷滤波器具有带通特性。图9给出了陶瓷滤波器的通带宽度与有一定界限的参数频率区域的关系。不需要经过很难的研制工作便可生产出这样的带通滤波器。所给出的值仅仅说明些是在技术上可能做到的。商业上的使用价值取决于数量、环境要求、只寸、戚本等因素，11 靠12 S J jZ 9153.3 87 1 MHz 厚度振动模100 kHz 电容比限制径冉基动模10kHz
21、 径向泛音振动纵向振动模1 rHz 振子的Q值和颇率稳定性限100 Hz 1-密曲振动模10 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kH呈基准频率图9陶瓷带通滤波器的频率范围下列注释充实了制约滤波器可获得带宽范围的理由。a Q和频率稳定性问句MH:z陶瓷振子的温度和时间稳定性以及品质因数决定了陶瓷滤波器的最小通带宽度。10 MHz .5%通带宽度的滤波器是困难的，因为它们的通带与由温度和老化所引起的相率漂移分别为0.2%，总不稳定性为0.4%)差不多，对于相当窄通带的(陶瓷滤波说，报子的Q还不足以保证在整个工作温度范围内有满意的最小SJjZ 9153.3 87 这种滤波器只可用在对滤波器的通
22、带边缘及频带中心频率的稳定性要求不严格的场合，它们可用来分隔离散的(载披或基准)频率。b 陶瓷振子的相对频率间隔造成的限如果不附加电感器，要制成通带宽度远大于图9所示的上边界的滤披器是不可能的虽然在一定限度之内它们原则上是能做到的)。因为这种滤波器还未广泛使用，所以在本指南中不予考灿。13.2.3 有关温度特性的限制窄带滤波器的温度特性是由振子和电容器的温度系数来决定的。就主要的影响来说，受中心频率随振子频率的变化而变化的限制。因为绝大多数振子没有线性的温度系数，因此，为了得到精确的数据就必须在许多温度下进行测量。对于窄带宽说来，滤波器中振子温度特性的差异将可能使波动的大小随温度而变化.振于的
23、等效电阻随温度的变化会严重地影响最小传输衰耗。对于导频选择滤波器来说，这是严重的问础。对于宽带滤波器，主要是影响依赖于谐振和反谐振频率的温度系数的通带形状。13.2.4 有关环境性能的限当陶瓷滤披器是非气密封时，对环境方面应予以特殊的考虑，第一方面是湿度，第二方面是机械试验。在某些情况中，固定振子的导线是刚性连接的，这些导线经受过大的外应力就可能使滤波器特性产生畸变。耐冲击和振动试验的能力可能与加力方向有关。在要求严酷的场合，考虑到这一点，就可能选择滤波器振子的最佳条件。13.2.5标准化各种压电陶瓷滤波器之间的差别比非组合式元件之间的差别要多得多，因此，目前还不能将尺寸、形状，基准频率和其它
24、滤波器特性标准化。移动设备第一类中频445kHz或465kHz中的各种滤波器之间有着某种程度的类似性。但是，不同滤波器厂家的产品之间可能有差别，尤其是端接阻扰。而且，根据下述的一个或几个原因，生产厂的规格可能不同。用途有的要求一个滤波器就提供所需的总相对衰耗，另外的则可由几个分立的滤波器构成的多级装置来提供总相对衰耗。对于某些用途，例如用于携带式装置，尺寸是关键性的，而对于另一些用途，则成本是主要的。有的用途可能需要不同的相对衰耗性能。阻抗一般出来，滤波器设计成能在特定端接阻抗之间工作。本机振荡器的稳定性滤披器所需要的通带宽度，一部分是由本机振荡器的稳定性与设备的漂移一起来决定的。13.3 输
25、入电平13 Sl/Z 9153.3 87 激励电平可能受到下列因素的限制z13.8.1 陶瓷振子的频率变化滤波器要求工作在寇的电平范围以内，应指出其最大电平。与宽带滤波器相比，窄带滤波器必须具有较高的频率稳定性，所以这一点更为重要。13.3.2 陶瓷振子的退化由过高激励电平所引起的滤波器特性的退佬，即使在电平恢复到E常值后，它还可能继保持。这可能与信号频率有关，并且不管滤波器是否被正确地端接都是如此.对高激励电平的陶号是元件的谐振频率非常有夫。如果标称条件是满意的，则应考虑试验可能产生的影响及其它的异常条件，如滤波器输出端开路，因为这将使相当大的功率传递给振子。13.4允许直流电压陶瓷振子上的
26、外加直流电压可能使得陶瓷的极化强度发生永久变化，因而也导致振子特性的变化。对陶瓷墟波器外加直流电压时必须注意这一点。即使象晶体管的电摞所产生的那么小的电压，也可能引进战悍。14实当滤波:得插入外电路，尤其是晶体管电路时，为了获得满意的性能，必须有某些预防措施。以下两点是重要的z1) 滤波器捕揄入和;对出端应正确地与规定电阻端接。在高频时，通常要求杂散持在规定值以下，或者有时被调节到某规定值。可以看到，由于不适当的端接，通带会发生相当大的叫又。2) 通过适当地接地或屏蔽，将输入和输出端的杂散糯合抑制到最小。否则，就不可能在阻带获得保证的衰耗。15 技术技术与SJ/Z9153 (IEC 368)标
27、准的第2章试验条件相同。16 标志标志包括型号，基准频率，货漉商标以及用户和制造商一致同意的附加标志。17 陶瓷濡波嚣的规Ij某一栋准产品满足要求时，则规定相应的产品活页规范便足够了。当现有的产品污页规沼不能完全满足要求时，产品活页规范应与己知的差别之处一起引用。当差别过大而使用现有的产品活页规范变得不合理时，要按已经用标准产品活页规范的类似格式制订新的活页规范。下列对照表对于订购陶资滤波器是有用的，并且在起草技术规范时应予以考虑z14 用途说明呻电性能要求z基通带特性大波动带宽其它S盯Z9153.3 87 过渡带相对衰耗(从. . . .到. ) 阻带相对衰耗(11，.到. ) 寄生响应接阻抗入电平入电平绝缘电阻直流电压老化其它如相位特性等环境要求z温度范围工作、贮存碰撞冲击振动态加速度温度-其它(例如密封，温度循环物理要求z一一长度一一高度一一标志和装配附件一一一一其它如可焊性等吨检验要求z一一有关的技术规范一一检验机构一一合格质量水平15 求。一一鉴定检一一其它SJ/Z 9153.3 87 在非对称滤波器中，建议以精确频率为基准而不用两区域中的带宽来说明阻带和通带要在技术规范中应清楚地写明z是否要求滤波器在冲击、振动或加速的条件下工作。如果要求，则必须考虑噪声产生的可能性以及它的合格界限。这点只在低频滤波器时，要予以考虑。18 术语及在考虑中。16
