壓電陶瓷濾波器原理及其設(shè)計(jì)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備更趨于小型化，在許多方面，LC濾波器由于受到電感元件限制而不能滿足現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求。而具有機(jī)械諧振特性和能量轉(zhuǎn)換能力的壓電陶瓷，和壓電晶體一樣，在濾波器技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

1、壓電陶瓷振子

目前，陶瓷濾波器使用的壓電陶瓷振子，其相對(duì)帶寬為0.5%~20%，品質(zhì)因數(shù)QM在600~3000范圍內(nèi)，大量生產(chǎn)的陶瓷振子頻率溫度范圍為1KHZ~幾十兆赫，具體又可分為音頻（3KHZ以下）、甚低叔（3~30KHZ）、低頻（30~300KHZ）、中頻（300~3000KHZ）、高頻（3~30MHZ）及甚高頻（30MHZ以下），音頻的下限達(dá)到500HZ，而甚高頻上限能達(dá)到90MHZ左右。使用鈦酸鋁酸陶瓷材料可抽成200MHZ振子和濾波器。

陶瓷濾波器的中心頻率和帶寬直接取決于振子的譜頻率真和相對(duì)帶寬，而振子這些特性又決定于振子的尺寸，振動(dòng)模式及材料的機(jī)電耦合系數(shù)，見參考文獻(xiàn)（7）

（1）壓電陶瓷振子的等效電路 長條形壓電振子，在諧振頻率附近，當(dāng)考濾到介質(zhì)損耗和機(jī)械損耗時(shí)的等效電路圖5.1-12。其中LCR串聯(lián)支路反映了壓電陶瓷振子的機(jī)械振動(dòng)性質(zhì)，R反映振子的機(jī)械損耗；C0和RO并聯(lián)支路反映壓電材料的介電生質(zhì)，RO是介質(zhì)損耗電阻，C0是振子兩電極面之間的靜電容。

圖5.1-12 陶瓷振子等效電路

圖5.1-12 陶瓷振子等效電路

其他形狀和振動(dòng)模式的壓電振子，在諧振頻率附近具有與長條形振子相同形式的等效電路，如果不存在其他振動(dòng)模式，則振子的等效參量與頻率無關(guān)，在小信號(hào)運(yùn)用下，等效參量為常數(shù)，振子可看成為線性器件。一般情況下，介質(zhì)損耗電阻R0很大，可以看考慮，如果再忽略機(jī)械損耗，即認(rèn)為，R=0，則壓電振子等效電路可等效為純電抗元件L、C、C0的組合。

（2）壓電陶瓷振子的諧振特性 壓電陶瓷振子即是機(jī)械諧振體，又是電的諧振體，其等效阻抗Z隨頻率F變化的規(guī)律如圖5.1-13所示。

頻率由低至高變化時(shí)，第一次出現(xiàn)的諧振稱為基波，之后出現(xiàn)的諧振為泛音。在討論電陶瓷振子諧振特性時(shí)，經(jīng)常遇到以下有意義的頻率：諧振頻率FR、反諧振頻率FA、最小阻抗頻率FM、最大阻抗頻率FN、串聯(lián)諧振頻率FS和并聯(lián)諧振頻率FP。

FS為等效電路中R=0時(shí)LC串聯(lián)諧振頻率FP為LC串聯(lián)和C0并聯(lián)電路的并聯(lián)諧振頻率。

實(shí)際情況中，機(jī)械損耗不能忽略時(shí)，取一級(jí)近似，它們之間的關(guān)系表達(dá)式為