機(jī)械濾波器

機(jī)械濾波器自1947年問世以來，由于他具有高選擇性、高可靠性、高穩(wěn)定性和體積小、重量輕、成本低以及適合自動化生產(chǎn)等優(yōu)點，所以在電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

機(jī)械濾波器雙稱機(jī)電濾波器或電氣機(jī)械濾波器。機(jī)械濾波器通常只能設(shè)計成帶通濾波器，只有在特定的條件下才可能設(shè)計成帶阻濾波器，所以機(jī)械濾波器又稱為帶通機(jī)械濾波器。

機(jī)械濾波器的工作頻率范圍為100HZ~600HZ，其中50KHZ以下為低頻機(jī)械濾波器，50~200KHZ為中頻機(jī)械濾波器，200~800KHZ為高頻機(jī)械濾波器。其相對帶寬0.5%~15%，有的可達(dá)0.1%~30%。

1、機(jī)械濾波器結(jié)構(gòu)形式的工作原理

（1）基本結(jié)構(gòu)形式 目前，機(jī)械濾波器實用品種很多，基本結(jié)構(gòu)有以下四種，示于圖5.1-18。

1）第一種結(jié)構(gòu)形式（見圖5.1-18A）由機(jī)械諧振子、機(jī)械耦合子和機(jī)電換能器三部分組成。機(jī)械振動單元包括振子和耦合子，如圖中虛線部分所示。大多數(shù)機(jī)械濾波器，尤其是中、高頻機(jī)械濾波器均屬于此種結(jié)構(gòu)。

2）第二種結(jié)構(gòu)形式（見圖5.1-18B），沒有耦合子，只有振子和換能器組合為一體，稱為一個“組合”，一般一個組合就構(gòu)成一個濾波器，有的低通濾波器采用這種結(jié)構(gòu)。

3）第三種結(jié)構(gòu)形式（見圖5.1-18C），振子和換能器合為一體構(gòu)成一個組合，然后將兩個或兩個以上組合用導(dǎo)線連接起來組成濾波器。一部分中、低頻機(jī)械濾波器采用此種結(jié)構(gòu)。

4）第四種結(jié)構(gòu)形式（見圖5.1-19D），與第三種不同的是將兩個或兩個以上組合用耦合子連接起來，一部分低、中頻機(jī)械濾波器采用這種結(jié)構(gòu)。

上述結(jié)構(gòu)是機(jī)械濾波器的核心，大多數(shù)機(jī)械濾波器在輸入和輸出端沒有由電感和電容組成的“匹配網(wǎng)絡(luò)”，它們也是主要組成部分。

（2）機(jī)械濾波器的工作原理 機(jī)械濾波器工作過程包括機(jī)電換能和機(jī)械振動兩部分。通過匹配網(wǎng)絡(luò)輸入和電信號，加到換能器上，它將電信號轉(zhuǎn)換成同頻率、具有一定振動模式的機(jī)械振動，此機(jī)械振動對頻率具有選擇特性，將通過選擇后的機(jī)械振動信號傳輸?shù)捷敵鰮Q能器上，通過能量轉(zhuǎn)換再把機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成同頻率電信號，再經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)輸出，從而達(dá)到濾波器傳遞頻帶、抑止阻頻帶的作用。

由振子和耦合子構(gòu)成的機(jī)械振動系統(tǒng)是機(jī)械濾波器的主體，它們都是由恒彈性合金--含鎳、鉻、鈦的鐵合金材料制成，最常用的是N142CRT1合金。恒彈性合金的楊氏彈性模量在一定的溫度范圍內(nèi)變化很小。在機(jī)械濾波器中，也是用溫度頻率系數(shù)B1來衡量它的溫度穩(wěn)定性，鎳鉻鈦在-20~+60`度范圍內(nèi)的B1為±5*10的負(fù)6次方度左右，因此，機(jī)械濾波器的溫度穩(wěn)定性要比陶瓷濾波器的好。

（3）實用機(jī)械濾波器分類（見表5.1-14）

機(jī)械濾波器的一般特性

為了確保在規(guī)定的環(huán)境下傳輸特性變化最小在設(shè)計和制造中還要盡可能具有高穩(wěn)定和高可靠性，并盡可能消除寄生響應(yīng)和澈音效應(yīng)。

機(jī)械濾波器可實現(xiàn)的特性范圍（見表5.1-15）

2、穩(wěn)定性

隨著時間的推移，溫度和電平的變化都會引起機(jī)械濾波器傳輸特性的變壞，因此穩(wěn)定性應(yīng)包括溫度穩(wěn)定性、時間穩(wěn)定性和電平穩(wěn)定性三個方面。

機(jī)械濾波器的穩(wěn)定性遠(yuǎn)比LC濾波器、陶瓷濾波器的優(yōu)良，且可與晶體濾波器相比擬，而且在實現(xiàn)同數(shù)量級的穩(wěn)定性時，機(jī)械濾波器的工藝比晶體濾波器要簡單得多。

1）溫度穩(wěn)定性 溫度穩(wěn)定性是指濾波器的傳輸特性隨溫度變化的程度。一般來說，中心頻率偏移主要是由振子頻率偏移所致，當(dāng)然，靜電容容量的變化匹配電路中元件值的變化，都會使通帶波動增加。

機(jī)械濾波器在0~40度的溫度范圍內(nèi)，傳輸特性幾乎不變。而在-45~85度溫度范圍內(nèi)，只要進(jìn)行特殊設(shè)計和工藝處理（無需增加附加裝置）機(jī)械濾波器仍可正常工作。

2）時間穩(wěn)定性 時間穩(wěn)定性主要指濾波器的傳輸特性隨時間變化和程度。它主要由特作振子和換能器的恒彈性合金的經(jīng)時變化率決定。它主要由特作振子和換能器的恒彈性合金的經(jīng)時變化率真決定，通常，這種變化較小，可達(dá)到0.2~3.0*10負(fù)4次方/10A。

3）電平穩(wěn)定性 電平穩(wěn)定性是指濾波器的傳輸特性隨輸入信號電平大小變化的程度。當(dāng)濾波器輸入信號的功率超過它所能儲存的能量時，輸出將出現(xiàn)非線性失真，使濾波器中心頻率下降，帶寬增加和通帶插入損耗增大，機(jī)械濾波器的電平特性遠(yuǎn)優(yōu)于LC濾波器。

（3）寄生響應(yīng)和微音效應(yīng) 凡是使用諧振子的濾波器，在它們所采用的振動模式之外，還有其他振動模式產(chǎn)生，并影響濾波器傳輸特性的寄生響應(yīng)和微音效應(yīng)。

1）寄生響應(yīng) 機(jī)械濾波器的寄生響應(yīng)主要由主振模式以外的其他模式的高次振動和其他部分所產(chǎn)生振動引起的，這些振動統(tǒng)稱為雜散振動。寄生響應(yīng)對濾波器的傳輸特性影響到極大，所以在設(shè)計、工藝處理和制造中都作為一個重要問題來對待。

2）微音效應(yīng) 在低頻機(jī)械中濾波器中，機(jī)械振子的振動頻率較低，容易受到外界振動的干擾而產(chǎn)生噪聲輸出，這種特性稱為機(jī)械濾波器的“微音效應(yīng)”。外界振動來自多方面的，如電器設(shè)備中的發(fā)動機(jī)，車輛行駛時的振動和各種音響等。微音效應(yīng)的大小與干擾來源的強(qiáng)弱、頻率的高低和機(jī)械濾波器抗干擾能力等因素有關(guān)。

（4）振動和沖擊 機(jī)械濾波器有較好的而振動、耐碰撞、而沖擊和而離心力的能力。當(dāng)振動加速度不超過5G（G為重力加速度）、碰撞沖擊和離心力加速度不大于50G時，機(jī)械濾波器無需采取防振或減振措施。在經(jīng)過特殊設(shè)計之后，抗振加速度可達(dá)15G，抗擊、抗碰撞和抗離心力加速度則可達(dá)1500G。