压电陶瓷声体滤波器
一压电陶瓷声体滤波器
最早出现的压电陶瓷滤波器是单片的或由两片组成的二端及三端滤波器，应用于收音机线路中。接着出现的是比二、三端滤波器复杂的多节滤波器。能阱漠理论的出现导致了能阱漠滤波器的问世。以上这些陶瓷滤波器，就其振动模式及振动波的传输方式来说都是声体波，为与后章出现的声表面滤波器相区别，称这些滤波器为声体波滤波器。
压电陶瓷滤波器与LC滤波器相比，具有体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高等优点，所以一经问世就受重视，特别是它的体积小的特点，适应电路集成化的要求，所以在选频器件中占有重要的地位。本章主要介绍上述几种陶瓷滤波器、谐振器以及用压电陶瓷片作换能器的压电音叉、机械滤波器等复合滤波器。压电声体波延迟线也是一种声体波器件，所以在本章也给与介绍。
1 : 压电陶瓷振子的谐振特性及等效电路
压电陶瓷振子是结构成各种压电陶瓷滤波器的基本元件。在交变电场的作用下，压电陶瓷振子会产生机械振动，当外加交变电场频率增到某一频率时，振子的阻抗变得最小，输出电流变的最大，此时的频率叫做最小阻抗频率fm。当频率继续增高达到某一频率时，振子的阻抗会变的最大，输出的电流变得最小，此时的频率叫做最大阻抗频率fn。压电陶瓷振子的阻抗随频率交化如图6.1所示。
由于压电陶瓷振子的谐振特性，阻抗随频率的变化与LC谐振电路相类似，因此可以采用机电类比的方法，用如图１.2所示的相应电路来表示压电陶瓷振子在谐振频率附近的参数和特性，这一电路称为等效电路。图中，L1称为动态电感（或闪电感），代表振子振动时的质量，与振子材料机械性能有关；C1称为动态电容，与材料弹性强度有关；C0称为静电容（或并联电容），与材料介电性能有关；R1称为动态电阻（或内电阻、串联谐振电阻），代表振子振动时内摩擦引起的机械损耗。
振子的串联谐振频率fs由下式给出：
这一频率近似等于最小阻抗频率fm ,振子的并联谐振频率fp由下式给出：
这一频率近似等于最大阻抗频率fn 此外，在最小抗阻频率fm附近存在一个电抗分量为零的信号电压与电流同相位的频率。这一频率叫做压电振子的谐振频率
nfr 在最大抗阻频率f附近也存在一个电纳分量为零的信号电压与电流同相位的频率。这一频率叫做
压电振子的反谐振频率fa 在一般情况下，上述fm、fn、fr、fa、fs、fp关系：
, 称为优值；
质因数；
称为电容比。
称为机械品
在理想的无损耗（R1 = 0 ，Qm=∝）情况下， 压电振子的阻抗与频率的关系如下：
2 ：压电陶瓷振子的振动模式
如前所述，压电陶瓷作压电振子使用时，主要是利用它在交变电场下所具有的谐振特性，振子的振频率fr依赖于振子的几何尺寸和振动模式。
振动模式是指某一几何尺寸的振子在特定条件（按所需方向极化、激励和设置电极等）下，用以完成机械能和电能相互转换的振动方式。振子的振动模式按极化方向与激励电场方向间的关系通常可以分为伸缩振动、切变振动、弯曲振动、能阱模振动等类型。常用压电陶瓷振子的振动模式如表6.1所示。在设计振子时，除了选择合适的陶瓷材料外，还要选择合适的振子的振动模式。
1.2多节陶瓷滤波器
1: 多节陶瓷滤波器的构成原理
由前节所述压电陶瓷振子的谐振特性而知，压电陶瓷振子对fr附近频率的信号衰耗很小，对fa附近频率的信号衰耗很大。由此可见，单片压电陶瓷振子就已经具有滤波性质了。 由上述单个振子制成的滤波器，称为二端滤波器。
表6.1 振动模式及相关特性
一个二端滤波器的衰耗特性是相当差的，不能完全满足使用要求。为了获得性能良好的滤波器，通常是将二端振子按一定方式组合四端或三端滤波器。如图１.3（a）所示的四端滤波器，就是由1和2两个振子组成的。串联振子1的作用和单片压电陶
图１.３ （a）L节滤波器及其测量电路；（b）输出特性曲线
瓷振子的作用相同，其输出特性如图１.3（b）中曲线1所示。并联振子2的作用，当输入信号频率在并联振子谐振频率fr2附近时，并联振子的阻抗很小，因此信号几乎全部被并联振子短路了，负载R上得到的电压很小；当输入信号频率在并联振子的反谐振频率fa2附近时，并联振子的阻抗很小，因此信号几乎全部加在负载R上，所以负载得到的电压很大，其输出特性如图１.3（b），
图１.４
中曲线2所示。串联振子和并联振子的输出情况正好相反。如果适当
选择串联振子和并联振子的谐振频
率和反谐振频率，使fr1=fa2那
么就可得到如图１.4所示的衰耗特
性曲线，由此可见，一个串联振子
和一个并联振子组成的四端器件，
已经成为一个简单的带通滤波器
了。
2 : 多节陶瓷滤波器的几种结构形式
曲二端振子组成的四端滤波器，按电路结构可以组成
T型、∏型和桥型等几种，如图１.5所示。按照
L型、 L型、T型、∏
型电路结构组成的滤波器为梯型滤波器（或链型滤波器）。按
照桥型电路结构组成的滤波器，称为桥型滤波器。L型叫基本半
节，由两个基本半节按不同方向连起来，就得到T型和∏型结构
结构。图１.6所示为窄带陶瓷滤波器振子连接图。
图１.5 滤波器的电路结构
图１.6五节对称T型滤波器
3 : 陶瓷滤波器的主要术语和定义
相对衰耗 一个给定频率的衰耗与通常规定频率点的衰耗之差，及为相对衰耗。 参考频率f 最大输出频率fm，截止频率fc和中心频率fo：参考频率f为通带内取做参考标准的频率。通带内衰耗最小的一点的频率即为fm。再同带边界上相对衰耗达到规定值的那个频率，即为截止频率fc。中心频率fo是带通或带阻滤波器的截止频率的几何平均值，及fo
=,但实际上常用截止频率的算术平均值作为几何平均值的近似值，中心频率fo的算术平均值为
。
通带宽度
通带波动f 两个截止频率之差称为通带宽度，即f=fc2-fc1。
B 通带波动B等于在规定的通带内最高波峰衰耗与最低波谷的衰耗之差。
插入衰耗 是指通带内某频率点上的插入衰耗。
防卫度（或称阻带抑止）Bz 滤波器的阻带衰耗大小，规定着邻近通带信号干扰的大小。防卫度就是规定阻带频率范围内的最小相对衰耗值。防卫度的大小可以从滤波器插入衰耗曲线上求出来。
矩形系数和过渡带 实际滤波器的衰耗特性，从通带到阻带有一定的过渡范围，在截止频率与邻近阻带内最近一点频率之间的频率带称为过渡带。过渡带窄，滤波器的衰耗陡度大。生产上常用矩形系数描述衰耗陡度。通常用相对衰耗为B2时的带宽△f B2和相对衰耗为3分贝（或6分贝）时的带宽△f 3分贝（或6分贝）之比来表示矩形系数，即
式中，K越接近1，就表示滤波器的矩形系数越好，即从通常到阻带的变化也越陡峭。在这种情况下，滤波器的选择性也就越好。
四、多节陶瓷滤波器的测量
陶瓷滤波器和其他滤波器一样，只有对其衰耗特性、相位特性和阻抗特性进行测量后，才能全面给出它的电性能。
衰耗特性的测量要在一定条件下进行。若没有特别的规定，所有的试验均在环境温度20+5℃、相对湿度为65+15％、大气压力为750+30毫米汞柱高的正常气候条件下进行。试验前，样品应在正常气候条件下至少放置24小时。此外，还要给出测试电平和滤波器的终接负载。测试线路如图１.7所示。
图１.７
测试原理：对于终端接有规定阻抗的滤波器，其插入衰耗可以从电压指示器的读数中得出。
测试方法和计算公式：将信号发生器的输出电平和信号频率调到所规定的数值上。在接入滤波器之前，先将1 .2端短路,此时，指示器读数为V1，然后将1，2端断开，接入滤波器，此时，指示器读数为V2，则插入衰耗用下列算式：
B=20log V1/V2(dB)
当电压指示器为电平表时，其插入衰耗为滤波器接入前后电平表读书之差。
二 多振子压电陶瓷滤波器的参数与标准
1: 分类与命名
1.1型号
1.1.1 CF □ □□□ □
1.1.2 CF SFU □□□ □
1.1.3: 滤波器的结构尺寸见图 1
图1 SFU□□□□
带宽分档 D、E、中心频率 455 、滤波器引出脚数量压电陶瓷滤波器 中心频率分档 A、中心频率 455 、450 调幅单片滤波器 压电陶瓷滤波器 3 图 KHz） F、G、H 450（KHz） W(5、 T(3) B、Y 、465（～图2 CFT□
图3 CF□□□□ 图4 CFTM□□□□ 2要求和实验方法
本标准若无特别规定，所有测试均应在GB/T2421中规定的正常试验大气条件下进行。试验前，滤波器应在正常试验大气下至少放置24h. 2.1 使用条件
使用温度：-20 ～ +80℃; 相对湿度： 90%RH 以下;
大气压力：86 ～ 106Kpa; 2.2 结构、外形尺寸和质量
2.2.1 要求 滤波器的结构外形尺寸应符合3.2规定，最大质量不大于2g。
2.2.2 方法 用精度不低于0.05mm的量具测量外形尺寸，用感量0.1g的天平称量。 2.3 外观
2.3.1 要求 滤波器的表面应平整，无明显气泡裂痕，变形和污垢，标志牢固清晰。 2.3.2 方法 表面用目视法检查，标志用牢固性用无水乙醇棉球轻擦三次检查， 2.4 电气性能
2.4.1 要求 滤波器的电气性能应符合表1、表2、表3的规定。阻带衰减测试范围为标称
表1
表2 表3
2.42 方法 按SJ2180中的规定进行，测试线路见图4 。
图 4 测试线路
2.5 引出端强度
2.5.1 要求 滤波器的引出端经拉力试验和弯曲试验后应无机械损伤和引出端松动现象。
2.5.2 方法 拉力试验按GB/T2423.29中Ual进行，拉力为5N，弯曲试验按GB/T2423.29中
Ub方法2进行
2.6 可焊性
2.6.1 要求 滤波器的引出端应易焊，沾锡良好，焊料能与引出线润湿。
2.6.2 方法 焊性试验按GB/T2423.28试验Ta方法1进行，采用235℃焊槽法引出端浸入
离滤波器主体2 - 2.5mm处。
2.7 耐焊接热
2.7.1 要求 滤波器应能接受焊接热的作用，其外观和电气性能符合4.3和4.4条的规定。
2.7.2 方法 耐焊接热试验按GB/T242.28试验Tb方法1A进行，采用260℃的焊槽持续的时
间为5±1秒，试验后回复2h 。
2.8 振动
2.8.1 要求 滤波器经试验后，外观和电气性能符合4.3和3.4条的规定。
2.8.2 方法 按GB/T2423.10的规定振动频率范围为10Hz - 55Hz - 10Hz ，振幅为0.75mm ，
扫频循环次数为15，三个方向。
2.9 碰撞
2.9.1 要求 滤波器经碰撞试验后，外观和电气性能符合4.3和4.4条规定。
22.9.2 方法 按GB/T2423.6的规定加速度为250m/s,以滤波器的互相垂直的三个方向个碰
撞1000±10次。
2.10 温度变化
2.10.1 要求 滤波器在-20℃和+80℃温度下承受三次温度变化后。外观和电气性能符合4.3
和4.4条的规 定。
2.10.2 方法 按GB/T2423.22试验Na的规定进行，保持时间为30min,转移时间不大于3min，
恢复时间为24±2h 。
2.11 恒定湿热
2.11.1 要求 滤波器在不加负荷的情况下，经恒定湿热试验后，外观和电气性能符合4.3
和4.4条的规定。
2.11.2 方法 按GB/T2423.3规定的进行，试验时间48h恢复时间2h，并在2h内检查测量
完毕。
2.12 温度特性
2.12.1 要求 滤波器在不加负荷的情况下，在-20℃或+80℃温度时中心频率和常温(+25℃±
10℃)时的相对变化率不大于5%。相对变化率(△f)按下式计算：
2 - f1
△× 100%
1式中： f1 --- +25℃±10℃时的滤波器中心频率，KHz 。
f2 --- -20℃或+80℃时的滤波器中心频率，KHz 。
2.12.2 方法 按GB/T2423.1试验Aa检查低温特性，按GB2423.2试验Ba检查高温特性，保
持时间各位1h，在箱内或取出立即测试。
3 检验规则
3.1 滤波器的检验分为逐批检验和周期检验。
3.2 滤波器逐批检验按GB2828中的一次抽样方案进行，检查水平为Ⅱ。
3.3 滤波器逐批检验的项目、顺序、合格质量水平(AQL)应符合表5规定，经可焊性试验的样品不得随同本批次入库。
3.4 滤波器周期检验每季度进行一次，在产品结构，主要工艺和原料改变时或停产三个月以上又恢复生 产是亦应进行。
3.5 周期检查的样品从本季度生产的，经逐批检验合格的产品中随机抽取，并按表5规定的项目(除可焊性外)进行复测，按GB2829中两次抽样的方案进行，检查水平为Ⅱ。 3.6 周期检验的分组、顺序、检验项目及不合格质量水平(RQL)应符合表6的规定。
3.8 经周期检验后的样品不得作合格品出厂。 4 标志、包装、运输与储存
4.1 滤波器上应有下列标志：制制造厂商标、产品型号。
4.2 滤波器应装入盒内，每盒只能装同型号、同规格的产品，盒内应放入盖有制造厂质量检验部门印章的合格证。合格证上应注明制造厂名称、地址或商标、产品型号、检验日期、检验人员或包装人员的姓名或代号。
4.3 装有滤波器的包装盒，应放入干燥的包装箱内运输。箱内四壁应衬防潮纸，空隙处用防震材料填塞，并放入装箱单，装箱单上应注明制造厂名称、厂址、产品名称和型号、装箱数量、日期。
4.4 包装箱外应清晰标明“向上”、“防潮”、“轻放”和收、发货单位名称等标记和字样。 4.5 产品允许用任何运输工具运输，但应避免雨雪的直接淋袭和机械碰撞。
4.6 滤波器应储存在环境温度为-10℃ - +40℃、相对湿度不大于80%RH，周围环境应无酸、碱或其它有害物质的库房内，储存期限为一年。
三压电陶瓷滤波器及滤波器的结构件
1、零配件介绍
（1）梅花片
（2）小方片
（3）绝缘片
（4）双联
（5）右脚
（6）左脚
（7）薄片
（8）厚片
（9）盖纸
（10）外壳
2器件结构及组装图
2.1整体结构
正面图
反面图
2.2陶瓷滤波器组装图
注释:
1 : 左脚
2 ：外壳
3 ：盖纸
4 ：瓷片
5 ：双联
6 ：垫片
7 ：瓷片
8 : 小方片 9 ：梅花片 10 ：右脚 11 ：环氧
2.3 器件外壳设计图
四：LT455BW
1：性能参数要求
1.1 中心频率 （KHz） 455KHz±1.0KHz. MAX.
1.2 6dB带宽 ±15 KHzMIN.(TO 455KHz)
1.3 50dB选择性 ±30 KHz MAX.(TO 455KHz)
1.4 阻带衰减 45 dB MIN.(AT f。±100KHz)
1.5 波动 2.0 dB MAX.(AT f。±5.0KHz)
1.6 插入损耗 4.0 dB MAX (AT THE SMALLEST LOSS)
1.7 温度特性 50PPM/℃ Max.(-20 TO +80℃)
1.8 输入/输出阻抗 1.5 K
2：菲尔特测试图形实例
完毕
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