叉指結構在復合型寬帶單片式晶體濾波器中的應用

剖析了一種復合型寬帶單片式晶體濾波器。從單片晶體濾波器和又指換能器的原理出發對該濾波器進行了理論分析，然后使用仿真軟件模擬了叉指結構對單片式晶體濾波器的影響。最后通過實驗證明了插指結構對晶體濾波器具有調整矩形系數，增加帶外抑制和頻率微調的作用。

濾波器是頻率選擇系統中的關鍵元器件，在通信、導航、廣播電視、宇航工程的電子設備中，占有重要的地位。隨著1963年能陷理論的出現，在1966年日本東京大學工業科學學院和美國貝爾實驗室分別研制出單片式晶體濾波器(MCF)。單片晶體濾波器通過在壓電材料的基片上應用真空鍍膜的方式，鍍上若干有確定位置和確定尺寸形狀的電極，按照濾波的需求有目的的通過設計來確定每個諧振器的幾何尺寸，鍍回頻率以及諧振器之間的距離，來控制機械振動波在基片上的傳播，從而達到將電信號濾波的目的。

1 單片式寬帶晶體濾波器簡介

石英晶體濾波器具有插入損耗小，穩定度高，品質因數高等特點，但是石英晶體也有機電耦合系數小，串并聯諧振頻率間隔小的固有局限性，通常用于實現相對帶寬在0.35%以下的濾波器，對于相對帶寬超過1%的濾波器就必須在晶體濾波器中加入展寬線圈，通過串聯或者并聯電感來調節晶體諧振器的串聯或并聯諧振頻率，從而達到展寬頻帶的作用;鈮酸鋰、鉭酸鋰等材料制作寬帶晶體濾波器因為其機電耦合系數大，是石英晶體的5～6倍，制作的晶體濾波器相對帶寬能夠達到0.2%～5%，但鈮酸鋰、鉭酸鋰材料溫度穩定性不如石英晶體;近些年來發展的硅酸鎵鑭等新型晶體濾波器，能夠制作出相對帶寬在0.3%～0.8%之間相對比較寬的性能優良的寬帶晶體濾波器。

在某型設備中，應用了大量的晶體濾波器，通過對種類繁多的晶體濾波器研究后發現：與普通4極點晶體濾波器不同的是，在這些晶體濾波器內部存在由叉指結構組成的區域，這里稱為微調區，其中以這款中心頻率為12.1 MHz，3 dB帶寬，240 kHz的寬帶晶體濾波器最具有典型代表意義。

通過圖1可以看出該單片式晶體濾波器是典型的4極點單片晶體濾波器，并且在輸入和輸出端加入了輔助放大電路，這樣設計的好處是濾波器的頻率特性內部已調試好，使用者無需任何外部補償，便于濾波器在各種產品中應用。微調區由左右對稱的指間距均勻等指長的叉指結構組成，如圖2所示。

2 叉指結構對單片晶體濾波器性能改善的理論分析和模擬

叉指換能器的脈沖響應模型表明均勻叉指結構的幅頻特性：

式中：K2是機電耦合系數;Cr是總靜態電容;N是叉指換能器的周期數;f0是中心頻率。

單片晶體濾波器在設計時通常采用巴特沃茲或者切比雪夫濾波器形式進行設計，理想情況下4極點巴特沃茲帶通濾波器的系統函數的幅頻特性為：

式中B3是3 dB帶寬。

叉指等長的情況下，當叉指的間隔取特定值時，在特定頻率上衰減很小，波形類似sa函數，針對微調區這種結構排列的叉指系統函數幅頻特性描述如下：

4極點晶體濾波器，中間加入叉指結構后的系統函數的幅頻特性為：