關于叉指結構在單片晶體濾波器中的應用實例分析

引言

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。

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。

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。叉指結構對單片晶體濾波器性能改善的理論分析和模擬

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：

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：

用Matlab對上述情況進行模擬(在此為了方便分析忽略叉指結構的部分)并且針對真實晶體濾波器的系統函數，對上式調整如下：

通過仿真可以看出，通過控制左右連接叉指結構的數目可以比較精確的在一定范圍內調整濾波器上、下邊帶頻率。

驗證實驗

通過實驗來檢驗叉指結構對晶體濾波器性能的影響，實驗方法是將叉指連接逐個拆除，對比每次拆除叉指后的濾波器頻率響應，從圖5(用外加電容補償叉指靜態電 容后，相同帶寬情況下)可以看出叉指結構對晶體濾波器具有改善矩形系數，增加帶外抑制的作用。而從圖6中可以看出逐個拆除叉指連接的漸變過程，從這個過程 可以看出，通過調整連接叉指的數目可以比較準確的微調濾波器的帶寬。

單片式晶體濾波器有以下兩個缺點：