徐小英 趙楊勇 韋浪飛 武艷梅

（陜西華星電子集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 712099）

LST-15M-5S晶體濾波器是一種高性能、小型化且輕量化的晶體濾波器，具有通帶寬、插入損耗低和頻率選擇性良好等特點(diǎn)，適用于通信系統(tǒng)、雷達(dá)、電子戰(zhàn)和導(dǎo)航等多領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景，能夠提供穩(wěn)定的頻率源、高質(zhì)量的信號(hào)處理和頻率控制功能，提高系統(tǒng)的性能和精度[1]。LST-15M-5S晶體濾波器在設(shè)計(jì)和制造過程中采用了先進(jìn)的工藝和技術(shù)，可確保高性能和穩(wěn)定性，其寬通帶和低插入損耗特性使其能夠有效濾除不需要的頻率分量，提高信號(hào)的純度和清晰度。此外，LST-15M-5S晶體濾波器還具有良好的溫度穩(wěn)定性，老化率低，能夠在各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定性能。

1 晶體濾波器的技術(shù)指標(biāo)和外形尺寸

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

標(biāo)稱頻率為15MHz；中心頻率偏差≤±750Hz；-6dB通帶寬度≥5kHz；-60dB阻帶寬度≤15kHz；帶內(nèi)波動(dòng)≤2dB；插入損耗≤2.5dB；阻帶衰減≥60dB；工作溫度范圍為-55℃～85℃；輸入、輸出阻抗為1kΩ、1.6kΩ//3pF；質(zhì)量≤10g。

1.2 外形結(jié)構(gòu)尺寸

該產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)尺寸要求為（30×20×5）mm3，如圖1所示。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于高度要求僅為5mm，質(zhì)量要求不超過10g。

圖1 產(chǎn)品外形尺寸圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

格型電路是濾波器電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)原理是將一個(gè)格型低通原型電路變換成帶通結(jié)構(gòu)，再等效為差接橋型電路，最終研制出帶通晶體濾波器。該濾波器通過采用輸入端和輸出端阻抗的四端網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)獲得選擇信號(hào)。

在格型電路的設(shè)計(jì)過程中，需要選擇合適的低通原型電路。低通原型電路具有低通濾波器特性，能夠使低頻信號(hào)通過，并濾除高頻信號(hào)。選擇低通原型電路時(shí)，需要考慮其頻率響應(yīng)、阻抗匹配以及插入損耗等因素，再將低通原型電路變換成帶通結(jié)構(gòu)。帶通結(jié)構(gòu)是指只允許某一特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過的濾波器結(jié)構(gòu)。在變換過程中，需要對(duì)電路進(jìn)行等效變換，以實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的特性[2]。最后將帶通結(jié)構(gòu)等效為差接橋型電路。差接橋型電路是一種對(duì)稱性的電路結(jié)構(gòu)，其特性與帶通結(jié)構(gòu)相似。通過設(shè)計(jì)差接橋型電路，可以進(jìn)一步優(yōu)化濾波器的性能，提高其頻率選擇性和阻抗匹配性。研制帶通晶體濾波器時(shí)，需要采用輸入端和輸出端阻抗的四端網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)。該四端網(wǎng)絡(luò)可將濾波器與系統(tǒng)連接起來，同時(shí)保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性。

2.2 工作原理

晶體濾波器是一種具有選頻功能的傳輸系統(tǒng)，可將其等效為一個(gè)具有輸入端和輸出端的四端網(wǎng)絡(luò)。晶體濾波器對(duì)通帶內(nèi)的信號(hào)衰耗為最小，對(duì)阻帶內(nèi)的信號(hào)衰耗為最大。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過時(shí)，濾波器的信號(hào)幅值、相位均有改變，其輸出端的視在功率與輸入端的功率不一致，通常用兩端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)來表示。LST-15M-5S晶體濾波器屬于寬帶帶通型小體積晶體濾波器，該濾波器通帶寬度（-6dB）≥5kHz、阻帶寬度（-60dB：≤1kHz，矩形系數(shù)≤3。該濾波器體積為（30×20×5）mm3。該晶體濾波器有5個(gè)端口，即1個(gè)輸入端、1個(gè)輸出端和2個(gè)交流接地端。其中輸入阻抗為1kΩ，輸出阻抗為1.6kΩ//3pF。由于輸入阻抗與輸出阻抗不相等，該濾波器的特性網(wǎng)絡(luò)稱為非對(duì)稱四端網(wǎng)絡(luò)。

2.3 電路設(shè)計(jì)

LST-15M-5S晶體濾波器電路采用契比雪夫型差接橋型三節(jié)六極點(diǎn)電路，兼顧濾波器體積和電性能綜合指標(biāo)參數(shù)，關(guān)鍵元件設(shè)計(jì)方案選用5032貼片型石英晶體諧振器。要求濾波器的阻帶衰減≥60dB，分離式晶體濾波器理論上1節(jié)電路衰減20dB，3節(jié)衰減60dB。從理論上分析，采用契比雪夫差接橋型電路，可使濾波器輸入、輸出連接的阻帶衰減余量富足。

LST-15M-5S晶體濾波器采用差接橋型三節(jié)六極點(diǎn)電路，如圖2所示。

圖2 LST-15M-5S晶體濾波器電路原理圖

截至目前，契比雪夫差接橋型電路是已被確定的最簡(jiǎn)單的格型電路且比全橋型電路節(jié)約一半晶體。鑒于LST-15M-5S晶體濾波器輸入、輸出阻抗不對(duì)稱，可以利用變量器實(shí)現(xiàn)端接阻抗匹配，滿足非平衡式電路的要求。

與同類產(chǎn)品相比，本晶體濾波器的主要難度在于其高度較小。制作該晶體濾波器的關(guān)鍵技術(shù)主要包括15MHz基頻石英貼片晶體諧振器和PCB電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。石英貼片晶體諧振器是濾波器的重要組成部分，其性能會(huì)直接影響濾波器的性能。因此在制作過程中需要嚴(yán)格控制諧振器的頻率、品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)，以確保其性能穩(wěn)定、可靠。同時(shí)，PCB電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵技術(shù)之一。由于該濾波器需要承受寬溫范圍的工作環(huán)境，因此PCB電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮溫度變化對(duì)電路性能的影響。在設(shè)計(jì)中需要采用合理的布局和布線方式，以降低溫度變化對(duì)電路性能的影響，并提高其可靠性[3]。

3 關(guān)鍵元器件設(shè)計(jì)

采用5032貼片晶體替換傳統(tǒng)UM-1晶體是分離式濾波器的又一革命性變革，它開辟了分離式石英晶體濾波器小型化的進(jìn)程。制作濾波用貼片晶體不僅在技術(shù)、工藝上與UM-1晶體有很大不同，還在加工設(shè)備上做了許多改進(jìn)，其自動(dòng)化更適應(yīng)小型化、精密化的要求，貼片晶體諧振器的加工尤為重要。作為小型化晶體濾波器中的關(guān)鍵元件，5032貼片晶體諧振器外觀尺寸如圖3所示。

圖3 5032貼片晶體諧振器外觀尺寸圖（mm）

3.1 電感的設(shè)計(jì)

與石英晶體諧振器相比，現(xiàn)有電感元件的Q值和溫度穩(wěn)定性更低，串聯(lián)電感易導(dǎo)致濾波器溫度穩(wěn)定性下降，并限制寬帶晶體濾波器在寬溫域的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)展寬電感時(shí)，應(yīng)選擇高Q值材料制成的電感。采用環(huán)狀磁芯繞制的電感的Q值高于一般片式電感或磁棒繞制的電感，并且溫度性能也更好。因此，高Q值的環(huán)形磁芯繞制的電感更適于制作展寬電感。

最終，變量器采用型號(hào)為NX0-60的5mm×2.5mm×1.5mm環(huán)形磁芯，繞制的導(dǎo)線可以粗些，以增強(qiáng)機(jī)械固持作用。為了將電感對(duì)高頻回路的影響降至最低，必須讓濾波器各臂的參數(shù)相同，并使串臂與并臂晶體諧振器的電感量盡可能相等。諧振頻率變化越大，就需要越多的串聯(lián)電感。然而，當(dāng)串聯(lián)電感增加時(shí)，其分布電容也隨之增加，電感對(duì)晶體濾波器回路的作用也會(huì)更顯著。因此在設(shè)計(jì)中，展寬電感的電感量不宜過大。

3.2 晶體參數(shù)的確定

解決技術(shù)難點(diǎn)的主要措施是優(yōu)選電路和晶體，加強(qiáng)生產(chǎn)中各工藝環(huán)節(jié)的電路控制。根據(jù)歸一化系數(shù)設(shè)計(jì)寬帶晶體濾波器參數(shù)系數(shù)，即

R12=0.7145，K12=0.5385，K23=0.5180，K34=0.5385，Q1=1.2767，Q2=1.2767。由于頻率較高，因此需要通過計(jì)算和修正得出所需的晶體諧振器的頻率，即如公式（1）～公式（4）所示。

通過理論公式計(jì)算出各元件的理論參數(shù)，預(yù)估晶體濾波器所需石英晶體諧振器的關(guān)鍵電性能指標(biāo)參數(shù)（L1、C1、C0、Fr）的大概范圍，對(duì)貼片晶體諧振器電極面積、晶片振動(dòng)模式和晶片返回頻率等參數(shù)的綜合設(shè)計(jì)是貼片晶體諧振器的關(guān)鍵部分。根據(jù)實(shí)際搭建的電路，對(duì)理論計(jì)算出的參數(shù)進(jìn)行修正和調(diào)整，使該濾波器達(dá)到最佳狀態(tài)，貼片晶體諧振器相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 貼片晶體諧振器相關(guān)參數(shù)

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用PCB電路板替代傳統(tǒng)金屬夾結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)濾波器小型化設(shè)計(jì)，可在減輕濾波器質(zhì)量的同時(shí)有效提高產(chǎn)品可靠性。根據(jù)所用元件尺寸、數(shù)量、外形以及可靠性綜合要求，該濾波器電路板采用PCB高頻介質(zhì)板進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，并對(duì)電路板材介電常數(shù)、溫度系數(shù)、覆銅板的厚度均勻性以及線路板銅薄的寬度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

由于濾波器體積小，分布參數(shù)易受干擾，因此濾波器設(shè)計(jì)和制作過程要仔細(xì)選擇元件位置，增加屏蔽措施，提高抗干擾能力，攻克濾波器高阻帶衰減指標(biāo)。各元件按電路圖焊接在PCB電路板上，電容采用貼片0603封裝片式焊接，電感線圈采用硅膠固定，以免松動(dòng)[4]。濾波器管腳為插針與底角螺釘，金屬外殼封口用烙鐵焊錫封焊，封裝接口處要求光滑、無毛刺，確保能通過低氣壓檢漏法檢驗(yàn)[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，本文研制的LST-15M-5S晶體濾波器采用契比雪夫差接橋型三節(jié)六極點(diǎn)優(yōu)化電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用PCB板，元件采用5032貼片諧振器和貼片電容，最終達(dá)到了體積小、質(zhì)量輕且性能良好的指標(biāo)要求。該濾波器具有優(yōu)異的頻率選擇性和阻抗匹配性，能夠有效抑制噪聲和干擾，提高信號(hào)的接收質(zhì)量和傳輸穩(wěn)定性。同時(shí)，該濾波器還具有高可靠性和穩(wěn)定性，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，確保復(fù)雜電磁環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。在未來的應(yīng)用中，該晶體濾波器將具有廣闊的市場(chǎng)前景和較大的應(yīng)用潛力，可為推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步提供參考。