Пьезокерамические фильтры

Пьезокерамические фильтры обычно используются для реализации полосовых фильтров промежуточной частоты 455 или 465 кГц. Эти частоты наилучшим образом подходят для реализации супергетеродинных приемников. Название "дискретные" означает, что эти фильтры составлены из отдельных пьезокерамических резонаторов. Частоты 400 ... 500 кГц, оказались наиболее удобными для изготовления дешёвых, технологичных пьезокерамических фильтров. Их размеры оказались в десятки раз меньше, чем у LC фильтров сосредоточенной избирательности, а процесс изготовления более технологическим. При этом стоимость пьезокерамического фильтра значительно ниже стоимости кварцевого фильтра.

Пьезокерамические резонаторы, из которых строится фильтр, обычно выполняют в форме диска диаметром 5 ... 6 мм или квадрата со стороной около 5 мм. Характеристики фильтра полностью определяются от параметрами и количеством резонаторов. Внешний вид пьезоэлектрического резонатора не отличается от внешнего вида кварцевого резонатора, так как их принцип работы не отличается.

Рисунок 1. Внешний вид пьезоэлектрических резонаторов

Пьезокерамические фильтры, выпускаемые промышленностью, обычно выполняют по лестничной схеме. Эта схема наиболее просто и дёшево реализуется конструктивно. На рисунке 2 приведена схема двухзвенного лестничного пьезокерамического фильтра.

Рисунок 2. Принципиальная схема лестничного фильтра

При этом у резонаторов Z1 и Z3 используется частота последовательного резонанса, а у Z2 и Z4 — параллельного. Эквивалентная схема фильтра, приведенного на рисунке 2, показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Эквивалентная схема пьезокерамического фильтра

Таким образом данная схема фильтра обеспечивает наличие четырех полюсов амплитудно-частотной характеристики. Параллельные резонансы у резонаторов Z1,Z3 и последовательные резонансы резонаторов Z2, Z4 будут определять частоты нулей АЧХ. Степень связи между резонаторами будет определять вид амплитудно-частотной характеристики (Чебышева второго рода или Золотарева-Кауэра). Типовая амплитудно-частотная характеристика пьезокерамического фильтра приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Амплитудно-частотная характеристика фильтра ФП1П1-61-04-Х

Внешний вид этого фильтра приведен на рисунке 5. При этом имейте в виду, что на фотографии фильтры увеличены за счет макросъемки.

Рисунок 5. Фотография фильтров ФП1П1-61-04-Х

Подобным образом выглядят и пьезокерамические фильтры иностранных фирм. В некоторых образцах за счет применения квадратных резонаторов, упрощенный вид которого приведен на рисунке 1б, реализуется конструкция поверхностного монтажа. В качестве примера, на рисунке 6 приведен внешний вид пьезокерамических фильтров фирмы muRata.

Рисунок 6. Внешний вид пьезокерамических фильтров фирмы muRata

Процесс сборки пьезокерамического фильтра проиллюстрируем на примере фильтра ФП1П1-60. Последовательность сборки показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Процесс сборки фильтра ФП1П1-60

Фильтр реализован на семи резонаторах, при этом 4 резонатора включены параллельно, а три — последовательно. Принципиальная схема фильтра ФП1П1-60 приведена на рисунке 8а, а ее конструктивная реализация на рисунке 8б.

Рисунок 8. Схема электрическая принципиальная фильтра ФП1П1-60 (а) и его сборка (б)

Однако не следует забывать, что резонансы в данном виде фильтра происходят за счет механических колебаний, а они могут возникнуть (и возникают) и на более высоких частотах. Причем это не только гармоники основной частоты настройки фильтра. Пример амплитудно-частотной характеристики пьезокерамического фильтра частоты 450 кГц в широком диапазоне частот по данным фирмы muRata приведен на рисунке 9.

Рисунок 9. Амплитудно-частотная характеристика пьезокерамического фильтра 450 кГц

В качестве мер борьбы с всплесками амплитудно-частотной характеристики применяются:

1. Включение нескольких пьезокерамических фильтров друг за другом
2. Применение на входе и выходе согласующих ФНЧ LC фильтров
3. Применение контура, настроенного на промежуточную частоту (например, 450 кГц). Его конструктивная добротность не должна превышать значения Q = 40

Третий вариант наиболее предпочтителен. Эта схема приведена на рисунке 10.

Рисунок 10. Схема согласования пьезокерамического фильтра с выходом смесителя при помощи контура

Дата последнего обновления файла 06.01.2015

1. Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. — 12-е издание. М.: Додэка XXI, 2015. - 1784
2. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники: Пер. с англ. - 7-е издание. - М.: БИНОМ. - 2016. - 704 с.
3. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров: пер. с нем. — М.: Радио и связь, 1983.
4. Ханзел Г. Е. Справочник по расчету фильтров: пер. с англ. под ред. А.Е. Знаменского — М.: Сов. Радио, 1974.
5. Фрид Е. А., Азарх С. Х. Пьезокерамические фильтры — М.: Энергия, 1967.
6. Гейер А.Ф. Дискретные пьезокерамические фильтры
7. Пьезокерамические фильтры и резонаторы для радиоприемной аппаратуры и средств связи
8. Murata Manufacturing Ceramic Filters for Communications Equipment
9. SHENZHEN CRYSTAL TECHNOLOGY INDUSTRIAL CO.,LTD. Filters

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.