книги из ГПНТБ / Симонов Ю.Л. Усилители промежуточной частоты

6.5. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ СОСРЕДОТОЧЕННОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ

Резонаторы пьезоэлектрических фильтров изготовля­ ются из кристаллов природного или синтетического квар­

емкости конденсатора, образованной между электрода­ ми (рис. 6.9).

Пьезоэлектрические резонаторы отличаются весьма малым затуханием (порядка ІО-4—ІО-6), высокой ста­ бильностью параметров и изготовляются для частот от сотен герц до десятков мегагерц.

Как следует из эквивалентной схемы (рис. 6.9) резо­

натор имеет резонансные частоты: fIIC= l/2itj/LC — по­

следовательного и /цР = fnc V I + СI С0 — параллельного резонансов.

На пьезоэлектрических резонаторах могут быть со­ зданы весьма эффективные ФСИ. Анализ схем, содержа­ щих пьезоэлектрические резонаторы, сводится к анализу чисто электрических цепей путем замены пьезоэлектри­ ческого резонатора его схемой замещения. После этого пьезоэлектрический фильтр превращается в обычную электрическую цепь, к которой целиком применимы тео­ рия четырехполюсника и обычные приемы анализа и син­ теза фильтров.

Изложение основ теории и расчета пьезоэлектриче­ ских ФСИ выходит за рамки настоящей книги и являет­ ся предметом ряда опубликованных книг и статей [10 и библиография в ней]. Ограничимся рассмотрением не­ скольких схем фильтров.

212

Примером простейшего пьезокерамического ФСИ мо­ жет служить кварцевый фильтр (рис. 6.10), предназна­ ченный для обеспечения очень узкой полосы пропуска­ ния. Основной деталью такого фильтра является квар-‘ цевый резонатор КВ, эквивалентный последовательному колебательному контуру с весьма высокой доброт-

8)

Рис. 6.10. Узкополосный пьезоэлектрический фильтр:

а — принципиальная схема; б — эквивалентная схема; в — частотная характе­ ристика фильтра.

костью. Для создания фильтра используют резкое умень­ шение сопротивления кварцевого фильтра в узкой поло­ се в окрестности резонансной частоты. С целью умень­ шения влияния емкости кварцедержателя кварцевый фильтр выполняется в виде мостовой схемы, образован­ ной конденсаторами С2, Сн и емкостью кварцедержателя Со. Входное напряжение сигнала с катушки L2 подво­ дится к одной диагонали моста, выходное напряжение снимается со второй диагонали. Баланс мостовой схемы имеет место на частоте подавления /ш на которой полное

213

сопротивление кварца имеет емкостный характер. При этом напряжение на выходе фильтра равно нулю. Для других частот баланс моста нарушается и на выходе фильтра появляется напряжение. Оно достигает макси­ мума на резонансной частоте кварцевого резонатора

435 455 475 495 /сгц

Рис. 6.11. Кривая избирательности 8-ррзонаторного пьезоэлектриче­ ского ФСИ.

fp = /o = fnc- Изменение емкости Сн не влияет на частоту [пс, но сильно изменяет частоту подавления fn. Узкопо­ лосный кварцевый ФСИ переключателем П переводится в двухконтурный полосовой фильтр.

214

На рис. 6.11 показана схема и характеристика изби­ рательности 8-резонаторного фильтра типа ПФ1П из ма­ териала КНБС-47 (твердые растворы метаииобатов свин­ ца и бария), имеющих форму дисков толщиной 0,5—• 1 мм, диаметром 5,8 мм.

Основные характеристики двух типов фильтров при­ ведены в табл. 6.4 [19].

Для согласования фильтра с преобразователем часто­ ты и УПЧ удобно использовать колебательные контуры (см. рис. 6.3,в). Коэффициент усиления преобразователя частоты по промежуточной частоте вычисляется по фор­ муле (6.16).

6.6. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ

Принцип действия электромеханического фильтра (ЭМФ) основан на использовании резонанса механиче­ ских колебаний для фильтрации радиотехнических сиг­ налов. Главным в ЭМФ является весьма малое затуха-

Л р ео б р а зо ва т ель част от ы

Фильтрующая система

Рис. 6.12. Принципиальная схема электромеханического фильтра (ЭМФ).

ние механических резонаторов (до ІО-5), а также малые габариты и вес. Из-за технологических ограничений в настоящее время ЭМФ изготовляются на частоты ниже 1 Мгц.

Схематическое устройство ЭМФ показано на рис. 6.12.

215

соединений механических резонаторов, И выходной магнитострикционный преобразователь механических коле­ баний в электрические 2. Оба магнитострикционных пре­ образователя имеют идентичное устройство. Катушки Li, L% охватывают сердечник 3 с большим коэффициен­ том магнитострикции (никель, сплав, К-65, ферриты) и помещены в поле постоянного магнита, обеспечивающего

необходимое смещение для получения линейного пре­ образования при макси­ мальной эффективности магнитострикционного преоб­ разования.

Механические колебания входного сердечника преоб­ разователя передаются по цепи механических резисто­ ров 5, соединенных связками 6, на сердечник выходного магнитострикционного пре­ образователя. В процессе пе­ редачи колебаний в филь­ трующей системе обеспечи­ вается весьма эффективная частотная избирательность.

Типичная характеристика избирательности ЭМФ пока­ зана на рис. 6.13.

На выходе фильтра происходит преобразование энер­ гии механических колебаний в энергию электрических колебаний, которые с катушки L2 поступают на вход первого каскада УПЧ.

Резонаторы ЭМФ могут использовать механические колебания различных видов: продольные, крутильные, колебания сдвига. Резонаторы и связки изготовляются из специальных сплавов, обеспечивающих высокую ста­ бильность их параметров.

Электрически ЭМФ эквивалентен многозвенному LCфильтру с очень малыми собственными затуханиями, что обеспечивает форму кривой избирательности, близкую к идеальной прямоугольной. Количество звеньев ЭМФ равно числу резонаторов, включая сердечники магнито­

216

Последние из-за потерь в сердечнике магнитострикционных преобразователей имеют сравнительно большое за­ тухание (порядка 0,1—0,2), что допускает часто полное включение контуров. Коэффициент усиления преобразо­ вателя частоты с ЭМФ по промежуточной частоте вы­ числяется по формуле (6.6). Параметры нескольких ти­ пов ЭМФ, выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 6.5 [19].

6.7. ПЬЕЗОМЕХАНИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ СОСРЕДОТОЧЕННОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ

Звено пьезомеханического фильтра (ПМФ) состоит из двух пьезоэлектрических 1 резонаторов, соединенных механической связкой 2 рис. 6.14,а. Резонаторы изготов­ ляются в виде дисков из пьезокерамики ЦТС-60в (тита- нат-цирконат свинца). Эквивалентная схема звена ПМФ

?17

показана на рис. 6.14,6 [19], где С0, С, L, г — динамиче­ ские и статические емкости, индуктивности и сопротив­ ления пьезоэлектрических резонаторов; Т-образный че­ тырехполюсник (zi, z% Zi) является электрической схе­ мой замещения связки. Сопротивления z\, Z2 определя­ ются механическими свойствами связки и ее размерами.

Рис. 6.14. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы.

Характеристика избирательности ПМФ сходна с ана­ логичной характеристикой ЭМФ (см. рис. 6.13). Пара­ метры четырех типов ПМФ, выпускаемых промышлен­ ностью, приведены в табл. 6.6 [19].

Таблица 6.6

218

ПМФ, так же как и пьезоэлектрический фильтр, не обладает трансформирующими свойствами. Для согла­ сования с преобразователем частоты и первым каскадом УПЧ применяются методы, рассмотренные в § 6.2. Ко­ эффициент усиления по напряжению преобразователя частоты на промежуточной частоте вычисляется по фор­ мулам (6.6) или (6.10).

6.8.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ПРИМЕР РАСЧЕТА УПЧ

СМНОГОЗВЕННЫМ ІС-ФИЛЬТРОМ

Принимаем ФСИ на звеньях типа 4 с характеристическим сопро­ тивлением р = 20 ком.

Расчет

1. Проверка целесообразности применения ФСИ

rf< ^ = 465ib r 0’0152> 0*004-

Применение ФСИ целесообразно.

2. Вычисление вспомогательных величин

3. По графику на рис. 6.15,а находим затухание одного звена

0і=—10 <36.

4. Необходимое количество звеньев

— 4 5

<Ѵ= —10= 4,5.

Принимаем А1=5. Принципиальная схема ФСИ показана на рис. 6.4,6.

219

Рис. 6.15. Графики для расчета параметров многозвенного ФСИ на звеньях типа 4:

220