7.16. Электромеханические фильтры

Электрические фильтры пропускают токи в определенной полосе частот. Токи с частотами, лежащими вне этой полосы, пропуска­ются с большим затуханием. Важнейшей характеристикой фильт­ров является избирательность. Она представляет собой зависимость затухания от частоты (см. рис. 7.35, б). Избирательность тем лучше, чем выше крутизна скатов характеристики затухания, больше зату­хание в полосе непропускания и меньше затухание в полосе про­пускания. Избирательность одно- или многозвенных LC-фильтров ограничивается их добротностью. Кроме удовлетворения требова­ниям по избирательности, фильтр должен обладать достаточной ста­бильностью параметров, механической прочностью, малой массой и др. Максимально удовлетворяют этим требованиям пьезоэлектри­ческие и электромеханические фильтры.

В пьезоэлектрических фильтрах в качестве колебательных эле­ментов применяются пластинки кварца, турмалина, титаната ба­рия, ниобата бария, свинца и других материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект может быть прямым и обратным. Если кубик пьезоэлектрика, например кварца (рис. 7.33), сжимать вдоль оси х или у_у то на его гранях, перпендикулярных оси х, возникают электрические заряды разных знаков. При растяжении кубика на гранях возникают заряды, зна­ки которых противоположны знакам зарядов, появляющихся при сжатии. Рассмотренный пьезоэффект называется прямым. Обратный пьезоэффект заключается в том, что пьезоэлектрик изменяет свои размеры (растягивается или сжимается), если к его граням приложить некоторую разность потенциалов. Прямой и обратный пьезоэффекты позволяют связать механические колебания пьезо-электриков с электрическими колебаниями. Если к пьезоэлементу (пластинка из пьезоэлектрика) приложить переменное напряжение, то в нем возникнут механические колебания. Вследствие этого вели­чина заряда на его поверхности будет изменяться. Скорость изме-

нения заряда по времени dq/dt = i_q характеризует пьезоэлектрический ток, протекающий через пластинку. Величина пьезоэлектри­ческого тока зависит от частоты приложенного напряжения. Если частота приложенного напряжения равна частоте собственных ме­ханических колебаний пьезоэлемента, то амплитуда пьезоэлектри­ческого тока достигает максимального значения.

.

Резонанс тока f_п возникает в параллельном контуре, образованном индуктивностью L и последовательным соединением конденсаторов С и С₀:

Эквивалентная схема пьезоэлемента (рис. 7.34, б) может быть представлена последовательным колебательным контуром с пара­метрами L, С и R, параллельно которому подключена емкость элект­родов и монтажа С₀. Последовательный контур (L,C и R) определя­ет частоту первого или основного резонанса пластины—резонанса напряжения (f_н)

. (7.43)

Частоты резонансов пьезоэлемента можно изменять, изменяя размеры пластины и величину С₀ путем выбора соотношения пло­щади пластины к ее толщине. Пьезоэлементы как резонаторы ха­рактеризуются высокой механической добротностью, а их основные параметры слабо зависят от внешних условий. Таким образом, они обладают высокими эталонными свойствами. Пьезоэлектрики при­меняются для стабилизации частоты генераторов (кварц), в пьезо­электрических преобразователях и фильтрах. Примерами являются восьмирезонаторные пьезоэлектрические фильтры типа ПФ1П, применяемые в приемниках с промежуточной частотой f_пч = 465 кГц.

Резонаторы этих фильтров выполнены из метаниобата бария-свинца (КНБС-47) и имеют форму дисков толщиной 0,5 ... 1 мм, диаметром 5,8 мм.

Для обеспечения необходимой избирательности и полосы про­пускания резонаторы соединяют в звенья (рис. 7.35, а). Фильтры ПФ1П выпускаются двух модификаций: ПФ1П-М с шириной полосы пропускания 7 ... 9,5 кГц и ПФ1П-2 с шириной полосы про­пускания 8,5 ... 12 кГц. Вносимое затухание в полосе пропуска­ния — менее 8 дБ.

Электромеханические фильтры (ЭМФ) (рис. 7.36) строятся по принципу электрических. В качестве колебательных контуров в них используются высокодобротные механические резонаторы 3, соединенные механическими связями 4. Такая система связанных резонаторов является фильтром механических колебаний. На вхо­де и выходе фильтров устанавливаются электромеханические пре­образователи 1. Преобразование электрических колебаний в механи­ческие на входе фильтра основано на использовании прямого эффек­та магнитострикции. Прямой магнитострикционный эффект заклю­чается в изменении размеров и формы ферромагнитных тел при на­магничивании. Магнитострикционными материалами Являются ни­кель, пермаллой, кобальт, железо, феррит кобальта, феррит нике­ля и др. Ферромагнетик, помещенный в продольное магнитное по­ле, удлиняется или укорачивается в направлении поля. Знак де­формации не зависит от направления магнитного поля, и, следова­тельно, магнитострикция является четной функцией напряжен­ности магнитного поля.

Магнитострикционный преобразователь 1 (рис. 7.36) выпол­няется в виде катушки, в которую помещается стержень из магнито- стрикционного материала. Если к катушке подвести электрические колебания, то в стержне благода­ря прямому магнитострикционному эффекту возникнут продольные механические колебания, которые с помощью механических связок передадутся резонаторам. Резо­наторы представляют собой полу­волновые разомкнутые на концах механические линии, выполнен­ные в виде дисков, пластинок, ци­линдриков или цилиндрических трубок, настроенные на определен­ную частоту. Добротность резона­торов может достигать нескольких тысяч, что обеспечивает высокую избирательность электромехани­ческих фильтров. Для повышения стабильности резонаторы изго­тавливают из материалов инварной группы (железоникелевых спла­вов) с малым ТКЛР. В выходном преобразователе используется об­ратный магнитострикционный эффект, который заключается в том, что при механическом воздействии на ферромагнетик, помещенный в магнитное поле, изменяется его намагниченность. Колебания по­следнего резонатора, выполненного из магнитострикционного мате­риала, индуцируют в катушке, расположенной на нем, э. д. с. По­стоянные магниты 2 создают начальную намагниченность В₀ для увеличения чувствительности преобразователя и для того, чтобы частота колебаний стержня совпадала с частотой электрических колебаний (рис. 7.37), так как при В₀ = 0 стержень будет коле­баться с удвоенной частотой электрических колебаний.

Для повышения эффективности преобразователя входной кон­тур настраивается конденсатором С в резонанс с частотой элект­рических колебаний, а стержень выполняется как механический резонатор.

Электромеханические фильтры изготовляются на частоты 30'... 500 кГц. Количество резонаторов определяется необходимой полосой пропускания и избирательностью. Для радиовещательных приемников применяются пятирезонаторные пластинчатые фильтры ЭМФП-5-465-6, ЭМФП-5-465-9 и ЭМФП-5-465-13. В обозначении фильтра указывается тип фильтра, количество резонаторов, средняя частота настройки и ширина полосы пропускания. ЭМФ имеют ма­лую массу и размеры; обладают трансформирующими свойствами; параметры их слабо зависят от нагрузки. Пьезоэлектрические фильтры имеют большую избирательность по сравнению с ЭФМ, но не обладают трансформирующими свойствами. Для согласования сопротивления пьезоэлектрического фильтра и преобразователя применяется дополнительный резонансный контур.

Пьезомеханические фильтры (ПМФ) сочетают свойства пьезо­электрических и электромеханических фильтров. Звенья этих фильт­ров состоят из двух пьезоэлектрических резонаторов, механически соединенных металлической или диэлектрической связкой.