П`єзоелектричні фільтри

Фільтри в яких у якості елементів використовуються п`єзоелектричні резонатори (кварц або синтетичні кристали), характеризуються великою добротністю (від 104 до 106 ), високою стабільністю і малими розмірами. Характеристика загасання п`єзоелектричних фільтрів має велику крутизну скатів при дуже великому загасанні на частотах нескінченного загасання.

П`єзоелектричні фільтри використовуються в діапазоні частот від декількох сот герц до декількох десятків мегагерц.

Еквівалентна схема п`єзоелектричного резонатору (рис.6) може бути представлена послідовним коливальним контуром L1, C1 з опором втрат R, зашунтованим статичною ємністю С0 електродів і монтажу.

Рис.6. Еквівалентна схема кварцового резонатора: а – еквівалентна схема, б – залежність опору від частоти

Така еквівалентна схема має дві резонансі точки: точку резонанса послідовного контура:

,

і точку резонанса параллельного контура:

.

Ці резонансні частоти повязані співвідношенням:

При резонансі параллельного резонансного контура повний опір максимальний, при резонансі послідовного коливального контура – мінімальний.

В залежності від виду коливаннь і робочого діапазону еквівалентна індуктивність кварцевого резонатора має значення від 0,1 до 100 Гн, динамічна ємність С1 – від декількох сотих до декількох десятків пікофарад. Статична ємність С0 приблизно в 120-140 разів більше ємності С1.

На практиці використовують наступні конструкції п`єзоелектричних резонаторів (рис.7).

Рис.7. Конструкція найпростішого кварцового резонатора: 1 – корпус, 2 – пружина, 3 – електроди, 4 – п’єзопластини, 5 – металеве покриття

Електромеханічні фільтри

На даний час застосовуються у радіоприймальній та іншій апаратурі електромеханічні фільтри, які по вибірковості наближаються до п`єзоелектричних.

Електромеханічні фільтри відрізняються малими розмірами, відносно стабільні, у процессі роботи не вимагають регулювання і тому виконуються у герметичному закритому корпусі. Робочий діапазон температур цих фільтрів від -30 до +80. Легко виконувані розміри елементів радіочастотних електромеханічних фільтрів отримуються при використанні їх в області частот від 100кГц до 1 МГц. Розроблені спеціальні конструкції фільтрів для роботи у звуковому діапазоні частот.

Електромеханічні фільтри складаються з електромеханічних перетворювачів і механічних резонаторів. Добротність механічних резонаторів залежить від матеріалу. Так, наприклад, для резонаторів зі сталі вона дорівнює 2000-3000.

А при використанні алюмінія та його сплавів – досягає 6000-10000. Така висока добротність механічних резонаторів дає їм можливість виготовляти фільтри з гарною вибірковістю. Однак необхідно зазначити, що точність виготовлення механічних резонаторів повинна бути досить великою.

Існує багато конструкцій електромеханічних фільтрів. Дамо короткий опис лише тих, що використовуються у радіоелектронній апаратурі.

Полосові електромеханічні фільтри (рис.8) складаються з двох магнітострикційних резонаторів МР з нікелевих стержнів, зв’язаних з механічною системою, що складається з декількох паралельних дисків, зкріплених між собою трьома нікелевими проволоками, що виконують роль пружинок. Змінний струм, проходячи по обмотці першого резонатора, впливає на нікелевий стрижень, який в результаті магнітострикційного ефекту приходить в коливальний Рух. Його коливання передаються в перший диск, а потім через систему скріплюють провідків - другому, третьому і т.д. Коливання останнього диска викликають механічні коливання нікелевого стрижня, в результаті чого в його обмотці індукується ЕРС. Диски виготовляються з нікель-залізного сплаву, т коефіцієнт якого практично дорівнює нулю. Цей сплав дозволяє отримати більшу добротність близько 2000.

Рис.8. Смуговий електромеханічний фільтр

Електромеханічні фільтри виготовляються багатодисковими для розширення смуги пропускання і збільшення вибірковості, так як найпростіший однодисковий фільтр є вузькосмуговим. Застосовуючи різну кількість дисків, можна змінювати крутизну характеристики загасання. На рис.9 приведена конструкція семирезонаторного стрижневого фільтра, що складається з п'яти металевих півхвильових резонаторів 5 більшої добротності, з'єднаних зв'язками 4 завдовжки Л/8. Кінцеві феритові резонатори 3 є серцевиною магнітострекційних перетворювачів: збудливого коливання 2 і знімає їх 6. Постійні магніти 1 (магніти зсуву) усувають коливання з подвійною частотою і підвищують чутливості перетворювачів.

Рис.9. Механічна резонансна система фільтрів: а-стрижневого;

б-пластинчастого

Рис.10. Еквівалентна схема шести резонаторного електромеханічного фільтра

У цій схемі індуктивність Lд еквівалентна масі резонатора, ємність Сд - його пружності, ємність Ср - пружності зволікань, контур Lр, Ср є еквівалентною схемою магнітострикційного резонатора на резонансній частоті.

У розроблених конструкціях електромеханічних фільтрів неможливо регулювати ширину смуги пропускання зміною їх параметрів в процесі експлуатації. Тому ширина смуги пропускання змінюється перемиканням електромеханічних фільтрів, які часто монтуються безпосередньо на перемикачах апаратури.