Кварцевый фильтр что это
Кварцевые фильтры для трансиверов, приёмников и передатчиков.
В результате возник вариант, который показал неплохие результаты при многократном повторении. В качестве основного фильтра, работающего и на приём, и на передачу, применён шестикристальный лестничный фильтр из кварцев в корпусе Б1 (Рис.1).
Рис.1
Предусмотрено дополнительное сужение полосы пропускания фильтра в CW-режиме. Для этого параллельно крайним резонаторам реле подключают дополнительные конденсаторы. При этом характеристика фильтра искажается, верхний скат приближается к нижнему. Таким способом можно получить полосу пропускания 0,6. 0,7 кГц на кварцах с разносом частот параллельного и последовательного резонансов 10. 20 кГц. Если будут применены кварцы с более узким промежутком резонансов, можно надеяться на лучшие CW-характеристики.
Изготовление кварцевых фильтров имеет некоторые особенности. Вариант, когда для фильтра изготавливается печатная плата из стеклотекстолита, представляется мне далеко не лучшим. Опыт показывает, что при установке кварца в стеклотекстолит добротность резонаторов чаще всего падает, что влечёт за собой увеличение затухания в полосе прозрачности фильтра. Кроме того, под каждый стеклотекстолит приходится индивидуально подбирать ёмкости фильтра. Самый простой и не худший вариант — это спаять кварцы между собой корпусами. Паять нужно быстро, чтобы не нарушилась герметизация корпуса, и припой не попал внутрь. Весь монтаж можно произвести на ножках кварцев. Конденсаторы нужно применять малогабаритные, хорошего качества, с минимальным ТКЕ, керамические. В дальнейшем собранный фильтр припаивается к металлизации, оставленной на плате, и накрывается коробкой из лужёной жести, хотя на практике наличие или отсутствие экранирующей коробки ни по приборам, ни на слух обнаружить не удавалось.
Похожий лестничный SSB кварцевый фильтр на частоту 9100 кГц был применён разработчиком коротковолнового трансивера Урал-84 Анатолием Першиным. Правда данный фильтр является восьмикристальным, а вдогонку дополняется ещё одним четырёхкристальным с изменяемой полосой пропускания. Вот как это выглядит:
Фильтр ZQ1 имеет следующие параметры:
Полоса пропускания, кГц (на уровне —3 дБ). 2,3
Коэффициент прямоугольности. 1,8
Неравномерность в полосе пропускания, дБ, не более 1,5
Входное сопротивление. Ом. 270
Выходное сопротивление, Ом. 120
Если в фильтре ZQ1 будут использованы кварцевые резонаторы от радиостанции «Гранит» с частотами 9000…9150 кГц, то значения ёмкостей в схеме фильтра могут остаться без изменений.
В фильтре ZQ2 полоса пропускания может изменяться. В режиме SSB она равна 2,3 кГц, а в режиме CW, когда параллельно кварцевым резонаторам включены конденсаторы величиной 68 пФ, полоса пропускания сужается до 800 Гц.
Применение двух кварцевых фильтров ZQ1 с полосой пропускания 2,4 кГц и ZQ2 значительно улучшило подавление сигналов вне полосы «прозрачности» фильтров, которое достигло 100 дБ.
Кварцевые фильтры
При реализации частотных фильтров необходимо учитывать особенности их применения. Ранее мы уже рассмотрели, что активные фильтры (чаще всего активные RC фильтры) удобно применять для реализации относительно низкочастотных фильтров. Пассивные LC фильтры удобно применять в диапазоне частот от сотен килогерц до сотен мегагерц. Эти реализации фильтров достаточно удобны при изготовлении и в ряде случаев могут перестраиваться по частоте. Однако они обладают малой стабильностью параметров.
Значение сопротивления резисторов в фильтре не является постоянным. Оно меняется в зависимости от температуры, влажности или при старении элементов. То же самое можно сказать и про значение емкости конденсатора. В результате меняются частоты настройки полюсов фильтра и их добротности. Если есть нули коэффициента передачи фильтра, то их частоты настройки тоже меняются. В результате этих изменений фильтр меняет свою амплитудно-частотную характеристику. Про такой фильтр говорят, что он «разваливается»
Подобная ситуация происходит и с пассивными LC фильтрами. Правда в LC фильтрах зависимость частоты полюса или нуля меньше зависит от значения индуктивности и емкости. Эта зависимость пропорциональна корню квадратному в отличие от линейной зависимости в RC схемах. Поэтому LC схемы обладают большей стабильностью параметров (приблизительно 10 −3 ).
При применении некоторых мер (таких как применение конденсаторов с положительным и отрицательным ТКЕ, термостабилизация) стабильность параметров описанных фильтров можно улучшить на порядок. Тем не менее при создании современно аппаратуры этого недостаточно. Поэтому, начиная с 40-х годов XX века велись поиски более стабильных решений.
В процессе исследований выяснили, что механические колебания, особенно в вакууме обладают меньшими потерями. Были разработаны фильтры на музыкальных камертонах, струнах. Механические колебания возбуждались, а затем снимались катушками индуктивности при помощи магнитного поля. Однако данные конструкции оказались дорогими и громоздкими.
Затем преобразование электрической энергии в механические колебания стали делать при помощи магнитострикционного и пьезо эффектов. Это позволило снизить габариты и стоимость фильтров. В результате исследований выяснили, что наибольшей стабильностью частоты колебаний обладают пластинки кварцевых кристаллов. Кроме того, они обладают пьезоэффектом. В результате к настоящему времени кварцевые фильтры являются самым распространенным видом высококачественных фильтров. Внутренняя конструкция и внешний вид кварцевого резонатора приведены на рисунке 1.
Рисунок 1. Внутренняя конструкция и внешний вид кварцевого резонатора
Одиночные кварцевые резонаторы редко используются в кварцевых фильтрах. Такое решение используется обычно радиолюбителями. В настоящее время намного выгодней купить готовый кварцевый фильтр. Тем более, что на рынке обычно предлагаются фильтры на наиболее распространенные промежуточные частоты. Фирмы-производители кварцевых фильтров для сокращения габаритов используют другое решение. На одной кварцевой пластине напыляется две пары электродов, которые образуют два резонатора, связанные между собой акустически. Внешний вид кварцевой пластинки с подобной конструкцией и чертеж корпуса, куда она размещается приведен на рисунке 2.
Рисунок 2. Внешний вид кварцевой пластинки с двумя резонаторами, чертеж корпуса и внешний вид кварцевого фильтра
Подобное решение получило название кварцевой двойки. Простейший кварцевый фильтр состоит из одной двойки. Её условно-графическое обозначение приведено на рисунке 3.
Рисунок 3. Условно-графическое обозначение кварцевой двойки
Кварцевая двойка по электрическим параметрам эквивалентна схеме полосового фильтра с двумя связанными контурами, приведенной на рисунке 4.
Рисунок 4. Двухконтурная схема фильтра, эквивалентная кварцевой двойке
Отличие заключается в достижимой добротности контуров, и, следовательно, полосе пропускания фильтра. Выигрыш особенно заметен на высоких частотах (десятки мегагерц). Кварцевые фильтры четвертого порядка выполняются на двух двойках, связанных между собой при помощи конденсатора. Вход и выход этих двоек уже не эквивалентен, поэтому обозначается точкой. Схема данного фильтра приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Схема кварцевого фильтра четвертого порядка
Фильтры L1C1 и L2C3 как обычно предназначены для трансформации входного и выходного сопротивления и приведения их к стандартному значению. Подобным же образом строятся кварцевые фильтры восьмого порядка. Для их реализации используют четыре кварцевых двойки, но в отличие от предыдущего варианта фильтр выполняется в одном корпусе. Принципиальная схема подобного фильтра приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Принципиальная схема кварцевого фильтра восьмого порядка
Внутреннюю конструкцию кварцевого фильтра восьмого порядка можно изучить по фотографии фильтра со снятой крышкой, которая приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Внутренняя конструкция кварцевого фильтра восьмого порядка
На фотографии четко просматриваются четыре кварцевых двойки и три конденсатора поверхностного монтажа (SMD). Подобная конструкция используется во всех современных фильтрах, как проникающего, так и поверхностного монтажа. Ее применяют как отечественные, так и зарубежные производители кварцевых фильтров. Из отечественных производителей можно назвать ОАО «Морион», ООО НПП «Метеор-Курс» или группу предприятий Пьезо. В списке литературы приведены некоторые из зарубежных производителей кварцевых фильтров. Следует заметить, что приведенная на рисунке 7 конструкция легко реализуется и в корпусах поверхностного монтажа (SMD).
Как мы видим, сейчас нет проблем купить готовый кварцевый фильтр с минимальными размерами и по приемлемой цене. Их можно использовать для проектирования высококачественных приемников, передатчиков трансиверов или других видов радиооборудования. Для того, чтобы легче ориентироваться в типах предлагаемых на рынке кварцевых фильтров, приведем график типовых зависимостей амплитудно-частотной характеристики от числа резонаторов (полюсов), приведенную фирмой SHENZHEN CRYSTAL TECHNOLOGY INDUSTRIAL
Рисунок 8. Типовая форма АЧХ кварцевого фильтра в зависимости от числа полюсов
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьёй «Кварцевые фильтры» читают:
Кварцевый фильтр что это
Кварцевые фильтры КВ трансивера
Одной из основных задач при создании аппаратуры для любительской КВ и УКВ радиосвязи является селекция, которая решается с помощью различного рода фильтров. Получение высоких параметров фильтров требует применения высокодобротных элементов. Такими элементами служат магнитострикционные диски в электромеханических фильтрах и кварцевые резонаторы в пьезоэлектрических фильтрах. В радиолюбительской практике широкое распространение получили квазиполиноминальные лестничные кварцевые фильтры на одинаковых резонаторах.
Все полосовые фильтры строятся на основании преобразований фильтров НЧ прототипов. Полиноминальные фильтры содержат последовательные и параллельные контуры. Такие фильтры имеют геометрически симметричные характеристики относительно средней частоты. Но при проектировании в ряде случаев (узкая полоса, высокие частоты и др.) не очень удобны с точки зрения конструирования, изготовления и настройки из-за значительной разницы величин элементов последовательных и параллельных контуров. Для достаточно узкополосных фильтров соотношение значений индуктивностей и емкостей в параллельных и последовательных плечах настолько велико, что величины элементов становятся неприемлемыми. Поэтому полосовые фильтры часто реализуются в виде схем, состоящих из только последовательных или параллельных контуров, связанных между собой индуктивными или емкостными связями. Ярким примером могут служить фильтры сосредоточенной селекции – ФСС на связанных контурах и лестничные кварцевые фильтры. Характеристики затухания полосового фильтра на связанных контурах при относительной полосе пропускания, не превышающей 10-20% от средней частоты фильтра, может быть весьма близкой к характеристике затухания полиноминального полосового фильтра с тем же числом колебательных контуров. Расчет таких фильтров может производиться с помощью таблиц [7] полиноминальных НЧ прототипов. Поэтому эти фильтры именуются квазиполиноминальными.
Но не только за рубежом уделялось внимание кварцевым фильтрам. В. Жалнераускас опубликовал на страницах журнала «Радио» цикл статей [3], в которых осветил новые, нераскрытые его предшественниками, страницы в теории и практике изготовления кварцевых фильтров. Достойное внимание уделили этой теме Бунин С. Г. и Яйленко Л. П. в [6]. «Справочник радиолюбителя-коротковолновика» украинского дуэта, «широко известного в узких кругах», печатался многотысячными тиражами.
C момента выхода в свет указанных выше трудов прогресс, а вместе с ним компьютерные и информационные технологии, глубоко проникли во все области деятельности человека. Не обошли они стороной и радиолюбительское движение. Компьютеры всё больше и больше находят применение в любительской радиосвязи и конструировании. Многие радиолюбители стали применять компьютеры в решении вопросов, связанных с расчётом и проектированием кварцевых фильтров.
Использование компьютерных программ позволяет быстро и качественно выполнить большой объём математических вычислений, провести анализ результатов и выбрать наиболее приемлемый вариант. В Интернете на сайтах, посвящённых любительской радиосвязи можно найти до десятка различных программ по расчёту лестничных кварцевых фильтров. Но в основном эти программы рассчитывают только величины конденсаторов связи и входных сопротивлений проектируемых фильтров. Кроме этого упомянутые программы имеют довольно большую погрешность в результатах расчётов, в некоторых случаях доходящую до 50%. Эта погрешность обусловлена наличием в эквивалентной схеме замещения кварцевого резонатора C s и Rd (Рис. 1), никак не участвующих в расчётах при использовании упомянутых программ.
При расчёте электрических цепей кварцевый резонатор, согласно [5] стр. 39, может быть заменён эквивалентной схемой замещения (рис. 1) с соответствующими параметрами.
Кварцевые фильтры
Пьезоэлектрические кварцевые фильтры
по материалам компании-производителя Метеор-курс
Кварцевые фильтры — это фильтры, которые изготавливаются на основе кварцевых резонаторов и относятся к приборам селекторной частоты. Пьезоэлектрические кварцевые фильтры имеют более высокую крутизну частотной характеристики затухания, большее затухание в полосе задерживания и большую стабильность своих характеристик и работы.
Кварцевые фильтры используют для получения значительно больших характеристик добротности и других требуемых показателей приборов. Пьезоэлектрические фильтры относят к приборам селекции, которые служат для выделения или подавления нужного спектра колебаний. Кварцевые фильтры обеспечивают очень большие добротности на высоких частотах.
Прототипом большинства кварцевых пьезоэлектрических фильтров, которые применяются в современной аппаратуре, является мостовой симметричный четырёхполюсник. Он предназначен для выделения из состава сложного электрического колебания частотных составляющих, расположенных в заданной полосе, а также для подавления тех составляющих, которые расположены в других полосах частот. Указанные полосы называют полосой пропускания и полосой задерживания.
Кварцевые фильтры получили широкое применение в профессиональной радиоаппаратуре для построения главных трактов приема, усилителей промежуточной частоты, синтезаторов частоты, трансиверов, приемников эталонных частот и других устройствах.
Классификация по расположению полосы пропускания
По расположению полосы пропускания на шкале частот различают следующие фильтры:
В пределах полосы пропускания показатель затухания кварцевого фильтра бывает монотонным, равноволновым либо близким к равноволновому. Это определяется методом расчёта и точностью изготовления и формой пластин кварца. В пределах полосы задержания характеристика затухания монотонно возрастает или же может иметь определенное количество всплесков затухания.
Классификация по схемам построения
Исходя из требований, предъявляемых к кварцевому фильтру, используют следующие типовые схемы их построения:
Простые мостовые схемы построения кварцевых фильтров обладают избыточным числом элементов. Как правило, от мостовой схемы переходят к эквивалентной с трансформатором, имеющим отвод от середины вторичной обмотки. Такой трансформатор получил название дифференциальный.
Дифференциальный трансформатор вводят в схему фильтра с целью экономии резонаторов. Фактическая схема замещения дифференциального трансформатора включает в себя индуктивность холостого хода, а также индуктивность рассеяния. Индуктивность холостого хода оказывает большое влияние на характеристики кварцевых фильтров. Компенсируют это включением параллельно первичной обмотке трансформатора дополнительной ёмкости, которая образует с указанной индуктивностью параллельный колебательный контур.
Фильтры лестничной структуры
Широкое распространение нашли кварцевые фильтры лестничной структуры. Их разделяют на три типа:
Область применения
Полосовые кварцевые фильтры применяются в различных радиотехнических устройствах: фильтры применяются для подавления гармоник за пределами разрешенной полосы частот на выходе и для выделения нужной гармоники при умножении частоты.
В синтезаторах частот полосовые кварцевые пьезоэлектрические фильтры применяют для получения нужной комбинационной частоты.
В радиоприемной аппаратуре полосные фильтры используют как элемент преселектора в качестве входной цепи и нагрузки усилителя высокой частоты.
Полосовые фильтры используются и как резонансные нагрузки в высокочастотной части диапазона, особенно широко — в диапазоне СВЧ.
Основной характеристикой полосного фильтра является зависимость степени уменьшения амплитуды сигнала от частоты, которая называется частотной характеристикой затухания. Применение этих фильтров во входных цепях и УПЧ приемников обеспечивает малое затухание сигнала, малую неравномерность характеристики затухания в полосе пропускания, небольшой уровень шума.
Широкополосные и среднеполосные кварцевые фильтры используются для канальной или групповой селекции сигналов и частотных элементов, перестраиваемых по частоте и полосе.
Полосовые кварцевые фильтры зачастую реализуются в виде схем, состоящих из только последовательных или только параллельных контуров, связанных между собой индуктивными или емкостными связями, например — фильтры сосредоточенной селекции на связанных контурах и лестничные кварцевые фильтры.
Кварцевые фильтры одной боковой полосы предназначены для выделения верхней или нижней боковой полосы спектра частот модулированного сигнала.
Дискриминаторные пьезоэлектрические кварцевые фильтры позволяют получить на выходе постоянное напряжение, которое может меняться по уровню и знаку в зависимости от частоты входного переменного напряжения.
Однослойные и многослойные кварцевые фильтры
Также пьезоэлектрические фильтры классифицируют на однослойные и многослойные. Однослойные кварцевые фильтры имеют гальваническую связь. Они изготавливаются, как правило, на частоты от 3 до 30 кГц.
Монолитные кварцевые фильтры построены на акустической связи между точечными резонаторами, установленными на пьезоэлектрической подложке. Монолитные фильтры изготавливают на частоты от 2 до 150 кГц.
Требования к электрическим характеристикам пьезоэлектрических фильтров задаются в виде допустимых пределов изменения этих характеристик.
Существующие на данный момент кварцевые фильтры часто бывают выполнены на базе традиционных пассивных схем, которые представляют собой различные комбинации резонаторов, трансформаторов, катушек индуктивности и конденсаторов.
В схемах же активных кварцевых фильтров сопротивления резисторов определяются и шириной полосы пропускания фильтра, и параметрами резонаторов, важнейшим из которых является динамическая индуктивность, параметры которой зависят от частоты.
Для того, чтобы осуществить правильный выбор конкретной модели фильтра, необходимо четко понимать физику работы кварцевых фильтров. Наибольшее распространение получили фильтры, выполненные на кварцевых «двойках». В кварцевой двойке на одной пластине кварцевого кристалла расположено два резонатора, которые связаны между собой при помощи акустической связи.