机械滤波器知识.doc

国 外 机 械 滤 波 器 的 简 介一九四七年阿德来在美国“电子学”杂志上发表了矩形片状机械滤波器以来，由于它具有一般滤波器不及的优点，因此得到各国有关人员重视。4952年四年发展很快，53年在美国就有商品问世。美国、日本、西德、苏联等国都先后公布了自己的机械滤波器有关资料和样品。用得最多的是在100600KHz频段的中频带通滤波器，因为56年起晶体及频率综合技术的发展，解决了单边带通信的根本问题，使单边带通信技术迅速发展。这样，对中频带通滤波器提出了高的要求。人们认为，在这个频段里机械滤波器有着比晶体滤波器的优越性，甚至有人说机械滤波器在接收机中“出尽了风头”。与此同时其他无线电、有线电通讯设备、测量仪器、遥控遥测中都广泛地使用，对减小这些设备的体积、提高性能起到了相当重要的作用。一、几个国家的机械滤波器的特点1.美国有代表性的，一家是无线电公司主要生产圆棒纵振和圆棒扭振机械滤波器，换能器采用磁致伸缩金属丝或磁致伸缩铁氧体。另一家是柯林公司他生产圆盘弯曲振动机械滤波器、换能器采用磁致伸缩镍金属丝。这两家公司制作的机械滤波器加工都比较精细，性能比较高，使用温度范围比较宽。一般地说，滤波器使用温度范围在4085频率温度系数为2106/。换能器频率温度系数在2105/左右。他们都不太轻易使用压电换能器，近来也在一些产品中采用压电换能器，但是相当谨慎的。2.西德 以德律风振为例主要生产扭振棒状机械滤波器，换能器常用铁氧体换能或压电换能，其他形式换能也有。3.日本除中频滤波器外，低频机械滤波器形式很多，而且随时发表新结构，应用范围也很广。但无论那种形式的机械滤波器几乎都采用压电换能。总的来看，零件制作都较粗糙，使用温度范围都较窄，频率温度系数较大。一般使用温度在1060或更窄些，频率温度系数5106/左右，甚至更差些。换能器用的压电陶瓷的频率温度系数为50105/。二、在多路载波机中使用的话路机械滤波器由于载波通信技术的发展，近年来不少国家对载波调制方式进行了改变，随之而改变的是话路滤波器。这里只介绍一下比较成熟的几种话路机械滤波器。1.一次调制方案用的话路机械滤波器这种方案是在60108KHz频段内，每隔4KHz一种，共用十二种机械滤波器来完成一次调制。美国是用如图1所示的磁致伸缩换能的圆盘弯曲振动机械滤波器来完成；日本是用如图2所示的压电换能的纵振折迭式机械滤波器来完成；苏联是用如图3所示的磁致伸缩铁氧体换能的扭振棒状哑铃型机械滤波器来完成。上述各国中同时示出了它们的特性，从有关资料可知，它们都能满足各自的载波通路特性要求。就制作工艺来看，日本纵振折迭式机械滤波器，结构简单，对零件加工精度要求不高，制造容易，适宜大批生产，但体积和重量较美国和苏联的两种大。美国的圆盘机械滤波器结构较复杂，在60108KHz频段内，圆盘振子值量较大，用细丝耦合机械强度较差。苏联扭振棒状哑铃型机械滤波器之哑铃型振子形状较复杂，加工相当困难，如果说要适应话路滤波器成千上万甚至更大量的要求也许是很不适应的。图1(a)图1(b)2.预调制方案的话路机械滤波器西德提出了一种以图4a所示的50KHz机械滤波器来完成的预先调制方案。这个滤波器为圆棒弯曲振动纵耦合的机械滤波器。图4b为多路载波机中使用的两个话路盘，上为65年使用LC滤波器完成的话路盘，下为70年开始使用该机械滤波器完成的话路盘。其特性如图4c所示，它能满意地达到CCTTT1/20。由于这种机械滤波器频率低，对于加工制作要求不高，再加之它用在话路的品种单一，这为话路滤波器大用量的自动化生产创造了条件。就滤波器而言，这种型式是大有可取之处，至于在我国是否采用预先调制方案，希整机制式有关同志考虑。上述这些话路机械滤波器样品及特性，仅为我们摘录的一部分，可以看出各国对机械滤波器使用在载波话路的研究是极为重视的，并研制生产了满足自己要求的话路机械滤波器。但这些机械滤波器的群延失真都比较大，一般在0.5mS左右（600Hz3000Hz），对于满足高速数传的要求，也许是值得进一步探讨得问题。美国最近提出了以圆盘桥接型机械滤波器用内部延时均衡来减少群延时失真，其实验水平能把群延时失真降低到37S，这样便能满意地解决高速数传对载波信道的要求。图 3图4a 扭振50KHz时的机械通路滤波器之不同结构形式上 衰减极的机械滤波器中 无线圈滤波器下 电气终端回路无衰减极的滤波器图4b 通路搬移设备图4c 50KHz机械通路滤波器，通带范围工作衰耗的温度特性主要参考资料（1） 电子技术译丛，南京有限电厂72年第1期（2） 一种单边带盘线型机械滤波器，IEEE Transactions ON COMPONENT PARTS 1964 No.4（3） 新式单边带机械滤波器，上海408信箱，译自1970 Wescon Technical papaers.（4） 电机械滤波器的通路设备，Siemens-Zeieschrift 1972.3.注：此论文发表在1972年3月通讯兵部在南京召开的机械滤波器座谈会，刊登在“机械滤波器座谈会交流资料汇编”。关 于 话 路 机 械 滤 波 器 的 介 绍向 天 明机械滤波器具有体积小、重量轻、耐振动冲击、高稳定性、陡峭的频率衰耗特性等优点。用作载波话路60108KHz频段的纵振折迭式机械滤波器除有上述优点外，与一般常用的1224KHz频段的LC话路滤波器相比，它可以省去前群调制，一次调到基频谱，对载波机来说省掉了不少放大器、调制器、滤波器，同时提高了整机串杂音水平。因此说，话路机械滤波器用在载波多路通信中具有极为重要的意义。由于上述原因，我厂六六年开始试制了纵振折迭式机械滤波器（以下简称机械滤波器）。在各兄弟单位的大力支持和协助下，不断摸索，由样品的制取，发展到目前批量生产，初步建立了一条生产线。按照会议要求，现将我们在试制、生产中的一些情况作一介绍，由于我厂生产机械滤波器经验不足，有不当之处，请同志们批评指正。有关机械滤波器的原理和设计已有其他单位介绍，这里不重复。一、 机械滤波器的主要技术要求1. 通带频率衰耗特性见表1：表 1频率KHz)fc-(0.30.4)fc-(0.40.6)fc-(0.62.4)fc-(2.43)fc-(33.4)衰耗（N）+0.15-0.05+0.07-0.05+0.05-0.05+0.07-0.05+0.15-0.052阻带防卫度见表2：表 2频率（KHz）fcfc+0.3fc+0.6fc-4fc-4.3fc-4.6衰耗（N）3N6.57.54N6.57.53.阻抗75。4.应经受下列环境试验满足上述技术要求：1）使用温度范围：+5+452）高温高湿试验：温度+32，相对湿度98（48小时）3）振动试验：频率30Hz，振幅0.8mm，三方向，每方向40分钟4）冲击试验：冲击加速度7g，速率60次/分，三方向，每方向各5分钟。机械滤波器的温度特性见图1。图1 机械滤波器的温度特性二、在试制和生产中遇到的几个问题1. 机械滤波器的长期稳定性：据我们所知，电气元件的长期稳定性，还没有一个什么仪表或设备能直接测试。国外在机械滤波器资料中曾介绍他们的产品一年、十年变化的情况，但并未给出试验依据及有关说明，估计是从短期变化中推出长期变化的曲线。即是这样，它对测试设备要求也相当高。话路滤波器要求比较高，特别是过渡带只有300Hz。载频点防卫度达3N以上，通带波动在0.05N。目前我们使用的测试设备精度较差，频率精度为2Hz。电平表最小指示刻度为0.05N，这给稳定性试验带来相当大的困难。对于稳定性的试验主要寄托于放置一定时间，对滤波器性能进行观察。在过去的生产过程中这个问题比较突出的。如两次整机线路试验中发现有滤波器特性变坏；在生产机盘和整机时有部分滤波器特性变坏而返修（12）；在生产滤波器过程中，初调好特性经装配，烘4024小时，或复测盖盒等工序往往有1030特性变坏。我们也曾利用返修机会检查过几批产品。如七0年一月产品用机械滤波器至七一年有23不合格，七一年二月生产的到四月复测有5不合格；七0年六月生产到七一年三月复测有2882不合格（各品种不合格率由差异）。上述这些不合格的滤波器主要表现在通带波动变化大，特别是6002400Hz超过0.05N要求。对这些性能不稳定的滤波器我们进行了分析。其中主要原因是由于工艺操作不当（如虚焊、漏焊、振子碰壳等）和机械滤波器本身的老化所致。就进机械滤波器本身来说，换能器、电感、电容的老化是极为重要的因素。现将我们对老化问题的考虑介绍如下： 1）换能器的老化从机械滤波器原理可知，换能器的两电气端与三元件匹配半节的II端匹配地联接，如果说换能器的参数发生变化（如换能器谐振频率?。，机电耦合系数Kp，静电容C。），则匹配受到破坏，这将直接使滤波器通带波动变坏。就换能器的谐振频率?。而言，变化约80Hz，将使通带波动变化0.01N。换能器是由两个镍铬鈦合金棒（Ni42CrTi）和夹在中间的压电陶瓷用高频焊接而成，它的稳定性主要取决于性能不够稳定的压电陶瓷。压电陶瓷的时间老化性能差，同时受热冲击后性能变化大，造成短期不稳定。为此采用了如下措施。a) 在制作过程中（瓷片、沾锡、换能器高频焊接、频率调试），尽量减少热冲击机会；换能器焊在机械系统上时，如温度过高马上侵入冷水中。b) 采用人工老化工艺压电陶瓷单片经12048小时老化；作为换能器后先经8048小时老化，然后经-40（2小时）常温（2小时以上）80（6小时）常温（2小时以上）三次循环老化；换能器调试频率完毕放置二星期以上方能使用。c) 将原102焊锡改为138焊锡，配方于表3所示。这样可以提高抗热冲击能力。同时提高了换能器的工作温度。表 3 成分焊锡熔点CdSnBi换能器工作温度10213820.225.94353.95760802）电感老化：为了提高电感的老化性能，铁芯烧结后应放置半年以上方允许使用。由于考虑到滤波器的非线性失真，将GU14铁芯常用气隙0.17mm改为1.2mm，对电感老化性能也有所提高。3） 电容器的稳定性：聚苯乙烯电容的时间老化特性有待于进一步研究，从目前来看能保证3。电容在低电平开路问题仍然存在。从1200只机械滤波器返修中有5只电容开路。均是铝箔点焊工艺问题所致，严重影响了机械滤波器电性能的可靠。4）机械滤波器的老化：为了消除由于机械系统在机械加工时受到的应力及加热过程中受到的热应力对滤波器特性的影响，进一步提高换能器、电感、电容的老化性能，装配复测好的机械滤波器放置一个月后，测试合格方能交货。通过上述老化措施，稳定性有较大的提高。滤波器经10个月以上自然老化6002400Hz内通带波动变化约为0.010.02N。用以上老化工艺，共1200只返修的滤波器存放六个月后有26只不合格，其中5只通带频率特性超过0.05N，5只因电容在低电平开路使滤波器性能变劣，其余大都因为装配、焊接不当所造成。2.阻抗：图2是6064KHz机械滤波器的阻抗特性。表4是它各点的阻抗值。可见，它的阻抗为我们预定的定K型阻抗。由于该滤波器机械Q值高，内部反射强烈，电气匹配半节衰耗值又较小，故通带阻抗变化较大，一般反射衰耗小于20，个别点（13点）达25甚至30。为了解决这一问题，机械滤波器与调制器相移采用0.30.7N的缓冲衰耗器，与汇集放大器相移时，放大器用低内阻35。目前整机使用能满足要求。 图 2 机械滤波器阻抗特性 3.非线性失真：过去生产的机械滤波器非线性失真较大，影响整机忙时串杂音，将原GU-14铁芯气隙0.17mm改为1.2mm得到消除。4.阻带内寄生峰的抑制：机械滤波器阻带某频率点出现衰耗激烈下降，严重点达4.8N。据分析是由于谐振纵振栋以外的其他振动所致（称为寄生振动）。抑制寄生峰的方法很多，我们是选取适当的振子直径和长度，将阻带寄生提高到6N以上。5.群延时失真：由于高速数传对载波话路的群延失真提出了高的要求，清华大学同志已作了详细介绍。图3是机械滤波器，LC滤波器群延时特性，其中“LC”是我厂生产的LC话路滤波器二只对测特性，“MF”是我厂生产的机械滤波器二只对测特性。图4是523厂生产的陶瓷话路滤波器群延时特性。我厂测试仪器误差较大，从这粗略的测试可以看出，在话路6003000Hz内，LC滤波器群延时失真约为0.32ms。机械滤波器约为0.52ms，陶瓷滤波器约为0.7ms。这三种滤波器的群延时失真都较大，不能满足高速数传要求。我们曾对某产品的机械滤波器话路作过2400波特四次转接的数传试验，未发现误码现象。估计更多次转接或更高速数传试验会出现问题。在我们测试的这些滤波器群延失真大的原因，是因为设计都采用最小相移网路。怎样改善机械滤波器的群延时失真，是今后探讨的课题。就目前来说，也许只能在信道内采用其他措施来满足高速数传的要求。表 4F(KHz)R()Z()Z()F(KHz)R()Z()Z()52566060.21460.55760.65660.81460.95861.13961.22461.39061.95461.70961.942 6 710.614.667.611.262.686.5737672.277.673.8112-392-219-178-16.1-25.1-9.8-16-21.3-18-17-14-13.2-7.7-10.739221920.715.872.111364689757874797411262.21062.39662.69062.78963.02663.44463.8136464.3446566687272.69267696087331118.157.37.27.139.6-11-14.6-13.3-11.6-21+44-202-47+8+51+97+172+30773946870608738748.411.451.597.5172.5307.5注：“+”表示感抗，“”表示容抗。 图3 MF、LC话路滤波器的群延时特性图4 陶瓷话路滤波器群延时特性 三、材料选择及工艺方面的几个问题 1.振子材料：目前我厂振子、耦合子材料为上海钢铁研究所3J53，3J58及大连钢厂3J53镍铬钛合金，主要技术要求如下：1）弹性模量：E18500kg/mm22）频率温度系数：5106/(-1050)3）品质因数：Q10000上述两厂家生产的两种牌号的镍铬钛合金，都是利用该材料的弹性反常现象，通过适当的真空热处理来获得小的频率温度系数。为了保证上述指标3J53材料热处理为6302小时，3J58为6802小时，就目前来说在使用中还存在以下几个问题：1） 频率温度系数随热处理温度变化较大。希望材料能在一定温度范围内热处 理满足技术要求。比如15。2）弹性模量变化范围较大（18500021000kg/mm2）。因此，振子长度应随之更改，这对大批生产带来很大困难，希望今后能控制在200kg/mm2范围内。3）Q值是直接影响到滤波器特性的参数，供方在生产该材料时应对Q值进行考核。4）焊接性能及抗腐蚀性能较差。为了进一步提高滤波器性能，对于振子材料应作如下工作：1） 提高振子材料性能：a) 弹性模量E=E。200kg/mm2或传播速度V。1，其中E。，V。可根据材料特性一值。b)频率温度系数1106/(-1050)，在最佳热处理温度15内变化不大于1106/。C）Q100002） 耦合子材料：为了满足耦合子热处理困难的特点，希有一种不经热处理便有小的频率温度系数的材料。3） 对于镍铬钛合金的老化性能应加以研究。2.高频焊接机械系统的焊料：机械系统的焊接质量直接影响到机械滤波器的特性和成品率。目前我厂生产成品率为7080。高频焊接质量除要有严格而合理的工艺外，还需选择适当的焊料。我厂使用焊料配方及性能如表5。这种焊料具有高的机械强度和较好的流动性，但抗腐蚀性能较常用焊锡差。今后应寻求新的焊料进一步提高抗腐性能。表 5 成 分 性 能 Cd Ag Cu Zn 熔 点 抗拉强度 。 97.2 2.0 0.3 0.5 350 5 9 11Kg/mm 2 3. 为了提高压电陶瓷银层附着力，对银浆配方及工艺作了改进：1) 银浆配制：银浆配方如表 6 所示。胶合剂 37ml 由松香 20g ，松节油 40cc 配制而成。由于松香在室温下不易溶于松节油，故需加热到 95 100 。银浆配制好后在球磨时应另加松节油 20cc，球磨72小时。 2) 被银工艺：第一次被银：银浆内加入10釉粉，涂好银浆后在600炉内烧结15分钟，随炉冷却。第二次被银：涂好银浆后在 600炉内烧结15分钟，随炉冷却。第三次被银：涂好银浆后在 850炉内烧结15分钟，随炉冷却。表 6成分Ag 2 OPb(BO 2 ) 2Bi 2 O 3胶合剂重量（g）401.2220cc注：胶合剂 37ml近似等于40cc加松香20g。4.为了减少由于氯化锌焊接的腐蚀作用，在换能器振子沾锡和滤波器调试时改为中性焊剂，其配方于表7。表 7 成分盐酸苯胺三乙醇胺松香无水酒精重量（g）51.525705.为了进一步提高换能器的老化特性和减小频率温度系数对材料选择的考虑：目前我们使用PZT-5压电陶瓷，这种瓷片适用于大功率换能场合，其频率稳定度较差。能否采用频率温度系数小。老化性能好，用作频率谐振元件的PSZ-6瓷片，值得探讨。这里将我们认为较好的PZT-6，Kp40的瓷片性能与现用的PZT5瓷片比较于表8。表中还列出了与镍铬钛合金复合成换能器的性能。看来温度系数较小的瓷片与镍铬钛合金复合成换能器易于得到小的频率温度系数。从理论上讲，选择瓷片与金属振子适当的正负温度系数和复合比关系便可得到零温度系数的换能器。然而由于材料性能的差异及大批生产中的非一致性，只能使它的温度系数减少到某一数值。对于这一点作如下打算。表 8 特性瓷片瓷 片 特 性换能器特性KpQ (-10 +50)居里点年老化复合用镍铬钛合金换能器PZT-5 0.05 751700-(14)10 -4 /300以上-+(515)10 -6 /510 -5 /PZT-60.401000750-(14)10 -5 /300以上7.5 0 /。 510 -6 /110 -5 /1) 陶片频率温度系数降低到 10 -6 /数量级与510 -6 /或更好的镍铬钛合金复合。2) 控制材料的频率温度系数误差，使瓷片与金属振子正负频率温度系数得到满意地补偿，如瓷片为 -(14)10 -4 /, 镍铬钛合金为20510 -6 /。3) 用三元系压电陶瓷，据了解三元系压电陶瓷比目前使用的二元系（ PZT型）压电陶瓷有小的频率温度系数和老化性能。四、今后的工作设想通过几年来的试制和生产，我们认为纵振折迭式机械滤波器用于在载波话路 60108KHz频段是比较适合的。为了进一步提高话路机械滤波器的性能，应做如下工作。1. 现生产的纵振折迭式机械滤波器：1) 进一步提高稳定性，改善生产工艺，提高生产效率和成品率。特别要简化振子生产工艺，提高高频焊接质量和调试滤波器水平。2) 进一步减小体积。例如使机械系统小型化，采用哑铃型振子。由于哑铃型振子加工较困难，能否采用粉沫冶金或压铸的方法解决。2. 探索新型话路机械滤波器：1) 为满足载波多路通信二次复用更高要求，应寻求一种结构简单、调试方便、通带频率衰耗特性远小于 CCITT1/5的机械滤波器，从大量生产角度力求实现零件加工自动化。简化性能调试工艺。如西德50KHz圆棒弯曲振动机械滤波器有可取之处。2) 在机械滤波器中采用附加耦合，使它在阻带产生衰耗极，从而减少滤波器节数，缩小体积。3) 寻求改善机械滤波器群延时失真的途径。如能否采用内部延时均衡。 机械滤波器在低频（600Hz_500KHz）常用的带通滤波器中，LC滤波器体积大，稳定性欠佳，晶体滤波器稳定性好，但只能制成窄带滤波器，并且抗振动冲击性能差。有源滤波器虽体积小，但稳定性和衰减特性常不佳，而且调试不易。另外陶瓷滤波器也存在温度系数差和低频时抗震动性能低。所以选择性能更好的选频器件已成为广大技术人员的共识。川康通信电子设备厂专业化生产的机械滤波器正是在此基础上发展起来的，产品选用专用合金制作，Q值高、频率稳定性好，专业技术设计生产，具有体积小，重量轻，可在低频段替代现用器件，且使用方法相同，甚至更简便，可大为提高您的产品性能，对优化电路和小型化整机无疑是一首选器件，可广泛用于通信、载波、测控、数传、船载、电力线载波设备以及防盗报警设备等等各类电子整机产品中。产品分军品和民品两大系列，用户只需提出所需器件的具体指标，如：频率、带宽、阻带、阻抗等，我厂即可按其要求试制生产。一般规格为48.623.616、331715(长宽高mm),三端直插式引线封装,另特制超小型系列规格131111(长宽高mm)供选用，产品被众多电子整机厂商和科研院校采用。此外。还可提供性能配对和频率对应的机械振荡器,确保温度系数一致性。集十余年生产经验，热诚为您服务。 滤波器测试介绍讲座滤波器是通用的无源、线性、两端口器件。通常采用扫频传输/反射测试技术来完整的表征他的特性。 &Ql$7: r 虽然滤波器是一种简单的电气元件，但是它的特性在元件测试系统中的地位是很重要的。一个带通滤波器，要求它对于指定带宽内的信号具有最小的损耗和失真，而对通带之外的信号，具有最大的抑制。为了精确地测试这些特性，要求测量系统的频率和功率电平在很宽的范围内都要非常精确。 YxowArVuz 比如对于窄的信道间隔的通讯系统要求滤波器有低的插入损耗，高的Q值和高的频率选择性，它们必须满足更严格的频响特性，具有较小的体积，这是对移动通信设备中的元件最基本的要求。