LST-15M-5S滤波器的小型化、轻量化设计.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（下）-75-工 业 技 术LST-15M-5S 晶体滤波器是一种高性能、小型化且轻量化的晶体滤波器，具有通带宽、插入损耗低和频率选择性良好等特点，适用于通信系统、雷达、电子战和导航等多领域应用场景，能够提供稳定的频率源、高质量的信号处理和频率控制功能，提高系统的性能和精度1。LST-15M-5S 晶体滤波器在设计和制造过程中采用了先进的工艺和技术，可确保高性能和稳定性，其宽通带和低插入损耗特性使其能够有效滤除不需要的频率分量，提高信号的纯度和清晰度。此外，LST-15M-5S 晶体滤波器还具有良好的温度稳定性，老化率低，能够在各种环境条件下保持稳定性能。1 晶体滤波器的技术指标和外形尺寸1.1 主要技术指标标称频率为 15MHz；中心频率偏差 750Hz；-6dB通带宽度 5kHz；-60dB 阻带宽度 15kHz；带内波动 2dB；插入损耗 2.5dB；阻带衰减 60dB；工作温度范围为-55 85；输入、输出阻抗为 1k、1.6k/3pF；质量 10g。1.2 外形结构尺寸该产品外形结构尺寸要求为（30205）mm3，如图 1 所示。设计的难点在于高度要求仅为5mm，质量要求不超过10g。2 电路设计2.1 设计原理格型电路是滤波器电路设计的基础，其设计原理是将一个格型低通原型电路变换成带通结构，再等效为差接桥型电路，最终研制出带通晶体滤波器。该滤波器通过采用输入端和输出端阻抗的四端网络接入系统获得选择信号。在格型电路的设计过程中，需要选择合适的低通原型电路。低通原型电路具有低通滤波器特性，能够使低频信号通过，并滤除高频信号。选择低通原型电路时，需要考虑其频率响应、阻抗匹配以及插入损耗等因素，再将低通原型电路变换成带通结构。带通结构是指只允许某一特定频率范围LST-15M-5S滤波器的小型化、轻量化设计徐小英赵杨勇韦浪飞武艳梅（陕西华星电子集团有限公司，陕西 咸阳 712099）摘 要：5G、物联网等技术的不断发展和应用对高性能、小型化、轻量化的滤波器需求越来越高，因此在高技术指标下如何缩小产品的体积、降低产品的质量是重要的研究方向。本文将关键元器件晶体谐振器采用贴片代替 UM-1形式，并对元器件如谐振器、电感和电容参数进行设计和验证调整，同时对结构进行优化设计，用 PCB电路板替代传统金属夹，从而满足 LST-15M-5S 晶体滤波器高技术指标要求并实现了缩体减重的目标，旨在为分离式晶体滤波器的小型化和轻型化探索提供参考和借鉴。关键词：晶体滤波器；技术指标；电路设计；结构设计中图分类号：TN713文献标志码：A注：1、3分别为输入信号端；2、4分别为交流接地端；5为输出信号端；6为M3螺钉。图 1 产品外形尺寸图中国新技术新产品2024 NO.3（下）-76-工 业 技 术内的信号通过的滤波器结构。在变换过程中，需要对电路进行等效变换，以实现带通滤波器的特性2。最后将带通结构等效为差接桥型电路。差接桥型电路是一种对称性的电路结构，其特性与带通结构相似。通过设计差接桥型电路，可以进一步优化滤波器的性能，提高其频率选择性和阻抗匹配性。研制带通晶体滤波器时，需要采用输入端和输出端阻抗的四端网络接入系统。该四端网络可将滤波器与系统连接起来，同时保证信号的传输质量和稳定性。2.2 工作原理晶体滤波器是一种具有选频功能的传输系统，可将其等效为一个具有输入端和输出端的四端网络。晶体滤波器对通带内的信号衰耗为最小，对阻带内的信号衰耗为最大。当信号经过时，滤波器的信号幅值、相位均有改变，其输出端的视在功率与输入端的功率不一致，通常用两端口网络的传输系数来表示。LST-15M-5S 晶体滤波器属于宽带带通型小体积晶体滤波器，该滤波器通带宽度（-6dB）5kHz、阻带宽度（-60dB：1kHz，矩形系数 3。该滤波器体积为（30205）mm3。该晶体滤波器有 5 个端口，即 1 个输入端、1 个输出端和 2 个交流接地端。其中输入阻抗为 1k，输出阻抗为 1.6k/3pF。由于输入阻抗与输出阻抗不相等，该滤波器的特性网络称为非对称四端网络。2.3 电路设计LST-15M-5S 晶体滤波器电路采用契比雪夫型差接桥型三节六极点电路，兼顾滤波器体积和电性能综合指标参数，关键元件设计方案选用 5032 贴片型石英晶体谐振器。要求滤波器的阻带衰减 60dB，分离式晶体滤波器理论上 1 节电路衰减 20dB，3 节衰减 60dB。从理论上分析，采用契比雪夫差接桥型电路，可使滤波器输入、输出连接的阻带衰减余量富足。LST-15M-5S 晶体滤波器采用差接桥型三节六极点电路，如图 2 所示。截至目前，契比雪夫差接桥型电路是已被确定的最简单的格型电路且比全桥型电路节约一半晶体。鉴于 LST-15M-5S 晶体滤波器输入、输出阻抗不对称，可以利用变量器实现端接阻抗匹配，满足非平衡式电路的要求。与同类产品相比，本晶体滤波器的主要难度在于其高度较小。制作该晶体滤波器的关键技术主要包括 15MHz 基频石英贴片晶体谐振器和PCB电路板的结构设计。石英贴片晶体谐振器是滤波器的重要组成部分，其性能会直接影响滤波器的性能。因此在制作过程中需要严格控制谐振器的频率、品质因数等参数，以确保其性能稳定、可靠。同时，PCB 电路板的结构设计也是关键技术之一。由于该滤波器需要承受宽温范围的工作环境，因此 PCB 电路板的结构设计需要考虑温度变化对电路性能的影响。在设计中需要采用合理的布局和布线方式，以降低温度变化对电路性能的影响，并提高其可靠性3。3 关键元器件设计采用 5032 贴片晶体替换传统 UM-1 晶体是分离式滤波器的又一革命性变革，它开辟了分离式石英晶体滤波器小型化的进程。制作滤波用贴片晶体不仅在技术、工艺上与UM-1晶体有很大不同，还在加工设备上做了许多改进，其自动化更适应小型化、精密化的要求，贴片晶体谐振器的加工尤为重要。作为小型化晶体滤波器中的关键元件，5032 贴片晶体谐振器外观尺寸如图 3 所示。3.1 电感的设计与石英晶体谐振器相比，现有电感元件的 Q 值和温度稳定性更低，串联电感易导致滤波器温度稳定性下降，并限制宽带晶体滤波器在宽温域的应用。因此，设计展宽电感时，应选择高Q值材料制成的电感。采用环状磁芯绕制的电感的Q 值高于一般片式电感或磁棒绕制的电感，并且温度性能也更好。因此，高 Q 值的环形磁芯绕制的电感更适于制作展宽电感。最终，变量器采用型号为NX0-60的5mm2.5mm1.5mm环形磁芯，绕制的导线可以粗些，以增强机械固持作用。为了将电感对高频回路的影响降至最低，必须让滤波器各臂的参数相同，并使串臂与并臂晶体谐振器的电感量尽可能相等。谐振频率变化越大，就需要越多的串联电感。然而，当串联电感增加时，其分布电容也随之增加，电感对晶体滤波器回路的作用也会更显著。因此在设计中，展宽电感的电感量不宜过大。3.2 晶体参数的确定解决技术难点的主要措施是优选电路和晶体，加强生产中各工艺环节的电路控制。根据归一化系数设计宽带晶体滤注：IN为输入；OUT为输出；F1F4为晶体谐振器；C1C4为电容；L1L3为电感。图 2 LST-15M-5S 晶体滤波器电路原理图中国新技术新产品2024 NO.3（下）-77-工 业 技 术波器参数系数，即R12=0.7145，K12=0.5385，K23=0.5180，K34=0.5385，Q1=1.2767，Q2=1.2767。由于频率较高，因此需要通过计算和修正得出所需的晶体谐振器的频率，即如公式（1）公式（4）所示。f1=f1=f0-1/2f3dB（K23 K12）=15.0006MHz （1）f2=f2=f0-1/2f3dB（K23-K12）=15.0003MHz （2）f3=f3=f0-1/2f3dB（K23 K34）=14.997MHz （3）f4=f4=f0-1/2f3dB（K23-K34）=14.996MHz （4）通过理论公式计算出各元件的理论参数，预估晶体滤波器所需石英晶体谐振器的关键电性能指标参数（L1、C1、C0、Fr）的大概范围，对贴片晶体谐振器电极面积、晶片振动模式和晶片返回频率等参数的综合设计是贴片晶体谐振器的关键部分。根据实际搭建的电路，对理论计算出的参数进行修正和调整，使该滤波器达到最佳状态，贴片晶体谐振器相关参数见表 1。4 结构设计采用 PCB 电路板替代传统金属夹结构来实现滤波器小型化设计，可在减轻滤波器质量的同时有效提高产品可靠性。根据所用元件尺寸、数量、外形以及可靠性综合要求，该滤波器电路板采用 PCB 高频介质板进行设计和制作，并对电路板材介电常数、温度系数、覆铜板的厚度均匀性以及线路板铜薄的宽度等参数进行调整。由于滤波器体积小，分布参数易受干扰，因此滤波器设计和制作过程要仔细选择元件位置，增加屏蔽措施，提高抗干扰能力，攻克滤波器高阻带衰减指标。各元件按电路图焊接在 PCB 电路板上，电容采用贴片 0603 封装片式焊接，电感线圈采用硅胶固定，以免松动4。滤波器管脚为插针与底角螺钉，金属外壳封口用烙铁焊锡封焊，封装接口处要求光滑、无毛刺，确保能通过低气压检漏法检验5。5 结语综上所述，本文研制的 LST-15M-5S 晶体滤波器采用契比雪夫差接桥型三节六极点优化电路，内部结构采用 PCB板，元件采用 5032 贴片谐振器和贴片电容，最终达到了体积小、质量轻且性能良好的指标要求。该滤波器具有优异的频率选择性和阻抗匹配性，能够有效抑制噪声和干扰，提高信号的接收质量和传输稳定性。同时，该滤波器还具有高可靠性和稳定性，能够长时间稳定工作，确保复杂电磁环境中的可靠性和稳定性。在未来的应用中，该晶体滤波器将具有广阔的市场前景和较大的应用潜力，可为推动相关领域的技术进步提供参考。参考文献1 彭胜春，赵瑞星，阳皓，等.高基频高机电耦合系数晶体滤波器 J.压电与声光，2020，42（6）：761-764.2 王周益，文化锋，李韵嘉，等.新型光子晶体四通道滤波器研究与设计 J.光电子激光，2021，32（4）：425-430.3 张建宇，董爱琼，姚斌，等.用于5G 通信的二维圆柱型光子晶体波导带通滤波器设计 J.光学与光电技术，2022，20（1）：115-119.4 陈亮，尚峰，韦浪飞.高频宽带带阻石英晶体滤波器的研制 J.电子测试2018（15）：40-42.5 王周益，文化锋，李韵嘉，等.新型光子晶体四通道滤波器研究与设计 J.光电子激光，2021，32（4）：425-430.表 1 贴片晶体谐振器相关参数晶体编号中心频率/Hz频率偏差F（25）/Hz频率偏差Fr（-5585）/Hz静态电容C0/pF动态电容C1/pF静态电阻RR/电感L/mHF1150006003004501.61.85.35.620100F2150002503004501.61.85.35.620100F3149970003004501.61.85.35.620100F4149960003004501.61.85.35.620100注：1#、3#为晶体引出端；2#、4#为空脚。图 3 5032 贴片晶体谐振器外观尺寸图（mm）