機械濾波器

機械濾波器自1947年問世以來，由于他具有高選擇性、高可靠性、高穩(wěn)定性和體積小、重量輕、成本低以及適合自動化生產(chǎn)等優(yōu)點，所以在電子設備中得到了廣泛應用。

機械濾波器雙稱機電濾波器或電氣機械濾波器。機械濾波器通常只能設計成帶通濾波器，只有在特定的條件下才可能設計成帶阻濾波器，所以機械濾波器又稱為帶通機械濾波器。

機械濾波器的工作頻率范圍為100HZ~600HZ，其中50KHZ以下為低頻機械濾波器，50~200KHZ為中頻機械濾波器，200~800KHZ為高頻機械濾波器。其相對帶寬0.5%~15%，有的可達0.1%~30%。

1、機械濾波器結(jié)構(gòu)形式的工作原理

（1）基本結(jié)構(gòu)形式 目前，機械濾波器實用品種很多，基本結(jié)構(gòu)有以下四種，示于圖5.1-18。

1）第一種結(jié)構(gòu)形式（見圖5.1-18A）由機械諧振子、機械耦合子和機電換能器三部分組成。機械振動單元包括振子和耦合子，如圖中虛線部分所示。大多數(shù)機械濾波器，尤其是中、高頻機械濾波器均屬于此種結(jié)構(gòu)。

2）第二種結(jié)構(gòu)形式（見圖5.1-18B），沒有耦合子，只有振子和換能器組合為一體，稱為一個“組合”，一般一個組合就構(gòu)成一個濾波器，有的低通濾波器采用這種結(jié)構(gòu)。

3）第三種結(jié)構(gòu)形式（見圖5.1-18C），振子和換能器合為一體構(gòu)成一個組合，然后將兩個或兩個以上組合用導線連接起來組成濾波器。一部分中、低頻機械濾波器采用此種結(jié)構(gòu)。

4）第四種結(jié)構(gòu)形式（見圖5.1-19D），與第三種不同的是將兩個或兩個以上組合用耦合子連接起來，一部分低、中頻機械濾波器采用這種結(jié)構(gòu)。

上述結(jié)構(gòu)是機械濾波器的核心，大多數(shù)機械濾波器在輸入和輸出端沒有由電感和電容組成的“匹配網(wǎng)絡”，它們也是主要組成部分。

（2）機械濾波器的工作原理 機械濾波器工作過程包括機電換能和機械振動兩部分。通過匹配網(wǎng)絡輸入和電信號，加到換能器上，它將電信號轉(zhuǎn)換成同頻率、具有一定振動模式的機械振動，此機械振動對頻率具有選擇特性，將通過選擇后的機械振動信號傳輸?shù)捷敵鰮Q能器上，通過能量轉(zhuǎn)換再把機械振動轉(zhuǎn)換成同頻率電信號，再經(jīng)匹配網(wǎng)絡輸出，從而達到濾波器傳遞頻帶、抑止阻頻帶的作用。

由振子和耦合子構(gòu)成的機械振動系統(tǒng)是機械濾波器的主體，它們都是由恒彈性合金--含鎳、鉻、鈦的鐵合金材料制成，最常用的是N142CRT1合金。恒彈性合金的楊氏彈性模量在一定的溫度范圍內(nèi)變化很小。在機械濾波器中，也是用溫度頻率系數(shù)B1來衡量它的溫度穩(wěn)定性，鎳鉻鈦在-20~+60`度范圍內(nèi)的B1為±5*10的負6次方度左右，因此，機械濾波器的溫度穩(wěn)定性要比陶瓷濾波器的好。

（3）實用機械濾波器分類（見表5.1-14）

機械濾波器的一般特性

為了確保在規(guī)定的環(huán)境下傳輸特性變化最小在設計和制造中還要盡可能具有高穩(wěn)定和高可靠性，并盡可能消除寄生響應和澈音效應。

機械濾波器可實現(xiàn)的特性范圍（見表5.1-15）

2、穩(wěn)定性

隨著時間的推移，溫度和電平的變化都會引起機械濾波器傳輸特性的變壞，因此穩(wěn)定性應包括溫度穩(wěn)定性、時間穩(wěn)定性和電平穩(wěn)定性三個方面。

機械濾波器的穩(wěn)定性遠比LC濾波器、陶瓷濾波器的優(yōu)良，且可與晶體濾波器相比擬，而且在實現(xiàn)同數(shù)量級的穩(wěn)定性時，機械濾波器的工藝比晶體濾波器要簡單得多。

1）溫度穩(wěn)定性 溫度穩(wěn)定性是指濾波器的傳輸特性隨溫度變化的程度。一般來說，中心頻率偏移主要是由振子頻率偏移所致，當然，靜電容容量的變化匹配電路中元件值的變化，都會使通帶波動增加。

機械濾波器在0~40度的溫度范圍內(nèi)，傳輸特性幾乎不變。而在-45~85度溫度范圍內(nèi)，只要進行特殊設計和工藝處理（無需增加附加裝置）機械濾波器仍可正常工作。

2）時間穩(wěn)定性 時間穩(wěn)定性主要指濾波器的傳輸特性隨時間變化和程度。它主要由特作振子和換能器的恒彈性合金的經(jīng)時變化率決定。它主要由特作振子和換能器的恒彈性合金的經(jīng)時變化率真決定，通常，這種變化較小，可達到0.2~3.0*10負4次方/10A。

3）電平穩(wěn)定性 電平穩(wěn)定性是指濾波器的傳輸特性隨輸入信號電平大小變化的程度。當濾波器輸入信號的功率超過它所能儲存的能量時，輸出將出現(xiàn)非線性失真，使濾波器中心頻率下降，帶寬增加和通帶插入損耗增大，機械濾波器的電平特性遠優(yōu)于LC濾波器。

（3）寄生響應和微音效應 凡是使用諧振子的濾波器，在它們所采用的振動模式之外，還有其他振動模式產(chǎn)生，并影響濾波器傳輸特性的寄生響應和微音效應。

1）寄生響應 機械濾波器的寄生響應主要由主振模式以外的其他模式的高次振動和其他部分所產(chǎn)生振動引起的，這些振動統(tǒng)稱為雜散振動。寄生響應對濾波器的傳輸特性影響到極大，所以在設計、工藝處理和制造中都作為一個重要問題來對待。

2）微音效應 在低頻機械中濾波器中，機械振子的振動頻率較低，容易受到外界振動的干擾而產(chǎn)生噪聲輸出，這種特性稱為機械濾波器的“微音效應”。外界振動來自多方面的，如電器設備中的發(fā)動機，車輛行駛時的振動和各種音響等。微音效應的大小與干擾來源的強弱、頻率的高低和機械濾波器抗干擾能力等因素有關(guān)。

（4）振動和沖擊 機械濾波器有較好的而振動、耐碰撞、而沖擊和而離心力的能力。當振動加速度不超過5G（G為重力加速度）、碰撞沖擊和離心力加速度不大于50G時，機械濾波器無需采取防振或減振措施。在經(jīng)過特殊設計之后，抗振加速度可達15G，抗擊、抗碰撞和抗離心力加速度則可達1500G。