机械滤波器原理介绍及其设计

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机械滤波器自1947年问世以来，由于他具有高选择性、高可靠性、高稳定性和体积小、重量轻、成本低以及适合自动化生产等优点，所以在电子设备中得到了广泛应用。
机械滤波器双称机电滤波器或电气机械滤波器。机械滤波器通常只能设计成



1）第一种结构形式（见图5.1-18A）由机械谐振子、机械耦合子和机电换能器三部分组成。机械振动单元包括振子和耦合子，如图中虚线部分所示。大多数机械滤波器，尤其是中、高频机械滤波器均属于此种结构。
2）第二种结构形式（见图5.1-18B），没有耦合子，只有振子和换能器组合为一体，称为一个“组合”，一般一个组合就构成一个滤波器，有的低通滤波器采用这种结构。
3）第三种结构形式（见图5.1-18C），振子和换能器合为一体构成一个组合，然后将两个或两个以上组合用导线连接起来组成滤波器。一部分中、低频机械滤波器采用此种结构。
4）第四种结构形式（见图5.1-19D），与第三种不同的是将两个或两个以上组合用耦合子连接起来，一部分低、中频机械滤波器采用这种结构。
上述结构是机械滤波器的核心，大多数机械滤波器在输入和输出端没有由电感和电容组成的“匹配网络”，它们也是主要组成部分。
（2）机械滤波器的工作原理  机械滤波器工作过程包括机电换能和机械振动两部分。通过匹配网络输入和电信号，加到换能器上，它将电信号转换成同频率、具有一定振动模式的机械振动，此机械振动对频率具有选择特性，将通过选择后的机械振动信号传输到输出换能器上，通过能量转换再把机械振动转换成同频率电信号，再经匹配网络输出，从而达到滤波器传递频带、抑止阻频带的作用。
由振子和耦合子构成的机械振动系统是机械滤波器的主体，它们都是由恒弹性合金--含镍、铬、钛的铁合金材料制成，最常用的是N142CRT1合金。恒弹性合金的杨氏弹性模量在一定的温度范围内变化很小。在机械滤波器中，也是用温度频率系数B1来衡量它的温度稳定性，镍铬钛在-20"+60`度范围内的B1为±5*10的负6次方度左右，因此，机械滤波器的温度稳定性要比陶瓷滤波器的好。
（3）实用机械滤波器分类（见表5.1-14）



                          
                       
                          
                               

机械滤波器的一般特性
为了确保在规定的环境下传输特性变化最小在设计和制造中还要尽可能具有高稳定和高可靠性，并尽可能消除寄生响应和澈音效应。
机械滤波器可实现的特性范围（见表5.1-15）



2、稳定性
随着时间的推移，温度和电平的变化都会引起机械滤波器传输特性的变坏，因此稳定性应包括温度稳定性、时间稳定性和电平稳定性三个方面。
机械滤波器的稳定性远比LC滤波器、陶瓷滤波器的优良，且可与晶体滤波器相比拟，而且在实现同数量级的稳定性时，机械滤波器的工艺比晶体滤波器要简单得多。
1）温度稳定性  温度稳定性是指滤波器的传输特性随温度变化的程度。一般来说，中心频率偏移主要是由振子频率偏移所致，当然，静电容容量的变化匹配电路中元件值的变化，都会使通带波动增加。
机械滤波器在0"40度的温度范围内，传输特性几乎不变。而在-45"85度温度范围内，只要进行特殊设计和工艺处理（无需增加附加装置）机械滤波器仍可正常工作。
2）时间稳定性  时间稳定性主要指滤波器的传输特性随时间变化和程度。它主要由特作振子和换能器的恒弹性合金的经时变化率决定。它主要由特作振子和换能器的恒弹性合金的经时变化率真决定，通常，这种变化较小，可达到0.2"3.0*10负4次方/10A。
3）电平稳定性  电平稳定性是指滤波器的传输特性随输入信号电平大小变化的程度。当滤波器输入信号的功率超过它所能储存的能量时，输出将出现非线性失真，使滤波器中心频率下降，带宽增加和通带插入损耗增大，机械滤波器的电平特性远优于LC滤波器。
（3）寄生响应和微音效应  凡是使用谐振子的滤波器，在它们所采用的振动模式之外，还有其他振动模式产生，并影响滤波器传输特性的寄生响应和微音效应。
1）寄生响应  机械滤波器的寄生响应主要由主振模式以外的其他模式的高次振动和其他部分所产生振动引起的，这些振动统称为杂散振动。寄生响应对滤波器的传输特性影响到极大，所以在设计、工艺处理和制造中都作为一个重要问题来对待。
2）微音效应  在低频机械中滤波器中，机械振子的振动频率较低，容易受到外界振动的干扰而产生噪声输出，这种特性称为机械滤波器的“微音效应”。外界振动来自多方面的，如电器设备中的发动机，车辆行驶时的振动和各种音响等。微音效应的大小与干扰来源的强弱、频率的高低和机械滤波器抗干扰能力等因素有关。
（4）振动和冲击  机械滤波器有较好的而振动、耐碰撞、而冲击和而离心力的能力。当振动加速度不超过5G（G为重力加速度）、碰撞冲击和离心力加速度不大于50G时，机械滤波器无需采取防振或减振措施。在经过特殊设计之后，抗振加速度可达15G，抗击、抗碰撞和抗离心力加速度则可达1500G。