發(fā)布時(shí)間：2020-03-12 18:35

【摘要】：為了解決變?nèi)莨茈娬{(diào)窄帶濾波器的插入損耗大和承受功率小的問(wèn)題,研究了用壓電換能器作電調(diào)元件的電調(diào)介質(zhì)濾波器.分析了壓電換能器調(diào)諧介質(zhì)諧振器的機(jī)理,討論了耦合系數(shù)和外部Q值的控制方法,仿真結(jié)果表明耦合系數(shù)和外部Q值隨調(diào)諧頻率的變化較小.采用HFSS軟件設(shè)計(jì)和優(yōu)化了兩級(jí)電調(diào)介質(zhì)濾波器的結(jié)構(gòu),并用高Q值的介質(zhì)諧振器制作了兩級(jí)電調(diào)介質(zhì)濾波器.根據(jù)ANSYS軟件的分析結(jié)果,提出了提高電調(diào)率的有效措施.當(dāng)控制電壓為0~50V時(shí),濾波器的中心頻率調(diào)諧范圍為4.155~4.205GHz,3d B帶寬為37~40MHz.
【圖文】：

第8期曹良足:壓電換能器電調(diào)介質(zhì)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和有載Q，然后通過(guò)公式［16］計(jì)算得到:介電常數(shù)(εr)為43，無(wú)載Q值與頻率之積(Q×f)為30000GHz，頻率溫度系數(shù)(τf)為5ppm/℃(溫度范圍25～85℃)．介質(zhì)諧振器的直徑為13mm，高度為5.1mm．支撐為εr=2.1的聚四氟乙烯小圓柱體(直徑7mm)．壓電換能器采用兩片鋯鈦酸鉛(簡(jiǎn)稱PZT)壓電陶瓷片和一片鋼片制成的，鋼片夾在中間，增加壓電換能器的機(jī)械強(qiáng)度，兩片壓電陶瓷片的極化方向相反，壓電陶瓷片的性能如下:相對(duì)介電常數(shù)(εT33)為3400，彈性柔順系數(shù)(s13)為－8.45×10－11m2/N，壓電常數(shù)(d31)為－274pC/N．單片壓電陶瓷的外形尺寸為:58×19×0.15mm3．在外加電壓作用下，壓電換能器發(fā)生彎曲．介質(zhì)諧振器的測(cè)試裝置如圖10所示，圖11所示為支撐高度對(duì)介質(zhì)諧振器性能影響的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)．從圖11得知，支撐高度從6mm變化到7mm時(shí)，Q值上升，頻率變化較陡，因此選用支撐高度為6mm，這是因?yàn)閴弘姄Q能器向下彎曲，相當(dāng)于支撐升高．根據(jù)耦合系數(shù)和外部Q值的分析，確定二級(jí)介質(zhì)濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸為:諧振器間距10.15mm，諧振器與探針的間距為10.75mm，探針長(zhǎng)度21mm，支撐高度為6mm．用HFSS仿真，仿真波形如圖12所示，當(dāng)換能片的彎曲角度從0°至2°時(shí)，中心頻率從4.02GHz變化至4.12GHz．采用仿真的結(jié)構(gòu)尺寸制作了實(shí)物，如圖13所示，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AgilentE5071B進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖14所示，當(dāng)電壓從0V至50V時(shí)，中心頻率從4.155GHz升高到4.205GHz，3dB帶寬變化較小，插入損耗增大約0.7dB，反射損耗減小，主要原因是介質(zhì)諧振器和支撐在組裝過(guò)程中產(chǎn)生了一定的偏差，導(dǎo)致外部Q值和耦合系數(shù)不“協(xié)調(diào)”，從而導(dǎo)致反射損耗變差．1967

第8期曹良足:壓電換能器電調(diào)介質(zhì)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和有載Q，然后通過(guò)公式［16］計(jì)算得到:介電常數(shù)(εr)為43，無(wú)載Q值與頻率之積(Q×f)為30000GHz，頻率溫度系數(shù)(τf)為5ppm/℃(溫度范圍25～85℃)．介質(zhì)諧振器的直徑為13mm，高度為5.1mm．支撐為εr=2.1的聚四氟乙烯小圓柱體(直徑7mm)．壓電換能器采用兩片鋯鈦酸鉛(簡(jiǎn)稱PZT)壓電陶瓷片和一片鋼片制成的，鋼片夾在中間，增加壓電換能器的機(jī)械強(qiáng)度，兩片壓電陶瓷片的極化方向相反，壓電陶瓷片的性能如下:相對(duì)介電常數(shù)(εT33)為3400，彈性柔順系數(shù)(s13)為－8.45×10－11m2/N，壓電常數(shù)(d31)為－274pC/N．單片壓電陶瓷的外形尺寸為:58×19×0.15mm3．在外加電壓作用下，壓電換能器發(fā)生彎曲．介質(zhì)諧振器的測(cè)試裝置如圖10所示，圖11所示為支撐高度對(duì)介質(zhì)諧振器性能影響的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)．從圖11得知，支撐高度從6mm變化到7mm時(shí)，Q值上升，頻率變化較陡，因此選用支撐高度為6mm，這是因?yàn)閴弘姄Q能器向下彎曲，相當(dāng)于支撐升高．根據(jù)耦合系數(shù)和外部Q值的分析，確定二級(jí)介質(zhì)濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸為:諧振器間距10.15mm，諧振器與探針的間距為10.75mm，探針長(zhǎng)度21mm，支撐高度為6mm．用HFSS仿真，仿真波形如圖12所示，，當(dāng)換能片的彎曲角度從0°至2°時(shí)，中心頻率從4.02GHz變化至4.12GHz．采用仿真的結(jié)構(gòu)尺寸制作了實(shí)物，如圖13所示，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AgilentE5071B進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖14所示，當(dāng)電壓從0V至50V時(shí)，中心頻率從4.155GHz升高到4.205GHz，3dB帶寬變化較小，插入損耗增大約0.7dB，反射損耗減小，主要原因是介質(zhì)諧振器和支撐在組裝過(guò)程中產(chǎn)生了一定的偏差，導(dǎo)致外部Q值和耦合系數(shù)不“協(xié)調(diào)”，從而導(dǎo)致反射損耗變差．1967

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