压电换能器电调介质滤波器的设计与实现

发布时间：2020-03-12 18:35

【摘要】：为了解决变容管电调窄带滤波器的插入损耗大和承受功率小的问题,研究了用压电换能器作电调元件的电调介质滤波器.分析了压电换能器调谐介质谐振器的机理,讨论了耦合系数和外部Q值的控制方法,仿真结果表明耦合系数和外部Q值随调谐频率的变化较小.采用HFSS软件设计和优化了两级电调介质滤波器的结构,并用高Q值的介质谐振器制作了两级电调介质滤波器.根据ANSYS软件的分析结果,提出了提高电调率的有效措施.当控制电压为0~50V时,滤波器的中心频率调谐范围为4.155~4.205GHz,3d B带宽为37~40MHz.
【图文】：

第8期曹良足:压电换能器电调介质滤波器的设计与实现和有载Q，然后通过公式［16］计算得到:介电常数(εr)为43，无载Q值与频率之积(Q×f)为30000GHz，频率温度系数(τf)为5ppm/℃(温度范围25～85℃)．介质谐振器的直径为13mm，高度为5.1mm．支撑为εr=2.1的聚四氟乙烯小圆柱体(直径7mm)．压电换能器采用两片锆钛酸铅(简称PZT)压电陶瓷片和一片钢片制成的，钢片夹在中间，增加压电换能器的机械强度，两片压电陶瓷片的极化方向相反，压电陶瓷片的性能如下:相对介电常数(εT33)为3400，弹性柔顺系数(s13)为－8.45×10－11m2/N，压电常数(d31)为－274pC/N．单片压电陶瓷的外形尺寸为:58×19×0.15mm3．在外加电压作用下，压电换能器发生弯曲．介质谐振器的测试装置如图10所示，图11所示为支撑高度对介质谐振器性能影响的实测数据．从图11得知，支撑高度从6mm变化到7mm时，Q值上升，频率变化较陡，因此选用支撑高度为6mm，这是因为压电换能器向下弯曲，相当于支撑升高．根据耦合系数和外部Q值的分析，确定二级介质滤波器的结构尺寸为:谐振器间距10.15mm，谐振器与探针的间距为10.75mm，探针长度21mm，支撑高度为6mm．用HFSS仿真，仿真波形如图12所示，当换能片的弯曲角度从0°至2°时，中心频率从4.02GHz变化至4.12GHz．采用仿真的结构尺寸制作了实物，如图13所示，用矢量网络分析仪AgilentE5071B进行测试，测试数据如图14所示，当电压从0V至50V时，中心频率从4.155GHz升高到4.205GHz，3dB带宽变化较小，插入损耗增大约0.7dB，反射损耗减小，主要原因是介质谐振器和支撑在组装过程中产生了一定的偏差，导致外部Q值和耦合系数不“协调”，从而导致反射损耗变差．1967

第8期曹良足:压电换能器电调介质滤波器的设计与实现和有载Q，然后通过公式［16］计算得到:介电常数(εr)为43，无载Q值与频率之积(Q×f)为30000GHz，频率温度系数(τf)为5ppm/℃(温度范围25～85℃)．介质谐振器的直径为13mm，高度为5.1mm．支撑为εr=2.1的聚四氟乙烯小圆柱体(直径7mm)．压电换能器采用两片锆钛酸铅(简称PZT)压电陶瓷片和一片钢片制成的，钢片夹在中间，增加压电换能器的机械强度，两片压电陶瓷片的极化方向相反，压电陶瓷片的性能如下:相对介电常数(εT33)为3400，弹性柔顺系数(s13)为－8.45×10－11m2/N，压电常数(d31)为－274pC/N．单片压电陶瓷的外形尺寸为:58×19×0.15mm3．在外加电压作用下，压电换能器发生弯曲．介质谐振器的测试装置如图10所示，图11所示为支撑高度对介质谐振器性能影响的实测数据．从图11得知，支撑高度从6mm变化到7mm时，Q值上升，频率变化较陡，因此选用支撑高度为6mm，这是因为压电换能器向下弯曲，相当于支撑升高．根据耦合系数和外部Q值的分析，确定二级介质滤波器的结构尺寸为:谐振器间距10.15mm，谐振器与探针的间距为10.75mm，探针长度21mm，支撑高度为6mm．用HFSS仿真，仿真波形如图12所示，，当换能片的弯曲角度从0°至2°时，中心频率从4.02GHz变化至4.12GHz．采用仿真的结构尺寸制作了实物，如图13所示，用矢量网络分析仪AgilentE5071B进行测试，测试数据如图14所示，当电压从0V至50V时，中心频率从4.155GHz升高到4.205GHz，3dB带宽变化较小，插入损耗增大约0.7dB，反射损耗减小，主要原因是介质谐振器和支撑在组装过程中产生了一定的偏差，导致外部Q值和耦合系数不“协调”，从而导致反射损耗变差．1967

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