Кварцевый фильтр

Кварцевый фильтр — это частотно-избирательное устройство, принцип действия которого основан на пьезоэлектрическом эффекте и механическом резонансе кварцевой пластины (или иного пьезоэлектрика). Кварцевые фильтры используются для выделения или подавления сигналов определённых частот в радиоэлектронной аппаратуре, обеспечивая высокую стабильность и добротность, недостижимую для обычных LC-фильтров.

История

Явление пьезоэлектричества было открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Первые практические применения кварцевых резонаторов для стабилизации частоты в радиопередатчиках были предложены в 1917—1918 годах американским инженером Уолтером Кэди и российским учёным Александром Мейснером. Однако создание узкополосных фильтров на кварцевых пластинах стало возможным лишь в 1930-х годах, когда были разработаны методы точной обработки кварца и схемы включения нескольких резонаторов.

В СССР активные исследования и внедрение кварцевых фильтров начались в 1950-х годах в связи с развитием радиолокации, радиорелейной связи и многоканальной телефонии. К 1960-м годам кварцевые фильтры стали стандартным элементом профессиональной и военной радиоаппаратуры, а с 1970-х — и в бытовой технике (например, в радиоприёмниках высшего класса).

Принцип действия

Кварцевый фильтр состоит из одной или нескольких кварцевых пластин (резонаторов), включённых в электрическую цепь определённым образом. Кварцевая пластина, помещённая между двумя электродами, обладает свойством механически деформироваться под действием переменного электрического поля (обратный пьезоэффект). При совпадении частоты электрического сигнала с собственной механической резонансной частотой пластины амплитуда колебаний резко возрастает, что эквивалентно резкому изменению импеданса (сопротивления) резонатора.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора представляет собой последовательный колебательный контур (Lк, Cк, Rк), шунтированный параллельной ёмкостью C0, образованной электродами и соединительными проводами. Благодаря очень малому механическому затуханию в кварце, добротность такого контура может достигать 10⁵–10⁶, что в десятки и сотни раз превышает добротность лучших LC-контуров.

В фильтре несколько кварцевых резонаторов соединяются в лестничную, мостовую или дифференциальную схему. Взаимодействие резонаторов создаёт полосу пропускания с крутыми скатами, обеспечивая высокую избирательность.

Классификация

Кварцевые фильтры классифицируются по нескольким признакам.

По типу схемы включения

• Лестничные (Ladder-фильтры) — наиболее распространённый тип. Резонаторы соединяются последовательно и параллельно, образуя цепочку. Обеспечивают хорошую избирательность при относительно простой конструкции.
• Мостовые (Bridge-фильтры) — используются в измерительной технике и для формирования очень узких полос пропускания. Требуют точного подбора резонаторов.
• Дифференциальные — применяются в симметричных линиях связи и балансных схемах.

По полосе пропускания

• Узкополосные — ширина полосы пропускания составляет от 0,01% до 0,5% от центральной частоты. Используются в эталонных генераторах, приёмниках с высокой избирательностью.
• Среднеполосные — от 0,5% до 2% от центральной частоты. Типичны для радиовещательных и связных приёмников.
• Широкополосные — до 5–10% от центральной частоты. Применяются в фильтрах промежуточной частоты телевизионных приёмников и системах передачи данных.

По способу изготовления

• Дискретные — каждый резонатор изготавливается отдельно, затем монтируется на плату. Обеспечивают высокую точность, но дороги.
• Монолитные — несколько резонаторов формируются на одной кварцевой пластине методом фотолитографии. Дешевле, компактнее, но имеют несколько худшие параметры.

Характеристики

Основные параметры кварцевого фильтра:

• Центральная частота (f0) — частота, на которую настроен фильтр. Обычно лежит в диапазоне от нескольких килогерц до сотен мегагерц.
• Полоса пропускания (Δf) — диапазон частот, в котором затухание сигнала не превышает заданного уровня (обычно 3 дБ).
• Затухание в полосе пропускания — потери сигнала на центральной частоте. Для качественных фильтров составляет 1–3 дБ.
• Затухание вне полосы пропускания — подавление сигналов за пределами полосы. Может достигать 60–100 дБ.
• Добротность (Q) — отношение резонансной частоты к полосе пропускания. Для кварцевых фильтров Q может превышать 10 000.
• Температурная стабильность — изменение параметров при изменении температуры. Зависит от среза кварцевой пластины (AT-срез, BT-срез и др.). AT-срез обеспечивает минимальный температурный дрейф в широком диапазоне температур.

Применение

Кварцевые фильтры находят применение в различных областях радиоэлектроники:

• Радиоприёмные устройства — фильтры промежуточной частоты (ПЧ) в супергетеродинных приёмниках. Обеспечивают избирательность по соседнему каналу.
• Передатчики — формирование спектра выходного сигнала, подавление гармоник и побочных излучений.
• Системы связи — многоканальные фильтры в аппаратуре уплотнения линий связи.
• Измерительная техника — селективные вольтметры, анализаторы спектра, измерители нелинейных искажений.
• Эталоны частоты — кварцевые фильтры используются в составе кварцевых генераторов для стабилизации частоты (например, в часах, навигационных приборах).
• Военная и авиационная техника — аппаратура связи, радиолокации, навигации, где требуется высокая надёжность и стабильность параметров в широком диапазоне температур и вибраций.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая добротность и стабильность частоты.
• Малые габариты и масса по сравнению с LC-фильтрами аналогичной избирательности.
• Возможность получения очень узких полос пропускания (до десятков герц).
• Высокая избирательность (крутые скаты характеристики).
• Долговременная стабильность параметров (кварц не стареет).

Недостатки

• Ограниченный диапазон рабочих частот (обычно до 200–300 МГц, для более высоких частот используются другие типы пьезоэлектриков).
• Сложность изготовления и точной настройки.
• Чувствительность к механическим воздействиям (удары, вибрации) — могут возникать паразитные резонансы.
• Относительно высокая стоимость по сравнению с LC-фильтрами.
• Температурная зависимость (хотя для AT-среза она минимальна).

Интересные факты

• Кварцевые фильтры используются в аппаратуре спутниковой связи и системах глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС) для выделения сигналов на фоне шумов.
• В СССР и России кварцевые фильтры производились в том числе на предприятиях оборонной промышленности, например, на заводе «Кварц» в городе Кыштым (Челябинская область).
• Существуют кварцевые фильтры с перестраиваемой частотой, в которых используется эффект изменения ёмкости варикапа, включённого последовательно с резонатором.
• Монолитные кварцевые фильтры (MCF — Monolithic Crystal Filter) были разработаны в 1960-х годах и позволили значительно уменьшить размеры и стоимость фильтров для массовой аппаратуры.

Источники

• Альтшуллер Г. Б., Ефимов И. П., Шапиро Д. Н. «Кварцевые резонаторы и фильтры». — М.: Связь, 1971.
• Маттей Д. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. «Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи». — М.: Связь, 1971.
• Бендат Дж., Пирсол А. «Прикладной анализ случайных данных». — М.: Мир, 1989 (раздел о кварцевых фильтрах).
• ГОСТ 25519-82 «Резонаторы кварцевые. Термины и определения».
• Справочник по радиоэлектронике / Под ред. А. Д. Смирнова. — М.: Энергия, 1976.