國營前鋒無線電儀器廠 向天明

• 概述
• 基本原理
• 電路的選擇
• 晶體諧振器的計算

在無線電測量儀器、通訊設備、遙控遙測及其他無線電設備中，常常需要通帶非常窄的帶通濾波器，它對于提高這些無線電測量儀器和設備的性能起著極為重要的作用。這些濾波器要求其頻率從數千赫到數十千兆赫，相對帶寬小到目前為止0.1%-0.01%,有的要求寬帶為幾十赫，甚至1赫。

能完成上述要求的窄帶濾波器，有機械濾波器（包括音叉濾波器、音片濾波器、棒狀或圓片狀濾波器），陶瓷濾波器和晶體濾波器。概況地說，音片、音叉濾波器適用于

20KHZ以下；圓片、棒狀濾波器適用于600KHZ以下；陶瓷濾波器、晶體濾波器適用以上所有的頻率，但晶體濾波器的Q值遠較陶瓷濾波器高，能實現更窄的帶寬。

本文介紹一種新型的濾波器－－有源窄帶晶體濾波器，可達到上述要求，有比無源晶體濾波器更窄的帶寬。無論是有源或是無源晶體濾波器都采用晶體諧振器作諧振元件。無源晶體濾波器要求晶體諧振器（以下稱做諧振器或晶體）的等效電感Lm很嚴，難以做到。然而有源晶體濾波器要求諧振器的Lm不嚴格，只較嚴格地要求Co，易于生產。

眾所周知，一塊單晶體諧振器具有等效電感Lm、等效電容Cm、等效損耗電阻rm、和結構電容Co。 如果省掉rm，可以視為理想的三元件二端網路，那么它有一個串聯諧振頻率fO和一個并聯諧振頻率的fr。將一塊諧振器串聯在兩級放大器之間，利用它的串聯諧振特性，獲得一個通帶很窄的選擇放大器、其中心fO而定，通帶寬度決定于諧振器的Q值。這種串聯晶體的選擇放大器叫做有源晶體濾波器，然而它的阻帶衰減特性差。這種選擇放大器特性差的主要原因是由于諧振器的結構電容CO所致，因為阻帶頻率信號可以通過CO由第一級放大器直接藕合到第二級、頻率較高時更為重要。為了克服這一缺點，則希望設置另一通路，以獲得與此衰減較大的衰減特性。這就是我們研制的有源晶體濾波器，其典型線路如圖1所示。



圖一中BG1是一個倒相器，調整射極的電位器R2、便可以使它的射極與集電極的電壓相位差180度幅度相等。X1、X2是兩頻相近的晶體諧振器，加在它們上面的幅度相等、相位相反的電壓，分別形成如圖1所士電流IX1和IX2。實際上可以看成一個加法器。由于在晶體諧振器的串聯諧振頻率點兩邊具有不同性質的阻抗（低頻段為容抗，高頻段為感抗），又加有幅度相等，相位相反的電壓，故在它們串聯諧振點附近兩晶體諧振器的阻抗性質相反，則流經BG2輸入端的電流是相加，輸出信號電壓最大，這便構成濾波器的通帶；在離開串聯諧振頻率較遠處，兩晶體諧振蕩器的阻抗性質相同，則流經BG2輸入端的電流相互抵消，如果說倒相器使得兩通路的相位相差180⁰，幅度完全相等，那么流經BG2輸入端的電流為零，顯然BG2便沒有信號電壓輸出，這便是濾波器的阻帶。電路中的R3、R4是調整兩晶體X1、X2的Q值；C1、C2是調整X1、X2的頻率。對于倒相器的兩輸出阻抗和BG2的輸入阻抗都要盡可能地小，以減少對晶體諧振器Q值的影響。當然，如果晶體諧振器的實際Q值遠比所需的Q值大是另一回事。至于BG1、BG2的阻抗計算與一般晶體管電路相同，這里不再詳細討論。

圖1給出了有源晶體濾波器的典型線路，在低頻段（一般在幾百KHZ以下）還可以采用運算放大器。然而在高頻段，采用集成電路困難，因此必須采用分離元件電路。例如中心頻率為30MHZ的有源晶體濾波器，我們選用了fr≥800MHZ，噪聲系數NF≤2.5db的3DG71D來實現分離元件的濾波電路.



有源晶體濾波器因消除了C

O對阻帶特性的影響,而獲得了好的濾波特性,故也可以將圖1中X1用于X2中的CO相當的電容C來代替,其電路如圖2所示.這樣一來,在一節有源濾波器中,就省了一個晶體諧振器,且濾波器的頻率—衰減特性減低不多,調試也較方便。如果對于衰減特性要求更好的濾波器，使用兩節單晶體濾波電路串接，其特性比一節雙晶體濾波電路的濾波器好。圖2中的C常采用可變電容器，其值在X2晶體諧振器CO值附近，在電路調試中進行調整。



圖3是采用射極跟隨器的有源晶體濾波器電路，這是一個具有低阻抗特性的濾波器。眾所周知，射集跟隨器BG

3具有高的輸入阻抗，低的輸出阻抗。將電路接在濾波器的末級，不但實現了濾波器的低阻抗輸出，并可減小負載對濾波器特性的影響。

圖4是采用兩級電路作倒相器的有源濾波器電路，這種電路的晶體諧振器通路和C通路相互影響小，電路調試方便。L

晶體諧振器的數量和參數的計算，主要取決于有源濾波器的頻率衰減特性。



圖5（a）為巴特沃斯型濾波器特性，它的特點是通帶和阻帶平滑。圖5（b）為契比雪夫型濾波器特性，它的特點阻帶平滑，通帶內有等波紋，就同樣元件（主要指晶體濾波器）來說矩形系數后教前者好。

下面僅對巴特沃斯型的晶體諧振器進行計算。

在串有晶體的選擇放大器中，晶體諧振器的有效值為。

 

5.測試與調試

=ω。Lm / Rs =ω。/ ωp （1）

其中：

ω。=2πf。

ωp = 2πfp

Lm為晶體諧振器的等效電感

fp為濾波器的3dB帶寬

Rs為晶體諧振器中的等效電阻

RS是晶體諧振器的等效串聯電阻rM與外電路總電阻串聯的總電阻。而外電路總電阻又是第一級放大器的輸出阻抗、第二級放大器的輸入阻抗之和，如果晶體中還串有調節帶寬的電阻，則該總電阻還應加上串聯電阻值。

圖6為不同數量晶體3dB帶寬的巴特沃斯型濾波器特性，橫軸為3dB帶寬與阻帶帶寬比Δω/ωp（或Δf /fp），縱軸是衰減量，三條曲線為不同數量晶體的衰減特性。在設計濾波器時，我們可以根據要求的阻帶特性來確定晶體的數量n。

當晶體的數量確定后，則可求出中心頻率兩側的晶體數量。

mmax=(n+1)/2 ( n為奇數 ) （2）

mmax=n/2 ( n為偶數 ) （3）

又濾波器的有效值為θ。

θ。=f。/fp (4）

其中fp為濾波器3dB帶寬。

那么，第m個晶體的θ值為θm

θm=θ。/sin[（2m-1）/n*90°] （5）

設fam為在f。以上頻率第m個晶體的頻率，fbm為在fb以下頻率的第m個 晶體的頻率，則有如下關系。

fam-fbm=fp cos[（2m-1）/n*90°] （6）

fam=f。+ fam-fbm /2 (7）

fbm=f。- fam-fbm /2 （8）

根據上式有源晶體濾波器中各晶體諧振器的θ值、頻率即可求出。

例如，鎖相測試接收機需要一個頻率未30MHZ的中頻窄帶濾波器，3dB帶寬為1KHZ，60dB衰減帶寬40MHZ輸入輸出阻抗為50Ω。

那么我們可以采用圖1電路，查圖6得知晶體諧振器選兩個即、則60dB衰減帶寬為32KHZ，可見滿足給定要求。

由（1）~(7)式得晶體諧振器參數：

fam=3000353.5HZ θa=42432.8

fbm=2999646.5HZ θb=42432.8



實際使用晶體之頻率嚴格按此要求，而θ值應大于θa，θb、因還必須考慮電路參數和適當調節帶寬的串聯電阻對θ值的影響。

圖6 巴特沃斯型有源晶體濾波器特性（3dB帶寬）

以我們研制的

30MHZ單晶體有源濾波器為例，其電路見圖3。
1. 濾波器的測試
2. 濾波器的測試

本濾波器測試電路與一般相同。由于濾波器的通帶很窄，因此要求信號源的頻率分辨率高，最好為1HZ。這里用國產PZ-1型頻率合成器，頻率范圍50KHZ-50MHZ，分辨率1HZ。也可以選用頻率分辨率高頻譜儀。

 

無論是上述哪一種有源晶體濾波器電路，其調試方法都大致相同。首先調好各級晶體管的工作點，再調倒相器，使其兩通路的幅度相等（稱之為幅度平衡），然后調整代替晶體諧振器的電容C，使濾波器滿足予定要求，衰減特性對稱，而且陡峭。

1）“幅度平衡”有兩種調整方法

(a）失諧平衡法

將信號源頻率調在離晶體濾波器通帶頻率較遠的頻率點上，如果兩通道阻抗相等（即倒相器的負荷相等），一般可調R4使BG1倒相器的射極與集電極輸出信號相等。如30MHZ濾波器選用30MHZ+800KHZ點進行調平衡。

(b）“中點”調平衡法

將信號源的頻率調在濾波器中心頻率處，調整R4使濾波器輸出最大，這時濾波器的通帶衰減很小，甚至有增益，而且帶寬很窄，但可能出現中心頻率的上下阻帶不對稱，但又可能出現通帶衰減較大，故應反復調整，折衷選擇為宜。

2) 抵消電容C 的調整

電容C是與另一通道晶體諧振器的C0值，然而裝在電路中有分布電容及BG1、BG2的輸出、輸入阻抗影響，故在實際制作時應調整。此電容對濾波器阻帶對稱性、陡峭度影響很大，需仔細調整，一般調到阻帶特性對稱為宜。

3) 通帶寬度的調整

濾波器通帶寬度與晶體諧振器的值直接有關，晶體諧振器值越高則帶寬越窄，反之帶寬越寬。在調整過程中改變了BG1的射極電阻，這直接影響了晶體諧振器的值，改變了濾波器的帶寬。為了有效地調整濾波器的帶寬，可在晶體上串聯一個電位器，如圖1所示的R3、R4。例如圖3中串一個電阻50 時，帶寬為670HZ；串一個100電阻時，帶寬為950HZ。但串聯電阻太大時，濾波器的選擇性很差，因此最好不串聯電阻。由于窄帶濾波器帶寬精細，也可在晶體上串一個適當的電容進行調整。

30MHZ一節單晶體有源濾波器實測數據如圖7，主要特性如下。

中心頻率： f0=30MHZ

阻抗： R=50

3dB帶寬 f=810HZ

通帶衰減： B0≤2.3DB

阻帶防衛度：B>30dB（在f0±15KHZ處衰減量減去通帶衰減量）



圖7 一節30MHZ單晶體有源濾波器實測特性

6.結語

有源晶體濾波器不但可實現非常窄的帶寬，而且調試、制作極為方便。
基于有源濾波器原理，也可以采用陶瓷振子、附有換能器的機械子作成有源濾波器，統稱為“有諧振子濾波器”，有機會在討論。

注：本文發表在《電子測量技術》1981第三期


 

3、C5和R10組成一并聯諧振回路，調諧在濾波器的中心頻率上，R10可以改變回路的帶寬，此回路可有效地消除由于晶體產生的寄生峰（即寄生通帶）。