关于话路机械滤波器的原理和设计介绍

一、 机械滤波器的主要技术要求
1. 通带频率衰耗特性见表1：表 1

2．阻带防卫度见表2：表 2

3.阻抗75Ω。
4.应经受下列环境试验满足上述技术要求：
1）使用温度范围：+5°～+45℃
2）高温高湿试验：温度+32℃，相对湿度98％（48小时）
3）振动试验：频率30Hz，振幅0.8mm，三方向，每方向40分钟
4）冲击试验：冲击加速度7g，速率60次/分，三方向，每方向各5分钟。
机械滤波器的温度特性见图1。

图1 机械滤波器的温度特性

二、在试制和生产中遇到的几个问题
1. 机械滤波器的长期稳定性：
据我们所知，电气元件的长期稳定性，还没有一个什么仪表或设备能直接测试。国外在机械滤波器资料中曾介绍他们的产品一年、十年变化的情况，但并未给出试验依据及有关说明，估计是从短期变化中推出长期变化的曲线。即是这样，它对测试设备要求也相当高。
话路滤波器要求比较高，特别是过渡带只有300Hz。载频点防卫度达3N以上，通带波动在0.05N。目前我们使用的测试设备精度较差，频率精度为±2Hz。电平表最小指示刻度为0.05N，这给稳定性试验带来相当大的困难。对于稳定性的试验主要寄托于放置一定时间，对滤波器性能进行观察。
在过去的生产过程中这个问题比较突出的。如两次整机线路试验中发现有滤波器特性变坏；在生产机盘和整机时有部分滤波器特性变坏而返修（1～2％）；在生产滤波器过程中，初调好特性经装配，烘40℃24小时，或复测盖盒等工序往往有10～30％特性变坏。我们也曾利用返修机会检查过几批产品。如七0年一月××产品用机械滤波器至七一年有23％不合格，七一年二月生产的到四月复测有5％不合格；七0年六月生产到七一年三月复测有28～82％不合格（各品种不合格率由差异）。上述这些不合格的滤波器主要表现在通带波动变化大，特别是600～2400Hz超过0.05N要求。
对这些性能不稳定的滤波器我们进行了分析。其中主要原因是由于工艺操作不当（如虚焊、漏焊、振子碰壳等）和机械滤波器本身的老化所致。就进机械滤波器本身来说，换能器、电感、电容的老化是极为重要的因素。现将我们对老化问题的考虑介绍如下：
1）换能器的老化
从机械滤波器原理可知，换能器的两电气端与三元件匹配半节的II端匹配地联接，如果说换能器的参数发生变化（如换能器谐振频率?。，机电耦合系数Kp，静电容C。），则匹配受到破坏，这将直接使滤波器通带波动变坏。就换能器的谐振频率?。而言，变化约80Hz，将使通带波动变化0.01N。
换能器是由两个镍铬鈦合金棒（Ni42CrTi）和夹在中间的压电陶瓷用高频焊接而成，它的稳定性主要取决于性能不够稳定的压电陶瓷。压电陶瓷的时间老化性能差，同时受热冲击后性能变化大，造成短期不稳定。为此采用了如下措施。
a) 在制作过程中（瓷片、沾锡、换能器高频焊接、频率调试），尽量减少热冲击机会；换能器焊在机械系统上时，如
温度过高马上侵入冷水中。
b) 采用人工老化工艺
压电陶瓷单片经120℃48小时老化；作为换能器后先经80℃48小时老化，然后经-40℃（2小时）→常温（2小时以上）
→80℃（6小时）→常温（2小时以上）三次循环老化；换能器调试频率完毕放置二星期以上方能使用。
c) 将原102℃焊锡改为138℃焊锡，配方于表3所示。这样可以提高抗热冲击能力。同时提高了换能器的工作温度。
表 3

2）电感老化：
为了提高电感的老化性能，铁芯烧结后应放置半年以上方允许使用。由于考虑到滤波器的非线性失真，将GU－14铁芯常用气隙0.17mm改为1.2mm，对电感老化性能也有所提高。
3） 电容器的稳定性：
聚苯乙烯电容的时间老化特性有待于进一步研究，从目前来看能保证3‰。电容在低电平开路问题仍然存在。从1200只机械滤波器返修中有5只电容开路。均是铝箔点焊工艺问题所致，严重影响了机械滤波器电性能的可靠。
4）机械滤波器的老化：
为了消除由于机械系统在机械加工时受到的应力及加热过程中受到的热应力对滤波器特性的影响，进一步提高换能器、电感、电容的老化性能，装配复测好的机械滤波器放置一个月后，测试合格方能交货。
通过上述老化措施，稳定性有较大的提高。滤波器经10个月以上自然老化600～2400Hz内通带波动变化约为0.01～0.02N。用以上老化工艺，共1200只返修的滤波器存放六个月后有26只不合格，其中5只通带频率特性超过0.05N，5只因电容在低电平开路使滤波器性能变劣，其余大都因为装配、焊接不当所造成。
2.阻抗：
图2是60～64KHz机械滤波器的阻抗特性。表4是它各点的阻抗值。可见，它的阻抗为我们预定的定K型阻抗。由于该滤波器机械Q值高，内部反射强烈，电气匹配半节衰耗值又较小，故通带阻抗变化较大，一般反射衰耗小于20％，个别点（1～3点）达25％甚至30％。为了解决这一问题，机械滤波器与调制器相移采用0.3～0.7N的缓冲衰耗器，与汇集放大器相移时，放大器用低内阻3～5Ω。目前整机使用能满足要求。

图 2 机械滤波器阻抗特性
3.非线性失真：
过去生产的机械滤波器非线性失真较大，影响整机忙时串杂音，将原GU-14铁芯气隙0.17mm改为1.2mm得到消除。
4.阻带内寄生峰的抑制：
机械滤波器阻带某频率点出现衰耗激烈下降，严重点达4.8N。据分析是由于谐振纵振栋以外的其他振动所致（称为寄生振动）。抑制寄生峰的方法很多，我们是选取适当的振子直径和长度，将阻带寄生提高到6N以上。
5.群延时失真：
由于高速数传对载波话路的群延失真提出了高的要求，清华大学同志已作了详细介绍。图3是机械滤波器，LC滤波器群延时特性，其中“LC”是我厂生产的LC话路滤波器二只对测特性，“MF”是我厂生产的机械滤波器二只对测特性。图4是523厂生产的陶瓷话路滤波器群延时特性。我厂测试仪器误差较大，从这粗略的测试可以看出，在话路600～3000Hz内，LC滤波器群延时失真约为0.32ms。机械滤波器约为0.52ms，陶瓷滤波器约为0.7ms。这三种滤波器的群延时失真都较大，不能满足高速数传要求。我们曾对某产品的机械滤波器话路作过2400波特四次转接的数传试验，未发现误码现象。估计更多次转接或更高速数传试验会出现问题。在我们测试的这些滤波器群延失真大的原因，是因为设计都采用最小相移网路。怎样改善机械滤波器的群延时失真，是今后探讨的课题。就目前来说，也许只能在信道内采用其他措施来满足高速数传的要求。
表 4

注：“+”表示感抗，“－”表示容抗。

图3 MF、LC话路滤波器的群延时特性

图4 陶瓷话路滤波器群延时特性

三、材料选择及工艺方面的几个问题
1.振子材料：
目前我厂振子、耦合子材料为上海钢铁研究所3J53，3J58及大连钢厂3J53镍铬钛合金，主要技术要求如下：
1）弹性模量：E≤18500kg/mm2
2）频率温度系数：β≤±5×10－6/℃(-10℃～50℃)
3）品质因数：Q≥10000
上述两厂家生产的两种牌号的镍铬钛合金，都是利用该材料的弹性反常现象，通过适当的真空热处理来获得小的频率温度系数。为了保证上述指标3J53材料热处理为630℃2小时，3J58为680℃2小时，就目前来说在使用中还存在以下几个问题：
1） 频率温度系数随热处理温度变化较大。希望材料能在一定温度范围内热处 理满足技术要求。比如±15℃。
2）弹性模量变化范围较大（185000～21000kg/mm2）。因此，振子长度应随之更改，这对大批生产带来很大困难，希望今后能控制在±200kg/mm2范围内。
3）Q值是直接影响到滤波器特性的参数，供方在生产该材料时应对Q值进行考核。
4）焊接性能及抗腐蚀性能较差。
为了进一步提高滤波器性能，对于振子材料应作如下工作：
1） 提高振子材料性能：
a) 弹性模量E=E。±200kg/mm2或传播速度V。±1％，其中E。，V。可根据材料特性一值。
b)频率温度系数β≤1×10－6/℃(-10℃～50℃)，在最佳热处理温度±15℃内变化不大于1×10－6/℃。
C）Q≥10000
2） 耦合子材料：为了满足耦合子热处理困难的特点，希有一种不经热处理便有小的频率温度系数的材料。
3） 对于镍铬钛合金的老化性能应加以研究。
2.高频焊接机械系统的焊料：
机械系统的焊接质量直接影响到机械滤波器的特性和成品率。目前我厂生产成品率为70～80％。高频焊接质量除要有严格而合理的工艺外，还需选择适当的焊料。我厂使用焊料配方及性能如表5。这种焊料具有高的机械强度和较好的流动性，但抗腐蚀性能较常用焊锡差。今后应寻求新的焊料进一步提高抗腐性能。
表 5

3. 为了提高压电陶瓷银层附着力，对银浆配方及工艺作了改进：
1) 银浆配制：
银浆配方如表 6 所示。胶合剂 37ml 由松香 20g ，松节油 40cc 配制而成。由于松香在室温下不易溶于松节油，故需加热到 95 ～ 100 ℃。银浆配制好后在球磨时应另加松节油 20cc，球磨72小时。
2) 被银工艺：
第一次被银：银浆内加入10％釉粉，涂好银浆后在600℃炉内烧结15分钟，随炉冷却。
第二次被银：涂好银浆后在 600℃炉内烧结15分钟，随炉冷却。
第三次被银：涂好银浆后在 850℃炉内烧结15分钟，随炉冷却。
表 6

注：胶合剂 37ml近似等于40cc加松香20g。
4.为了减少由于氯化锌焊接的腐蚀作用，在换能器振子沾锡和滤波器调试时改为中性焊剂，其配方于表7。
表 7

5.为了进一步提高换能器的老化特性和减小频率温度系数对材料选择的考虑：目前我们使用PZT-5压电陶瓷，这种瓷片适用于大功率换能场合，其频率稳定度较差。能否采用频率温度系数小。老化性能好，用作频率谐振元件的PSZ-6瓷片，值得探讨。这里将我们认为较好的PZT-6，Kp40的瓷片性能与现用的PZT－5瓷片比较于表8。表中还列出了与镍铬钛合金复合成换能器的性能。看来温度系数较小的瓷片与镍铬钛合金复合成换能器易于得到小的频率温度系数。从理论上讲，选择瓷片与金属振子适当的正负温度系数和复合比关系便可得到零温度系数的换能器。然而由于材料性能的差异及大批生产中的非一致性，只能使它的温度系数减少到某一数值。对于这一点作如下打算。
表 8

1) 陶片频率温度系数降低到 10 -6 /℃数量级与±5×10 -6 /℃或更好的镍铬钛合金复合。
2) 控制材料的频率温度系数误差，使瓷片与金属振子正负频率温度系数得到满意地补偿，如瓷片为 -(1～4)×10 -4 /℃, 镍铬钛合金为20±5×10 -6 /℃。
3) 用三元系压电陶瓷，据了解三元系压电陶瓷比目前使用的二元系（ PZT型）压电陶瓷有小的频率温度系数和老化性能。

四、今后的工作设想
通过几年来的试制和生产，我们认为纵振折迭式机械滤波器用于在载波话路 60～108KHz频段是比较适合的。为了进一步提高话路机械滤波器的性能，应做如下工作。
1. 现生产的纵振折迭式机械滤波器：
1) 进一步提高稳定性，改善生产工艺，提高生产效率和成品率。特别要简化振子生产工艺，提高高频焊接质量和调试滤波器水平。
2) 进一步减小体积。例如使机械系统小型化，采用哑铃型振子。由于哑铃型振子加工较困难，能否采用粉沫冶金或压铸的方法解决。
2. 探索新型话路机械滤波器：
1) 为满足载波多路通信二次复用更高要求，应寻求一种结构简单、调试方便、通带频率衰耗特性远小于 CCITT1/5的机械滤波器，从大量生产角度力求实现零件加工自动化。简化性能调试工艺。如西德50KHz圆棒弯曲振动机械滤波器有可取之处。
2) 在机械滤波器中采用附加耦合，使它在阻带产生衰耗极，从而减少滤波器节数，缩小体积。
3) 寻求改善机械滤波器群延时失真的途径。如能否采用内部延时均衡。
作者：向天明