机电式滤波器

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滤波器的好坏可从三方面来加以考察:第一,通频带的宽度;第二,通带内的损耗和阻带内的损耗;第三,频率响应曲线。优良的带通滤波器要求在通带内的损耗小,而在阻带内的损耗非常大,使通带内的信号频率能很顺利地通过滤波器,而阻带内的信号受到极大的损耗,“通”不过去。组成滤波器的电容器和线圈的质量因数Q愈高,在通带范围内的损耗便愈小,频率响应曲线的两边下降得愈陡,也就是说愈接近П形,滤波器的选择也就愈好。可是,电容器和线圈的Q值很难提得很高,譬如在100—1000千周范围内的滤波器中的电感线圈的Q值,很难超过200。

机械谐振体构成的机械谐振“回路”,它的质量因数极高:用钢片制成的机械谐振体的Q值约2000—3000,铝片和铝合金片的Q值约的5000—9000,镁片作扭转振动时可达100,000。石英的Q值更高,在空气中为30,000—40,000,在真空中为300,000—400,000。因此,用机械谐振体来代替电容器和线圈构成的谐振回路,便能制成性能优良的滤波器。图1中表示电容电感滤波器,机电式滤波器和理想滤波器的频率响应曲线。从图中不难看出,机电式滤波器的曲线非常接近理想滤波器的曲线,选择性比普通的滤波器好得多。

图1
图1 🔍原图 (650×555)

机电式滤波器的机械谐振回路,是由谐振体和偶合体构成的。谐振体有矩形的、圆形的和圆柱形的三种。谐振体之间用细金属丝或直径较粗的金属线作为偶合体连接起来。连成一串的谐振体装在支架上,两端的两个谐振体又分别和两个机电变换器相接触。机电变换器的大致构造(见图2)如下:激励线圈中有一根一定大小的磁致伸缩杆(它是一种磁性材料,会随着磁化程度的不同而伸长或缩短它的几何长度),它的大小视所需的谐振波长而定,磁致伸缩杆的一端有一块永久磁铁。杆的一部分被永久磁铁所磁化,而通过激励线圈的交流电或是增加磁化程度,或是加以削弱,于是杆的长度便作相应的伸长或缩短,因为磁致伸缩杆的伸缩是和磁化程度成正比的。如果流过线圈的交流电的频率恰好等于伸缩杆的固有频率,那么很小的电流便能引起伸缩杆的剧烈振动,杆的振动传给调谐在该频率上的谐振体,使它振动。谐振体的振动又传给输出变换器的磁致伸缩杆。由于伸缩杆被永久磁铁所磁化,所以它在线圈中的振动就会在线圈的两端感应出电压来。在通带内的信号频率就这样通过了滤波器,通带外的信号频率不能使磁致伸缩杆和谐振体振动,便通不过滤波器。

图2
图2 🔍原图 (1176×422)

磁致伸缩杆通常是用纯镍制成的,因为它的磁致伸缩特性很好。可是它也有一个严重的缺点:镍杆中的涡流损耗很大,结果降低了它的等效Q值。此外,镍的机械质量因数较低,只有几百。因此,目前大都采用铁淦氧磁物,它的机械质量因数高,而且涡流损耗小。

工作频域 滤波器的谐振频率基本上决定于机械谐振体的几何尺寸和制成谐振体的材料。谐振体的尺寸大,它的机械振动频率便低,所以机电式滤波器的工作频率的下限决定于实际应用时谐振体所允许的尺寸。工作频率的上限决定于制造谐振体时所能达到的准确度。因为只有各谐振体之间所相差的谐振频率很小时才能使滤波器正常地工作。随着频率的增高,制造谐振体时所要求的准确度就大大提高。譬如当频率f\(_{0}\)=450-500千周时,为了保证滤波器的正常工作,各谐振频率之间所相差的频率应小于100周,这时谐振体的尺寸的准确度应该达到1微米。

目前机电式滤波器应用在100到1000千周的频域中。

滤波器通频带的宽度 通带宽度和谐振体的尺寸、材料、机械偶合体的材料以及偶合体和谐振体间接固点的位置都有关系。由于谐振体的机械质量因数很高,采用适当的焊接方法,使引入的衰耗最小,那末就能获得相当狭的通带。关于增加通带宽度的问题,目前研究得还很少。无论如何,在解决这个问题时还没有碰到像我们在提高滤波器谐振频率时所碰到的困难。现在已经制成了f\(_{0}\)=455千周时,通带宽度约为14千周的滤波器。机电式滤波器的一般通带宽度为0.3千周、0.8千周、3.1千周、6.0千周和10千周。

频率响应曲线的形状 毫无疑问,机电式滤波器和电容电感滤波器相比的优点是它的频率响应曲线非常接近П形(见图1),因此能毫不含糊地把通带频率和阻带频率分开来。在这方面,甚至复杂而昂贵的电容电感滤波器也远不及简单而便宜的机电式滤波器。

频率响应曲线的下降斜率,基本上决定于谐振体的质量以及它的机械质量因数。图3表示频率响应曲线的形状和滤波器中谐振体数目间的关系。很明显的,谐振体数目的增加有一个限度,超过这个限度后,效率增加得很少。因此,甚至在最优良的滤波器中的机械谐振体也不超过6—8个。

图3
图3 🔍原图 (493×561)

滤波器参数和温度的关系谐振频率和机电式滤波器的通频带,主要和谐振体的几何尺寸和材料有关。因此,谐振体的几何尺寸因周围环境温度的改变而引起的变化,将不可避免地引起谐振频率的偏移和滤波器通频带宽度的变化。如果不采取专门的措施来消除这些现象,那末通频带宽度的变化范围和谐振频率的偏移便不会很小。此外,当温度升高或下降时,谐振体材料的弹性系数变化得很厉害,因此也引起谐振频率的变化。倘使滤波器的谐振体是用纯钢制成的,那末当温度下降100℃时谐振频率的偏移将大于1千周。因此,在选择谐振体的材料的时候,不但要考虑怎样去获得谐振体的最大机械质量因数,同时还要考虑这种材料的温度稳定性。

体积和重量 机电式滤波器的大小主要和谐振体的形状和数目以及决定谐振体尺寸的谐振频率有关。因此,机电式滤波器的频率一般都不低于100千周,否则它的尺寸就会太大。频率从100到1000千周的机电式滤波器的尺寸和重量,通常比选择性相同的电容电感滤波器小得多。例如,谐振频率为455千周的机电式滤波器的重量不到30公分,它的体积约为15立方公分。

振动的影响 振动时的动能对滤波器的影响跟这些元件的质量以及在移动时所产生的加速度有关。由于构成滤波器的元件的质量非常小,而加速度又可以用防震的方法大大减低,因此惰性力几乎不起什么作用。

机电式滤波器的优缺点 如果机电式滤波器和电容电感滤波器的尺寸和重量相等,那末机电式滤波器的电的特性(П形的谐振曲线,通频带范围内的损耗小,工作稳定等等)要好得多,而在电的特性相同的情况下,则能大大降低机件的成本,缩小它的尺寸,减轻它的重量。

机电式滤波器的缺点如下:机电式滤波器的工作频域目前还很狭,频率也相当低。机电式滤波器的谐振体的机械加工的准确度,要求很高,因此大量生产就很困难。由于机电式滤波器中没有调节的元件,所以在总的调谐滤波器时引起一定困难。机电式滤波器和电容电感滤波器的混合使用,在某种程度上是能克服上述缺点的。

最后,让我们看一看在各种不同型式的收信机中采用机电式滤波器的可能性。

机电式滤波器自然可以用作收音机中的中周变压器,图4就是采用机电式滤波器的普通无线电广播收音机的一部分原理图,其中机电式滤波器装在变频器和第一级中频电压放大级之间。但是这种做法是不聪明的,因为目前的电容电感带通滤波器完全能满足这种收音机所需的选择性。使用了机电式滤波器反而使制造厂调整收音机的过程复杂化。此外,中频电压放大器通频带的加宽会减小中频的增益。

图4
图4 🔍原图 (665×523)

机电式滤波器宜用在复杂的收信机,因为这种收信机中的主要指标是选择性高。由于机电式滤波器的选择性曲线下降得很陡,接近理想的П形曲线,因此不但能满足选择性的要求,而且甚至能缩短两个载频间的间隔,从而将一部分频域解放出来,作为其它各路通信之用。譬如,当中频为455千周,通带为10千周时,几乎可将两载频间的间隔缩短二分之一。在通频带更狭的条件下,上述的优点就更明显。

此外,由于机电式滤波器的频率特性曲线是一个П形,改善了信号噪声比,因此收信机的实际灵敏度就有所提高。

大家都知道,收信机在接收电报信号的时候,为了增加收信机的实际灵敏度就必须把通频带减缩到几百周。以前,一般只能采用价格昂贵的石英滤波器,现在能用狭带的机电式滤波器来代替了。这样不但能大大节省石英原材料的消耗量,而且还能降低收信机的成本。此外,机电式滤波器还能代替频率固定的小功率振荡器中的石英,这种振荡器在通信技木和测量技术中用得极广泛。图5中所示的是一种振荡器的简单的线路图,其中频率的稳定是靠环状铁淦氧磁物的谐振体来实现的。当L\(_{1}\)C1回路大致上调谐在谐振体的频率上时,就会产生自激。环状铁淦氧谐振体的外径为8.2公厘,内径为l.5公厘时,能产生频率为380千周的径向振动。就频率稳定方面来说,这种振荡器处在普通回路构成的振荡器和石英振荡器之间,然而的淦氧磁物谐振体的价格要低得多。

图5
图5 🔍原图 (507×492)

大家都知道,便携式收信机的外表尺寸要小,重量要轻。如果用尺寸小而质量高的机电式滤波器来代替庞大的电容电感滤波器,那末收信机的尺寸和重量便能大大缩小。

机电式滤波器跟半导体器件、微型零件和印成电路的配合使用,将能制成极其紧凑而轻巧的中频电压放大器。(朱邦俊编译)