CN1096144C - 梯形滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种可减小滤波特性失真、具有绝缘支承基片(12)的梯形滤波器。图形电极块区上连有支承构件(22、24等)。多个压电谐振器(50a-50d)安装在支承构件上并以梯形方式连接成滤波器。每个压电谐振器具有由压电层(54)和内电极(56)叠合而成的基本元件(52)，它的一个侧面上的外电极(62、64)与它的内电极(56)相连。压电谐振器的宽度w、厚度t和叠合层数n满足表达式1≤log10(n2wt)≤3。

Description

梯形滤波器
发明的领域
本发明涉及梯形滤波器，具体地说，涉及包括多个以梯形方式串联和并联的压电谐振器的梯形滤波器。
发明的背景
图16是用于常规梯形滤波器的压电谐振器1的透视图。压电谐振器1包括形状例如是具有矩形主表面的扁平块的压电基片2。该压电基片2沿着其厚度方向极化。在压电基片2的两个主表面上形成电极3。当信号由电极3之间输入时，就有电场沿着压电基片2的厚度方向施加至压电基片2上。从而使压电基片2沿纵向发生振动。图17是压电谐振器1，它包括具有方形主表面、扁平块状的压电基片2，在压电基片2的两个主表面上形成电极3。在这个压电谐振器1中，压电基片2同样沿其厚度方向极化。当在压电谐振器1的电极3之间输入信号时，沿厚度方向向压电基片2上施加电场，压电基片2以方形振动模式(沿平面方向)振动。
如图18所示，以梯形方式串联和并联这种类型的压电谐振器可形成梯形滤波器。这种梯形滤波器可用作，例如无线电设备、通讯设备或类似设备中的中频滤波器。
但是，在使用这种梯形滤波器时，存在着经过滤的波形受到干扰的可能性。例如，这种干扰表现为2db通带宽度明显降低。
鉴于上述问题，本发明的主要目的是提供一种可减小滤波特性失真的梯形滤波器。
本发明人在例如日本专利申请8-110475的说明书中提出了一种叠合的压电谐振器，用它可代替用于常规梯形滤波器中的压电谐振器。这种压电谐振器是一种电场施加方向和振动方向相互重合的增强型压电谐振器。与常规压电谐振器相比，这种压电谐振器具有较多的影响滤波特性的因子，如叠合层的宽度、厚度和数量。因此对在使用这种叠合压电谐振器的梯形滤波器中怎样通过控制这些因子改善滤波特性进行了研究。结果发现如果用w表示的压电谐振器的宽度、用t表示的压电谐振器的厚度、用n表示的分别由一个压电层和与该压电层相邻的一个电极构成的叠合层的数量满足表达式1≤log10(n2wt)≤3，可获得良好的滤波特性。
在用于这种梯形滤波器的压电谐振器中，压电层沿着基本元件的纵向极化，并且电场是施加在两个相邻电极之间的压电层上的。与基本元件中的电极相连的外电极是形成于压电谐振器的一个表面上的，使压电谐振器能以表面安装(mount)方式安装在基片上形成梯形滤波器。
同样，可以如下方式制造片状梯形滤波器：在绝缘基片上形成图形电极，将压电谐振器安装在基片上形成梯形滤波电路，随后用盖子覆盖压电谐振器。
发明的概述
为达到所述目的，本发明提供一种上述类型的梯形滤波器，其特征在于每一个所述压电谐振器包括具有许多压电层和许多内电极沿纵向交替叠合的基本元件，当借助于所述内电极将电场施加至所述基本元件时，所述压电谐振器沿基本元件的纵向振动，每个所述压电谐振器都满足表达式：
                    1≤log10(n2wt)≤3，
其中，n是叠合的层数，每个叠合层由一层所述压电层和一层与所述压电层相邻的所述内电极构成；w(mm)和t(mm)分别是每个所述压电谐振器的宽度和厚度。
在上述梯形滤波器中，每个所述压电层可沿所述基本元件的纵向被极化。
在上述梯形滤波器中，在每个所述内电极两侧的相邻两个所述压电层可沿相反方向极化。
在上述梯形滤波器中，每两个相邻的所述内电极可分别与两个不同的外电极相连，所述外电极被置于所述基本元件的至少一个侧面上。
在上述梯形滤波器中，可用梯形方式将多个所述压电谐振器串联和并联地连接在表面上设有图形电极(pattern electrodes)的支承基片上。
按照本发明，可获得滤波特性改善的梯形滤波器。该梯形滤波器可具有较大的2db通带宽度。
如果可使用表面安装方式将压电谐振器安装在基片上，则无需使用引线或类似物连接压电谐振器，从而能减小梯形滤波器的尺寸。另外，如果将压电谐振器设计成片状元件，则可很容易地将它安装在印刷线路板或类似物上。
附图简述
从参照附图对本发明较好实例所作的详细描述中，可清楚地看到本发明的上述和其它目的、特征和好处。
图1是代表本发明的一个较好实例的梯形滤波器的部件分解透视图；
图2是图1所示梯形滤波器的横截面图；
图3是用于图1梯形滤波器的压电谐振器的透视图；
图4是展示图3压电谐振器结构的示意图；
图5是用于图4压电谐振器的基本元件的平面图，在该基本元件上形成有多条绝缘膜；
图6是用于图1梯形滤波器的压电谐振器的另一个例子的示意图；
图7是展示用于图6压电谐振器的基本元件的两个横截面的示意图；
图8是图1梯形滤波器的等效电路示意图；
图9是梯形滤波器试样1的滤波特性曲线；
图10是梯形滤波器试样2的滤波特性曲线；
图11是梯形滤波器试样3的滤波特性曲线；
图12是梯形滤波器试样4的滤波特性曲线；
图13是梯形滤波器试样5的滤波特性曲线；
图14是梯形滤波器试样6的滤波特性曲线；
图15是梯形滤波器试样7的滤波特性曲线；
图16是用于常规梯形滤波器的压电谐振器的透视图；
图17是用于常规梯形滤波器的另一个压电谐振器的透视图；
图18是使用图16或17压电谐振器的常规梯形滤波器的等效电路示意图。
较好实例的详细描述
图1和2表示代表本发明实例的梯形滤波器10。梯形滤波器包括由绝缘材料(如氧化铝)制成的支承基片12。在支承基片12的两条相对的边上分别具有三个凹口。在支承基片12上形成四个图形电极14、16、18和20。图形电极14、16和18分别从支承基片12的一条所述边上的三个凹口延伸至支承基片12的中央。
图形电极20在支承基片12无凹口的两条相对的边之间延伸。两个延伸臂(extension)20a和20b从图形电极20向支承基片12的中央延伸。延伸臂20a延伸至图形电极14和16之间，另一个延伸臂20b沿着支承基片12无凹口的一条边向图形电极18延伸。图形电极14、16和18以及图形电极20的延伸臂20a和20b伸出的顶端部分的宽度较大，形成排成一排的块区。
支承构件22连接在图形电极14的块区上。两个支承构件24和26连接在图形电极20的延伸臂20a的块区上；两个支承构件28和30连接在图形电极16的块区上；两个支承构件32和34连接在图形电极18的块区上。支承构件36连接在图形电极20的延伸臂20b的块区上。用例如下述的方法制造每个支承构件22-36：在由环氧树脂等制成的内芯38的相对的两个侧面上分别形成表面电极40。用导电粘合剂42或类似物将支承构件22-36连接至块区上。当进行这种连接时，用导电粘合剂42将支承构件22-36不带表面电极40的主表面粘结至块区上。导电性粘合剂与在支承构件22-36两个相对侧面上的表面电极40相接触，以便将块区和表面电极电气相连在一起。
将压电谐振器50(50a、50b、50c、50d)安装在支承构件22-36上。如图3所示，每个压电谐振器50包括形状为例如矩形块的基本元件52。如图4所示，基本元件52由许多压电层54(由例如压电陶瓷材料制成)和许多内电极56叠合而成。每个内电极56的主表面与基本元件52的纵向垂直。压电层54沿着基本元件52的纵向极化，使得在每个内电极56两侧的相邻两个压电层54以相反的方向极化(如图4箭头所示)。但是，基本元件的纵向两端未被极化。
如图5所示，在基本元件52的一个侧面上，形成了若干条绝缘膜，与基本元件52宽度方向上相对的两条较长的边相邻。内电极56的边缘在基本元件52的所述侧面露出。内电极56露出的各边缘与所述侧面的一条较长边相邻的部分，交替地用绝缘膜58覆盖和不覆盖。而内电极56露出的各边缘与所述侧面另一较长边相邻的部分中，另一端未被绝缘膜58覆盖的那些部分用绝缘膜60覆盖。
另外，在基本元件52的所述侧面上，在宽度两侧形成外电极62和64，即形成于基本元件52所述侧面的两个具有绝缘膜58和60的部位上。未被绝缘膜58覆盖的内电极56与外电极62相连，未被绝缘膜60覆盖的内电极56与外电极64相连。即在每两个相邻的内电极56中，一个与外电极62或64相连，另一个与外电极64或62相连。或者，可以用如下方式形成内电极56：即制作叠层时露出准备与外电极62或64连接的部分，其它部分不露出，如图6和7所示。在这种情况下，不需要特别使用绝缘膜58和60。
在压电谐振器50中，将外电极62和64用作输入/输出电极。当压电谐振器运行时，电场被施加至由各个相邻内电极56之间的部分构成的基本元件52的中央区段上。从而使基本元件52的中央区段具有压电活性。但是，因为基本元件52的两个端区未被极化，并且因为在基本元件52的两个顶端表面上无电极而使得在两个端区内未施加电场，所以基本元件52的两个端区不具有压电活性。因此，基本元件52的中央区段形成活性区段66，它能被输入信号所激活，基本元件52的两个端区形成非活性区段68，它不能被输入信号所激活。每个非活性区段68定义为输入信号不能产生驱动力的区段。因此，可将电场施加至每两个相邻的内电极56之间的区域，如果电极之间的区域未被极化。同样，可使用一种用于抑制电场施加至每个相应的极化压电层54中的结构。可根据需要将这种非活性区段68置于基本元件52中要求的位置上。同样，不是必定要形成非活性区段68的，整个基本元件52可形成一个活性区段。
当信号输入至该压电谐振器50时，电压以相反的方向施加至以相反方向极化的活性区段66中的压电层54。从而引起所有压电层54的膨胀和收缩，激发纵向基本模式、在基本元件52中心具有波节的振动(整个压电谐振器50的振动)。在该压电谐振器50中，活性区段66的极化方向、随信号而异的每个电场方向和活性区段66的振动方向相互重合。即该压电谐振器50是增强型(stiffened type)的。
将如此制得的压电谐振器50a和50d排列在支承基片12上。将压电谐振器50a安装在支承构件22和24上，用导电性粘合剂70或类似物将它的外电极62和64分别粘结在支承构件22和24上。当将外电极62和64安装在支承构件22和24上时，导电性粘合剂70与支承构件22和24的表面电极40相接触，使外电极62和64与表面电极40电气相连。同样，用导电性粘合剂70或类似物分别将压电谐振器50b的外电极62和64粘合在支承构件26和28上，使压电谐振器50b安装在支承构件26和28上。同样也用导电性粘合剂70或类似物分别将压电谐振器50c的外电极62和64粘合在支承构件30和32上，将压电谐振器50c安装在支承构件30和32上。用导电性粘合剂70或类似物分别将压电谐振器50d的外电极62和64粘合在支承构件34和36上，将压电谐振器50d安装在支承构件34和36上。
将一金属盖(未表示)置于支承基片12上。为防止金属盖与图形电极14、16、18和20短路，预先将一种绝缘树脂施加至支承基片和图形电极14、16、18和20上。盖上金属盖以后，就完成了梯形滤波器的制造。
梯形滤波器10具有如图8所示的梯形的电路，例如两个压电谐振器50a和50d用作串联谐振器、另两个压电谐振器50b和50c用作并联谐振器。将如此构造的梯形滤波器10设计成并联压电谐振器50b和50c的电容量显著地大于串联电容器50a和50d的电容量。在这种梯形滤波器中，衰减特性取决于串联电容器50a和50d的阻抗特性和并联电容器50b和50c的阻抗特性。
根据上述梯形滤波器10，制得中心频率为455kHz(对应于无线电广播和通信系统的中间频率)的滤波器(试样1-7)。测量随着以w表示的压电谐振器50a-50d的宽度、以t表示的压电谐振器50a-50d的厚度以及以n表示的、分别由一个压电层54和一个与之相邻的内电极56构成的叠合层的数量而变化的试样1-7的滤波特性。确定滤波特性与数值w、t和n之间的关系。表1列出了测量和检查结果，图9-15给出梯形滤波器试样1-7的滤波特性。
                                             表1
  试样序号   1   2     3     4     5     6     7
  2db通带宽度(kHz)   4.7   6.9     10.1     11.9     10.8     8.9     5.8
串联谐振器 叠合层数n   20   16     10     5     3     2     2
宽度w(mm)   1.0   1.0     1.0     1.2     1.1     1.6     0.8
厚度t(mm)   1.0   0.8     1.0     1.0     1.1     0.8     0.8
log10(n2wt)   2.6   2.3     2.0     1.5     1.0     0.71     0.6
并联谐振器 叠合层数n   44   32     25     20     10     5     5
宽度w(mm)   2.0   1.95     1.6     0.75     1.0     2.0     1.0
厚度t(mm)   1.0   1.0     1.0     1.0     1.0     1.0     1.0
log10(n2wt)   3.6   3.3     3.0     2.5     2.0     1.7     1.6
从测量结果可见，当w、t和n满足不等式1≤log10(n2wt)≤3时可获得良好的滤波特性。在试样1和2中，并联电容器的log10(n2wt)超出此范围。在试样6和7中，串联电容器的log10(n2wt)超出此范围。这些梯形滤波器具有失真的滤波特性和较小的2db通带宽度。相反，梯形滤波器试样3-5的log10(n2wt)在上述范围内，这种梯形滤波器具有不失真的滤波特性和较大的通带宽度。特别是梯形滤波器试样4具有优良的滤波特性和2db通带宽度。在该滤波器中，串联谐振器的log10(n2wt)为1.5，并联谐振器的log10(n2wt)为2.5。
对用于梯形滤波器10的压电谐振器50的宽度w、厚度t和叠层数量n进行选择，使之满足上述不等式，从而获得具有良好滤波特性的梯形滤波器。同样，将压电谐振器安装在表面带有图形电极的绝缘基片上，并用金属盖覆盖这些元件可制成片形滤波器。可将这种片形滤波器设计成能以表面安装方式安装在印刷电路板等上的电子元件。
可在基本元件52相反的两个侧面上形成两个外电极代替在一个侧面上形成两个外电极，构造压电谐振器50。在这种情况下，将一个外电极置于图形电极上并与之相连接，并用引线将另一个外电极与另一个图形电极相连。但是，在两个外电极形成于一个侧面的情况下，可以用表面安装的方式将压电谐振器50a-50d安装在基片上，从而能减小梯形滤波器10的尺寸。尽管描述了使用四个压电谐振器50a-50d的四元件梯形滤波器，但是显然本发明能用于任何其它元件数的梯形滤波器，如六元件梯形滤波器。

Claims (6)

1.一种梯形滤波器(10)，它包括以梯形方式串联和并联的多个压电谐振器(50a、50b、50c、50d)，其特征在于每个所述压电谐振器(50a、50b、50c、50d)包括由许多压电层(54)和许多内电极(56)沿纵向交替叠合而成的基本元件(52)，通过借助于所述内电极(56)向所述基本元件(52)施加电场，所述压电谐振器(50a、50b、50c、50d)沿所述基本元件(52)的纵向振动，并且每个所述压电谐振器(54)满足表达式1≤log10(n2wt)≤3，其中n是由一层所述压电层(54)和一层与所述压电层(54)相邻的所述内电极(56)构成的叠合层的数目；w(mm)和t(mm)分别是每个所述压电谐振器(50a、50b、50c、50d)的宽度和厚度。
2.如权利要求1所述的梯形滤波器(10)，其特征在于所述各压电层(54)是沿所述基本元件(52)的纵向极化的。
3.如权利要求2所述的梯形滤波器(10)，其特征在于位于每个所述内电极(56)两侧的相邻两个所述压电层(54)是以相反方向极化的。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的梯形滤波器(10)，其特征在于每两个相邻的所述内电极(56)分别与在所述基本元件(52)的至少一个侧面上的两个不同的外电极(62、64)相连。
5.如权利要求1-3中任何一项所述的梯形滤波器(10)，其特征在于多个所述压电谐振器(50a、50b、50c、50d)以梯形方式串联和并联地连接在表面有图形电极(14、16、18、20)的支承基片(12)上。
6.如权利要求4所述的梯形滤波器(10)，其特征在于多个所述压电谐振器(50a、50b、50c、50d)以梯形方式串联和并联地连接在表面有图形电极(14、16、18、20)的支承基片(12)上。
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