機(jī)械濾波器工作原理

將輸入端電信號(hào)通過(guò)機(jī)電換能器轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)濾波后由輸出端的機(jī)電換能器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

機(jī)械濾波器的組成方法有若干種，但絕大多數(shù)是用諧振器和禍合器組成。

大家知道，由于速度和電壓之間、力和電流之間是相對(duì)應(yīng)的，所以機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)電路。

由于這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，諧振器近似于一個(gè)并聯(lián)諧振電路，而耦合器近似于一個(gè)介入二個(gè)電抗之間的假設(shè)的迥轉(zhuǎn)器或由正負(fù)電感組成的一對(duì)

用特種合金（如鐵、鎳、鉻、鈦恒彈性合金）制成的機(jī)械元件具有很高的品質(zhì)因數(shù)（可達(dá)1萬(wàn)以上）和高的穩(wěn)定性，可做成性能優(yōu)良的帶通濾波器。它具有體積小、不易受雜散電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，在通信、廣播和測(cè)量等領(lǐng)域都有應(yīng)用。

機(jī)械濾波器利用金屬細(xì)絲將一個(gè)或兩個(gè)以上的機(jī)械振蕩器縱向連接，并在輸 出、入端連接具有電氣一機(jī)械能量轉(zhuǎn)換功能的壓電 或磁致伸縮元件的一種器件。

有時(shí)還可增設(shè)阻抗匹配電路 。

元件的振蕩器材料選用使用頻率溫度系數(shù)小、Q（品質(zhì)因數(shù)）值高的各種恒彈性合金，如elinvar、co-elinvar、鎳鉬鐵彈性合金以及Ni-Span-C合 金等。

隨著時(shí)間的推移，溫度和電平的變化都會(huì)引起機(jī)械濾波器傳輸特性的變壞，因此穩(wěn)定性應(yīng)包括溫度穩(wěn)定性、時(shí)間穩(wěn)定性和電平穩(wěn)定性三個(gè)方面。

機(jī)械濾波器的穩(wěn)定性遠(yuǎn)比LC濾波器、陶瓷濾波器的優(yōu)良，且可與晶體濾波器相比擬，而且在實(shí)現(xiàn)同數(shù)量級(jí)的穩(wěn)定性時(shí)，機(jī)械濾波器的工藝比晶體濾波器要簡(jiǎn)單得多。

機(jī)械濾波器溫度穩(wěn)定性

溫度穩(wěn)定性是指濾波器的傳輸特性隨溫度變化的程度。一般來(lái)說(shuō)，中心頻率偏移主要是由振子頻率偏移所致，當(dāng)然，靜電容容量的變化匹配電路中元件值的變化，都會(huì)使通帶波動(dòng)增加。機(jī)械濾波器在0~40度的溫度范圍內(nèi)，傳輸特性幾乎不變。而在-45~85度溫度范圍內(nèi)，只要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和工藝處理（無(wú)需增加附加裝置）機(jī)械濾波器仍可正常工作。

機(jī)械濾波器時(shí)間穩(wěn)定性

時(shí)間穩(wěn)定性主要指濾波器的傳輸特性隨時(shí)間變化和程度。它主要由特作振子和換能器的恒彈性合金的經(jīng)時(shí)變化率決定。它主要由特作振子和換能器的恒彈性合金的經(jīng)時(shí)變化率真決定，通常，這種變化較小，可達(dá)到0.2~3.0*10負(fù)4次方/10A。

機(jī)械濾波器電平穩(wěn)定性

電平穩(wěn)定性是指濾波器的傳輸特性隨輸入信號(hào)電平大小變化的程度。當(dāng)濾波器輸入信號(hào)的功率超過(guò)它所能儲(chǔ)存的能量時(shí)，輸出將出現(xiàn)非線(xiàn)性失真，使濾波器中心頻率下降，帶寬增加和通帶插入損耗增大，機(jī)械濾波器的電平特性遠(yuǎn)優(yōu)于LC濾波器。

機(jī)械濾波器寄生響應(yīng)和微音效應(yīng)

凡是使用諧振子的濾波器，在它們所采用的振動(dòng)模式之外，還有其他振動(dòng)模式產(chǎn)生，并影響濾波器傳輸特性的寄生響應(yīng)和微音效應(yīng)。

1）寄生響應(yīng) 機(jī)械濾波器的寄生響應(yīng)主要由主振模式以外的其他模式的高次振動(dòng)和其他部分所產(chǎn)生振動(dòng)引起的，這些振動(dòng)統(tǒng)稱(chēng)為雜散振動(dòng)。寄生響應(yīng)對(duì)濾波器的傳輸特性影響到極大，所以在設(shè)計(jì)、工藝處理和制造中都作為一個(gè)重要問(wèn)題來(lái)對(duì)待。

2）微音效應(yīng) 在低頻機(jī)械中濾波器中，機(jī)械振子的振動(dòng)頻率較低，容易受到外界振動(dòng)的干擾而產(chǎn)生噪聲輸出，這種特性稱(chēng)為機(jī)械濾波器的“微音效應(yīng)”。外界振動(dòng)來(lái)自多方面的，如電器設(shè)備中的發(fā)動(dòng)機(jī)，車(chē)輛行駛時(shí)的振動(dòng)和各種音響等。微音效應(yīng)的大小與干擾來(lái)源的強(qiáng)弱、頻率的高低和機(jī)械濾波器抗干擾能力等因素有關(guān)。

機(jī)械濾波器振動(dòng)和沖擊

機(jī)械濾波器有較好的而振動(dòng)、耐碰撞、而沖擊和而離心力的能力。當(dāng)振動(dòng)加速度不超過(guò)5G（G為重力加速度）、碰撞沖擊和離心力加速度不大于50G時(shí)，機(jī)械濾波器無(wú)需采取防振或減振措施。在經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)之后，抗振加速度可達(dá)15G，抗擊、抗碰撞和抗離心力加速度則可達(dá)1500G。

常用的有片一線(xiàn)型、桿一頸型、盤(pán)一線(xiàn)型等機(jī)械濾波器和單片機(jī)械濾波器。

片一線(xiàn)型機(jī)械濾波器鐵鎳合金片子構(gòu)成機(jī)械諧振器，兩端的片子兼作機(jī)電換能器（利用該片子的尺寸隨磁場(chǎng)強(qiáng)弱而改變的磁致伸縮效應(yīng)），片間的金屬線(xiàn)是耦合元件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)在各片之間傳遞。

機(jī)械濾波器的工作頻率從幾百赫至幾百千赫。

各個(gè)國(guó)家的研究單位和制造者將依據(jù)不同的改進(jìn)性能的設(shè)想, 進(jìn)一步研究載波裝置用的信道濾波器。具有討論過(guò)的技術(shù)特點(diǎn)的濾波器將獲得實(shí)際應(yīng)用, 其使用范圍將來(lái)要擴(kuò)大 。

機(jī)械濾波器要求進(jìn)一步減小體積和降低成本。與出現(xiàn)較寬頻帶的濾波器和具有附加

有源阻抗匹配元件的濾波器同時(shí), 將制成一種只由機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)組成的感應(yīng)濾波器。隨著壓電薄膜的實(shí)際應(yīng)用, 將加快小型化和集成電路的步伐, 這又將反過(guò)來(lái)對(duì)濾波器提出新的要求。

矩磁鐵氧體壓磁鐵氧體

壓磁鐵氧體又稱(chēng)為磁致伸縮材料。壓磁鐵氧體可以制成磁致伸縮元件，利用其磁致伸縮特性將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。壓磁鐵氧體有Ni-Zn、Ni-Cu、Ni-Mg、Ni-Co等系。其中，Ni-Zn鐵氧體的應(yīng)用最廣泛。

壓磁鐵氧體主要用于超聲、水聲器件、機(jī)械濾波器及電訊器件。利用壓磁鐵氧體的磁致伸縮效應(yīng)、磁致伸縮逆效應(yīng)，鐵氧體可應(yīng)用于測(cè)量形變、距離、壓力、速度、轉(zhuǎn)矩等。

矩磁鐵氧體旋磁鐵氧體

旋磁鐵氧體又稱(chēng)微波鐵氧體。在高頻磁場(chǎng)作用下，平面偏振的電磁波在鐵氧體中按一定方向傳播過(guò)程中，偏振面會(huì)不停繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的一種鐵氧體材料。廣泛應(yīng)用于微波領(lǐng)域(10⁸～10¹¹Hz)用于制作雷達(dá)、通信、電視、測(cè)量、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈系統(tǒng)等方面的微波器件。目前主要利用鐵氧體以下三方面特性制成微波器件：①鐵磁共振吸收性；②旋轉(zhuǎn)特性；③高功率非線(xiàn)性效應(yīng)。

常用的微波旋磁鐵氧體有尖晶石型和石榴石型兩大類(lèi)，前者價(jià)格便宜，后者性能優(yōu)良。此外，在毫米波段也可使用六方晶系鐵氧體。在材料制備方面主要分為多晶、單晶、薄膜三大類(lèi)。

鐵氧體在微波波段中具有許多特殊性質(zhì)和效應(yīng)。目前，主要利用鐵氧體如下三個(gè)方面的特性，制成微波器件：

a．鐵磁共振吸收現(xiàn)象：用于工作在鐵磁共振點(diǎn)的器件，例如共振式隔離器；

b．旋磁特性：用于各種工作在弱磁場(chǎng)的器件，例如法拉第旋轉(zhuǎn)器、環(huán)行器、相移器；

c．高功率非線(xiàn)性效應(yīng)：用作非線(xiàn)性器件，例如，倍頻器、振蕩器、參量放大器。

旋磁鐵氧體的種類(lèi)很多。目前微波領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的旋磁鐵氧體主要是尖品石型鐵氧體和石榴石型鐵氧體.其中，尖晶石型鐵氧體的用途最廣。