諧振器石英晶體諧振

諧振器前言

最基本的諧振器件是介質諧振器。要想了解介質諧振器的工作原理首先要了解金屬波導與諧振腔。

諧振器一般特性

金屬波導的一般特性

傳輸電磁能量或電磁信號的途徑可分為兩類，一類是電磁波在空間或大氣中的傳播，另一類是電磁波沿波導系統(tǒng)的傳播。人類最初應用的電磁波導波系統(tǒng)是雙線傳輸線，雙線傳輸線主要用在頻率較低的場合，當使用頻率逐步提高時，雙線傳輸線的傳輸損耗以及輻射損耗急劇的增加，為了克服輻射損耗，采用了同軸線結構。但是同軸線中所采用的模式仍然是TEM 模，必須有內(nèi)外兩根導體，到了頻率更高時內(nèi)導體的損耗變得很嚴重。在微波頻段即分米波段和厘米波段人們發(fā)現(xiàn)，用一根中空的金屬管來傳輸電磁波是可行的和方便的。在空管中不可能傳播 TEM模式，因此采用 TE 模或 TM 模，這就是金屬波導或稱為波導管。到了短毫米波段及亞微毫米波段金屬波導的截面積尺寸太小，加工不易，因此采用介質波導作為傳輸系統(tǒng)。在光波段使用光學纖維和光波導也是介質波導。 光學纖維簡稱光纖已成為傳輸電磁信號的主要手段。為了近似地實現(xiàn)短路面的邊界條件可以用具有高導電率的導體即金屬構成的邊界面，這樣就形成金屬波導或稱波導管。金屬波導可以由一根波導管構成，也可以由多根波導管構成。略去導體表面損耗時，可將邊界看作短路面。波導波的特點是存在一個截止頻率，當工作頻率高于截止頻率時，縱方向為快行波，橫方向為駐波，工作頻率低于截止頻率時，縱方向成為衰減場或漸消場，橫方向仍然為駐波。金屬波導的傳播特性為ωc=T/（με）1/2=cT/（με）1/2或Fc= cT/2∏（με）1/2臨界狀態(tài)下，電磁波在介質中的波長就是橫向波長，即λT=2∏/T=1/fc（με）1/2相應的臨界狀態(tài)下真空中的波長稱為臨界波長。當電磁波的角頻率大于波長的臨界角頻率時，電磁波可在波導中傳播，反之，波導是截止的。臨界角波數(shù)決定于波導的截面形狀和尺寸。

諧振器波阻抗

金屬波導的波阻抗

金屬壁是由良導體構成而非理想導體，因此電磁波在波導中傳播時一定會有功率損耗，從而造成電磁波沿傳播方向上的衰減。其衰減常數(shù)為： а=1/4σδ*H2dL/P； 式中，L 為波導的橫截面的閉合邊界線；P 為波導中傳輸?shù)墓β柿?，σ為波導壁的導電率；δ為波導壁材料中電磁波的趨膚深度。完全被短路面或開路面包圍的封閉電磁系統(tǒng)就是諧振系統(tǒng)。通常用高導電率的導體即金屬近似地實現(xiàn)短路面的邊界條件，這就是金屬壁的諧振腔。當略去腔壁損耗，即認為腔壁由理想導體構成，同時腔內(nèi)充滿不導電的無損媒質時，就是理想的諧振腔。 在描述諧振腔之前先做如下定義；矩形波導和矩形諧振腔的邊界面與矩坐標系統(tǒng)的做表面重合。諧振腔的高度為b、寬度為a。當矩形波導中a>b時，TE10模的臨界角波數(shù)最小，即臨界角頻率最低，因此TE10模為最低模。當ba/2 時，TE01模為次低模。 當矩形波導中 a=b 時，稱為正方形截面波導，此時 TE10 模與 TE01 模臨界角頻率相同，此時的波導單模的傳輸帶寬為零。因此正方形的波導沒有實際用途。圓柱坐標系的波導與諧振腔　研究邊界面與圓柱坐標系統(tǒng)的坐標面重合的波導和諧振腔，他們包括圓波導，同軸線，圓柱腔，同軸腔，扇形截面波導與諧振腔等柱形系統(tǒng)。也包括徑向線，喇叭波導等非柱形波導系統(tǒng)。 柱形波導的臨界波長λ為：λcTM= 2∏/TTM（με）。

諧振器主要封裝型號

石英晶體諧振器主要由石英晶片、基座、外殼、銀膠、銀等成分組成。根據(jù)引線狀況可分為直插（有引線）與表面貼裝（無引線）兩種類型。常見的主要封裝型號有HC-49U、HC-49/S、UM-1、UM-4、UM-5與SMD。

諧振器型號命名方法

石英晶體諧振器的型號命名由以下三部分組成。

第一部分：用一個漢語拼音字母表示外殼的形狀與材料，如金屬殼用 "J"表示，塑料殼用"S"表示，玻璃殼用 "B"表示。

第二部分：用晶體切型符號的第一個字母表示石英片切割取向的類型。晶體的切割類型及符號見表。

諧振器特性參數(shù)

石英晶體諧振器主要特性參數(shù)有標稱頻率、調整頻差、溫度頻差、等效電阻、激勵電平、負載電容、靜態(tài)電容、老化率及溫度范圍。

①標稱頻率：在規(guī)定的條件下，諧振器所指定的諧振中心頻率。

②調整頻差：在規(guī)定的條件下，基準溫度時的工作頻率相對標稱頻率的最大偏離值。

③溫度頻差：在規(guī)定的條件下，在整個工作溫度范圍內(nèi)，相對于基準溫度時工作頻率的允許偏離值。

④基準溫度：測量石英晶體諧振器參數(shù)時，指定的環(huán)境溫度。對于恒溫型石英晶體諧振器，一般為工作溫度范圍的中心點；對于非恒溫型石英晶體諧振器，為25℃±2℃。

⑤負載諧振電阻：石英晶體諧振器與指定外部電容相串聯(lián)，在負載諧振頻率時的電阻值。

⑥激勵電平：是指石英晶體諧振器工作時消耗的有效功率，它是表示施于石英晶體元件的激勵狀態(tài)的量度。常用標準值有0.1mW，0.5mW、1mW、2mW和4mW。實際使用時，激勵電平是可以調整的，激勵強時容易起振，激勵太弱時頻率穩(wěn)定性變差，甚至不起振。

⑦負載電容：是指與石英晶體諧振器一起決定負載諧振頻率約有效外界電容。負載電容常用的標準值有16pF、20pF、30pF、50pF和100pF。負載電容可以根據(jù)具體情況作適當?shù)恼{整，通過調整一般可以將諧振器的工作頻率調到標稱值。

⑧靜態(tài)電容：石英晶體諧振器兩引腳間的靜態(tài)電容。

⑨老化率：指隨時間的增加，石英晶體老化變化而產(chǎn)生的誤差。

⑩溫度范圍：指工作狀態(tài)環(huán)境溫度允許變化的范圍。

金屬波導與金屬諧振腔廣泛應用于分米波、厘米波以及較長的毫米波段。由于波導的橫截面及諧振腔的尺寸與波長相近，例如矩形波導工作在 TE01 模時，其寬邊尺寸大于二分之一波長，因此到了短毫米波段以及亞毫米波段，金屬波導及諧振腔的尺寸太小，難于制造。在紅外波段或可見光波段，即波長為微米量級時應用金屬波導或諧振腔更不可能。為此，介質波導以及介質諧振器迅速的發(fā)展起來并獲得廣泛的應用。 雖然介質波導及介質諧振器的尺寸也處于波長可以相比的量級，但易于用微細加工手段制成微小尺寸。例如，截面尺寸為微米量級的光學纖維及光波導都屬于介質波導。 金屬波導中的場可以被看成是平面波在導體面之間往復反射造成的，介質波導中的場也可被看成是電磁波在介質界面之間全反射所造成的。因此，被疏媒質包圍的密媒質就形成介質波導。 理想的金屬波導內(nèi)電磁場沿橫向呈駐波，在波導邊界以外近似于理想導體，不存在電磁場。在介質波導內(nèi)電磁場沿橫向呈駐波，但在介質波導外仍然存在電磁場，它沿橫向呈漸減狀態(tài)，稱漸消場。 在充填均勻媒質的金屬波導中，TE 模和 TM ?？梢詥为毜臐M足波導壁的短路邊界條件，因此永遠可以將 TE 模與 TM 模分開，他們都可以在金屬波導中傳播。當金屬波導中填充兩種以上的媒質時，或部分充填介質時，電磁場除滿足導體壁上的邊界條件外，還必須滿足媒質界面的連續(xù)條件。在均勻填充兩種以上媒質的情況下只能有 TE 與 TM 的混合模式 HEM 模式。在了解了以上內(nèi)容以后，可以接下來進一步了解介質諧振器。

早在1939 年，介質諧振器的概念和理論就已經(jīng)被提出但因為沒有找到適當?shù)慕橘|材料，這個理論沉睡了 20 多年，未獲得實際的發(fā)展，到了 20 世紀 60 年代金紅石瓷等高介電率陶瓷（ε≈80100）的研制成功，使介質諧振器又開始被人們注意。但是因為金紅石瓷的溫度系數(shù)太高，限制了它的實際應用。20 世紀 70 年代研制了鈦酸鋇系和鈦酸鋯系陶瓷，它們的介電率高，損耗小，溫度系數(shù)低，才使得介質諧振器實用化。 介質諧振器具有體積小，重量輕，品質因數(shù)高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。特別是便于應用在微帶電路或微波集成電路中和毫米波段，受到很大重視，發(fā)展很快。當介電率很高時介質與空氣的界面近似于開路面，電磁波在界面上的發(fā)射系數(shù)接近于 1。這時可以把介質諧振器的表面看成是開路壁，即磁壁。于是介質諧振器成為具有齊次邊界條件的封閉系統(tǒng)，即等效開路壁（磁壁）諧振腔。

諧振器當固有頻率接近相等時可以得到最大振幅，我們生活中用到的收音機，當收音機是IC回路固有頻率和發(fā)射頻率一致時，在IC回路才可以得到最大振幅的信號，從而收到清晰的聲音，通常調諧就是改變IC回路的電感或者電容的大小來實現(xiàn)改變回路的固有頻率達到調諧選臺的，諧振器就是讓某個頻率信號通過，阻擋其他頻率信號，達到選擇的目的，當信號頻率和諧振器固有頻率相等時，該信號順利通過就像通過一個小電阻（或導線）一樣，當遠離固有諧振頻率的頻率試圖通過它就像一個大阻抗。2100433B

介質諧振器可看作兩端開路的介質波導，振蕩模式與介質波導中的模式相對應，有無窮多種。介質與空氣交界面呈開路狀態(tài)，電磁波在介質內(nèi)部反射能量．在介質中形成諧振結構．高介電常數(shù)介質能保證大部分場都在諧振器內(nèi)，不易輻射或泄漏。諧振頻率由振蕩模式、諧振器所用的材料及尺寸等因素決定。分析方法有變分法、介質波導模型法、混合磁壁法等．直接計算比較復雜和困難，當給定介電常數(shù)和尺寸時，可從相關的曲線圖中查出諧振頻率。

石英諧振器常用的有圓片型、棒型、音叉型。

音叉型石英諧振器體積小，抗沖擊性能好、頻率低，其諧振頻率為32.768kHz，適于用在石英手表中。近來，不少石英鐘也采用了這種低頻石英諧振器。

圓片型為高頻石英諧振器，其諧振頻率為4.194304MHz，它大多為石英鐘采用。

棒狀石英諧振器由于其抗沖擊性能較差、體積也較大，因而不能適應小型化的石英手 表需要。

目前，大量生產(chǎn)的是音叉型石英諧振器，石英音叉的振動屬于彎曲振動模式。叉臂一 端固定，一端自由地彎曲振動，其頻率是兩端自由彎曲振動的0.16倍。