1.单片晶体滤波器与分立晶体滤波器

基于石英晶体的滤波器设计技术有两种:单片晶体滤波器（MCF）和分立晶体滤波器。MCF是一种滤波器，通过在压电基板（如石英坯）上安装电极并利用电极之间的机械结合来实现滤波器的特性。与分立晶体滤波器相比，MCF通常更小、更可靠且更具成本效益，因为它们使用的元件更少且互连更少。大多数mcf是对称带通滤波器。此外，在VHF范围内，MCF方法允许泛音上的带宽，如果使用分立晶体滤波器设计，则只能通过更昂贵的基模谐振器来实现。另一方面，分立晶体谐振器滤波器比mcf具有更好的功率处理能力。对于极窄或极宽的带宽，它们可能是更好的设计选择，因为它们在网络拓扑中具有更大的灵活性。这使得网络设计具有明显不对称的单边带性能，这是单芯片设计难以实现的。1962年，日本的Toyocom公司首次开发出MCF，此后，人们开发出了多种小型、宽频带、高可靠性的滤波器。如今，MCF是无线电通信设备中应用最广泛的频率控制元件之一。

2.晶体滤波器带宽类别

由于石英的材料特性所带来的带宽限制（在谐振器等效电路中由静态与动态电容C的比值表示）0/C1），单芯片和分立晶体滤波器通常根据分数带宽分类如下:

窄带晶体滤波器

窄带滤波器的网络设计可以在不使用电感的情况下适应晶体静态电容。电容比C0/C1谐振器等效电路的带宽决定了无电感窄带晶体滤波器的最大带宽。对于使用基模AT切割石英谐振器的滤波器，在理想条件下，该最大带宽约为中心频率的0.32%。如果所需带宽超过此限制，则必须更改网络设计以纳入电感。

中间带晶体滤波器

中间带通滤波器使用电感来消除谐振器C带来的额外电容0加上不可避免的杂散电容。大多数中频带设计使用分立谐振器，但它们可能包含单片双谐振器。基模谐振器的带宽在0.3%和1.0%之间。杂散响应有时会出现在滤波器通带和过渡区中，并且通常在滤波器阻带中相当强。这些杂散响应可以通过适当的设计策略来控制，以实现所需的性能。

宽带晶体滤波器

宽带晶体滤波器通过使用电感为滤波器响应提供极点，同时调节谐振器静态电容，从而为晶体滤波器和LC滤波器提供最终连接。因此，滤波器响应对电感和Q值非常敏感，如果要保持性能，需要对电感进行精确的温度补偿。带宽在中心频率的1%到10%之间。通常使用分立谐振器。使用AT切割晶体时，滤波器通带和过渡区中通常会出现杂散响应。

3.衰减规格

衰减是信号通过双端口网络（如滤波器）时产生的功率损耗（dB）。绝对衰减可以定义为相对于负载到电源的直接连接或可用电源功率的衰减。对于共轭阻抗或阻性阻抗以及相等的源阻抗和负载阻抗，这两个定义是等效的。相对衰减是相对于参考点（通常是最小损耗点（最大传输点）测量的衰减。保证衰减是指定频率下的最大保证衰减。

4.响应特征

滤波器设计的类型取决于所需的响应特性。滤波器设计的复杂性和滤波器中使用的晶体数量取决于所需的形状因子和衰减。下面讨论常见的设计类型。

贝塞尔或线性相位:滤波器的传递函数源自贝塞尔多项式。它产生的滤波器在中心频率附近具有平坦的延迟。使用的磁极越多，平坦区域延伸越宽。下线率很低。这种类型的过滤器接近高斯过滤器。它具有较差的VSWR，并且在较宽的带宽上失去了其最平坦的延迟特性。

巴特沃斯:滤波器的传递函数提供最大的平坦幅度。选择性优于高斯或贝塞尔滤波器，但代价是延迟和相位线性度。对于大多数带通设计，中心频率的VSWR非常好。巴特沃兹滤波器通常对元素值的变化最不敏感。

切比雪夫:滤波器的传递函数仅由通带中的切比雪夫等波纹函数导出。这些滤波器的性能介于椭圆函数滤波器和巴特沃兹滤波器之间。对于大多数应用，这是首选的滤波器类型，因为它们提供了更好的选择性，并且通过这种近似方法获得的网络最容易实现。

椭圆函数:通带纹波与切比雪夫相似，但由于增加了有限衰减峰值，阻带选择性大大提高。巴特沃兹或切比雪夫的网络复杂度有所增加，但它仍然可以在几乎整个工作区域内实现。

高斯:滤波器的传递函数由高斯函数导出。高斯滤波器的阶跃和脉冲响应为零过冲。上升时间和延迟是传统传递函数中最低的。这些特性是以选择性差、元素灵敏度高和元素值范围宽为代价获得的。高斯滤波器与贝塞尔滤波器非常相似，只是延迟在中心频率处有一个轻微的“驼峰”，滚降速率较慢。由于延迟响应，振铃特性优于贝塞尔滤波器。实现限制也适用于这些过滤器。

同步调谐:这些滤波器与贝塞尔滤波器和高斯滤波器具有相同的优缺点，只是响铃响应是所有设计类型中最好的，滚降甚至比高斯滤波器更慢。与其他两种类型一样，一些实现限制也适用。

切比雪夫相位误差:在该近似中，切比雪夫近似技术被应用于通带区域上的相位（延迟）。它产生类似于高斯或贝塞尔设计的钟形幅度响应以及等波纹相位和延迟响应。选择性优于贝塞尔函数或高斯函数。

高斯至6（或12）dB:这种近似的通带响应遵循高斯形状，在6或12 dB点，响应发生变化并遵循巴特沃兹特性。与严格的巴特沃兹函数相比，相位或延迟响应有所改善，衰减优于纯高斯函数，因此这是一种真正的折衷型近似。与所有试图控制相位响应的滤波器一样，实现变得更加困难，因此其工作范围略有限制。

5.晶体温度滤波器的稳定性

有一些晶体滤波器的频率低于1MHz，但目前大多数都高于1MHz，并且使用AT切割晶体。虽然线圈或其他因素会影响稳定性，但晶体是主要的控制元件，并且在某些滤波器（如MCF）中是唯一的控制元件。因此，稳定性可以与AT切割晶体的稳定性联系起来。频率变化与温度的关系遵循如下所示的立方特性。曲线族的变化由单个晶体坯从晶体棒上切割下来的角度的微小变化来控制。每条曲线与相邻曲线的偏差仅为两分钟弧度。设计人员将选择适当的曲线（角度）以在指定的温度范围内给出最小偏差。

6.晶体滤波器的频率和带宽

晶体滤波器的中心频率可以从几千赫兹到几百兆赫兹不等，但最佳工作区域是晶体的尺寸和工作参数接近最佳值的地方。

“低”频率滤波器的最佳工作范围约为100kHz至800kHz，带宽在下表范围内。

“中频”晶体的最佳工作范围在2MHz到50MHz之间。注意，这使得800kHz和2MHz之间的频带未被覆盖。这并不意味着晶体滤波器不能在此范围内制造；这只意味着它更困难，因此成本更高。

中心频率高于30MHz的晶体滤波器可以使用泛音模式石英晶振晶体或高频基波构建。泛音的Qs高得多，适合较窄的带宽，而基波的阻抗低得多，适合较宽的带宽。然而，所有晶体都有杂散响应，杂散通常出现在通带的高端。这种杂散特性限制了滤波器可以实现的最大带宽。

7.中心频率和标称频率

中心频率是规格中的给定频率，其他频率可以参考该频率，而标称频率是中心频率的标称值，用作指定相对衰减水平的参考频率。在带通和带阻滤波器F中在表示标称中心频率；Fo表示单个滤波器的实际或测量中心频率，通常定义为:

Fo=（fl× fu)½

在哪里fl和fu测量通带下限和上限，通常为3 dB衰减频率。有时，相对于实际或测量的滤波器中心频率来指定频率更方便。F的值o当然会随着温度和时间的变化而变化。因此，必须有一个与F相关的公差o考虑到温度、老化和制造公差。

8.通带、阻带和带宽

通带是滤波器用来传递信号的频率范围。它表示衰减小于规定值的频率范围，通常规定为3 dB。

阻带是滤波器的相对衰减等于或大于指定值的频段。它表示为衰减超过某个指定最小值（如60 dB）的频率范围。

对于带通或带阻滤波器，具有指定衰减的较低点和较高点之间的宽度（频率差），如3 dB带宽或80 dB带宽。对于低通滤波器，带宽就是衰减达到规定值时的频率。

9.纹波和通带纹波

通常指滤波器的振幅响应随频率的波状变化。例如，理想的切比雪夫和椭圆函数滤波器具有相等的纹波特性，这意味着通带内幅度响应的波峰和波谷之差相等。另一方面，巴特沃斯、高斯和贝塞尔函数没有波纹。纹波通常以dB为单位。

通带纹波定义为通带内最大和最小衰减之差。

10.形状系数

形状系数是阻带带宽与通带带宽之比，通常是60 dB带宽与3 dB带宽之比。这是一个关键参数，决定了满足规格所需的极数和复杂度。

11.插入损耗

滤波器的频率响应总是被认为是相对于特定参考点的衰减而言的。该基准电压下的实际衰减通常称为插入损耗。它以通带内的最小衰减点为基准。插入损耗可以定义为插入滤波器前传送到负载阻抗的功率与插入滤波器后传送到负载阻抗的功率的对数比。换句话说，当在电源和负载之间插入滤波器时，传输到负载的功率降低。插入损耗由下式给出:

伊利诺伊分贝= 10 log（P腰神经2/ PL2)

其中P腰神经2滤波器旁路时，功率是否输送到负载L2是电路中插入滤波器时的输出功率。上述等式也可以用电压比表示为:

伊利诺伊分贝= 20 log（V腰神经2/ VL2)

这样就可以直接根据输出电压来测量插入损耗。

12.插入损耗线性度

滤波器的插入损耗可能随驱动电平而变化。在高功率水平下，石英谐振器变得非线性，导致滤波器损耗增加，这种现象主要由石英的特性决定，而不是由滤波器的处理决定。然而，在低驱动电平下，谐振器处理在保持恒定插入损耗方面变得至关重要。通过采用适当的设计、严格的加工和严格的控制，滤波器的插入损耗变化不超过0.005 dB，驱动电平变化不超过40 dB。

13.虚假响应

所有谐振器，无论是LC调谐电路、空腔谐振器还是石英晶体谐振器，都具有不需要的谐振模式。石英晶体具有非谐波共振和近谐波泛音响应，非谐波共振通常发生在所需共振之上。因此，几乎所有晶体滤波器的幅度和相位特性都会出现不需要的响应。偏差通常（但不总是）在窄带宽范围内。通常情况下，它们出现在滤波器阻带中，并表现为衰减减少的狭窄无用区域。杂散响应通常出现在高于中心频率的频率上。有时，在较宽带宽的滤波器中，滤波器通带中可能会出现杂散响应，导致不良纹波。

滤波器最常用的AT切割晶体谐振器在略高于所需谐振的频率处有一系列不需要的非谐波响应，在基本谐振的大约奇整数倍处有谐波（泛音）响应。泛音和主要非谐波的位置可以预先计算出来。泛音响应可以通过额外的LC滤波来抑制，如果封装尺寸足够大，可以在需要时容纳在滤波器封装内。LC滤波通常无法抑制附近的非谐波响应。这里寄生响应的抑制是通过谐振器设计、谐振器处理和滤波器电路设计的组合来实现的。

随着晶体谐振器电极面积的增加，将会激发更多不需要的非谐波响应（假设工作频率不变），并且动生电感将会降低。为了降低插入损耗和/或保持窄带设计，可能有必要在更宽的带宽下增加电极尺寸。因此，带宽更宽的滤波器可能具有更多更强的杂散响应。然而，人们总是可以利用窄带设计的优势，在较高的频率下以降低的百分比带宽操作晶体滤波器，从而针对给定的带宽要求改善杂散响应。

14.群时延失真

群延迟也称为包络延迟，是指窄带信号从器件的输入端传递到输出端所需的时间。群延迟失真是指特定通带区域内或两个特定频率下的最大和最小群延迟之差。对于大多数带通滤波器，延迟响应在每个通带边缘附近都有一个峰值，此时滤波器衰减开始迅速增加。滤波器延迟和衰减特性是相互依赖的。滤波器衰减越快，延迟峰值越大。一般来说，大延迟峰值与具有许多极点的滤波器或具有近阻带极点的滤波器（如椭圆函数滤波器）相关。另一方面，mcf具有非常小的群延迟失真，通常小于10m南

15.互调

当滤波器以非线性方式工作导致入射信号混合时，会发生互调。这种混频产生的新频率称为互调产物，通常是三阶产物，这意味着入射信号电平增加1 dB会导致IM增加3 dB。IM可以分为以下两种类型:

当滤波器阻带中的两个入射信号（通常为-20至-30 dBm）在滤波器通带中产生互调产物时，就会发生带外互调。当信号同时出现在第一和第二相邻信道中时，这种现象在接收机应用中最为普遍。晶体滤波器在低信号电平下的互调性能主要由谐振器制造过程中的表面缺陷决定，不受分析预测的影响。

当滤波器通带内两个间隔很近的信号产生也在滤波器通带内的互调产物时，就会发生带内互调。它在信号电平较高（通常为-10 dBm和+10 dBm）的发射应用中最为普遍。高信号电平下的互调性能是谐振器制造工艺和石英非线性弹性的函数。后者在信号电平较高时占主导地位，可以进行分析。

16.相移和最小相位传递函数

信号通过滤波器时相位的变化。信号的时间延迟被称为相位滞后，在正常网络中，相位滞后随着频率的增加而增加，从而产生正包络延迟。

绝大多数晶体滤波器是最小相移滤波器。从数学上讲，这意味着滤波器的衰减特性和相位特性之间存在函数关系。据说这种双端口网络的传递函数具有最小相移特性，这意味着其从零到无限频率的总相移是其拥有的极点数量在物理上可能的最小值。

17.终端阻抗

这是滤波器输入端和负载端保持良好特性响应所需的阻抗。端接阻抗通常指定为串联电阻和并联电容，其中还应包括电路板的杂散电容。

18.动力处理

功率处理通常被指定为最大输入功率。在设计中，它与决定带内互调性能的因素密切相关。已知带宽、插入损耗和杂散响应要求，可以估算滤波器的功率处理能力。

19.振动引起的边带

当晶体滤波器受到机械振动时，振动引起的边带可能会出现在滤波器输出信号中。振动在晶体谐振器上产生加速力，导致它们的谐振频率发生轻微变化-通常为1g加速度的十亿分之几。对于正弦振动，谐振频率以振动频率进行调制，峰值偏差由晶体谐振器的加速度灵敏度和振动幅度决定。在频谱分析仪上观察，滤波器输出会因振动频率而与载波产生边带偏移。对于大多数滤波器而言，振动引起的边带非常小，无需担心。然而，窄带频谱清理滤波器可能需要特别注意。通过最小化谐振器加速灵敏度和控制滤波器结构内的机械谐振来最小化振动引起的边带。

20.建立时间和上升时间

建立时间是指输入经过阶跃响应、脉冲、冲击或斜坡后，输出信号在规定的过冲百分比内建立所需的时间。

上升时间通常定义为滤波器输出在初始上升时从稳态值的10%上升到90%所需的时间。虽然上升时间的精确值可以很容易地从滤波器手册中计算或确定，但以下将上升时间与带宽相关联的经验法则提供了有用的估计。

Tr= 0.35层c

其中Tr是上升时间（单位为秒），以及fc是3 dB截止频率，单位为赫兹。