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    • 1.谐振器工作原理
    • 2.谐振器分类
    • 3.谐振器技术参数
    • 4.谐振器的应用
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谐振器

2022/12/08 作者:eefocus_3880508
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谐振器就是指产生谐振频率的电子元件,常用的分为石英晶体谐振器和陶瓷谐振器。产生频率的作用,具有稳定,抗干扰性能良好的特点,广泛应用于各种电子产品中。石英晶体谐振器的频率精度要高于陶瓷谐振器,但成本也比陶瓷谐振器高。谐振器主要起频率控制的作用,所有电子产品涉及频率的发射和接收都需要谐振器。谐振器的类型按照外形可以分为直插和贴片式两种。

1.谐振器工作原理

1 谐振器的结构

石英晶体谐振器是利用石英晶体(二氧化硅的晶体)的压电效应制成的一种谐振器件。

其基本组成可以粗略地描述为:从一块石英晶体上以一定的方位角切出薄片(简称晶片,可以是正方形、长方形或圆形等),并镀上银层为其两个对应表面上的电极。将每个电极上的引线焊接到引脚上,并添加封装外壳,形成石英晶体谐振器。其产品一般采用金属外壳包装,也有玻璃、陶瓷或塑料包装。

2 压电效应

如果在石英晶体的两个电极上施加电场,晶片将发生机械变形。反之,如果对晶片的两侧施加机械压力,则会在晶片的相应方向上产生电场。这种物理现象称为压电效应。

如果对晶片的两个极施加交流电压,晶片会产生机械振动,同时晶片的机械振动会产生交变电场。一般情况下,晶片的机械振动幅值和交变电场的幅值很小,但当外加交流电压的频率为一定值时,幅值明显增大,远大于其他频率的振幅。这种现象称为压电谐振,与LC电路的谐振现象非常相似。其谐振频率与晶片的切割方法、几何形状和尺寸有关。

谐振器工作原理

2.谐振器分类

石英晶体谐振器由具有极高品质因数的石英晶体谐振器(即谐振器和振荡电路)组成。晶体的质量、切割方向、晶体振荡器的结构和电路形式等,共同决定了谐振器的性能。

国际电工委员会(IEC)将石英晶体谐振器分为4类:普通晶体振荡器(SPXO)、压控晶体谐振器(VCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)和恒温控制晶体振荡器(OCXO)。数字补偿晶体损耗振荡 (DCXO) 目前正在开发中。

(1)普通晶体谐振器(SPXO)可产生10-5~10-4量级的频率精度,标准频率为100MHZ,频率稳定度为±100ppm。SPXO 不采用任何温度和频率补偿措施,价格低廉,通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围为21×14×6mm和5×3.2×1.5mm。

(2)压控晶体谐振器(VCXO)精度在10-6到10-5量级,频率范围1到30MHz。低容差谐振器的频率稳定性为±50ppm。通常用于锁相环。封装尺寸为14×10×3mm。

(3)温度补偿晶体谐振器(TCXO)采用温敏器件进行温度和频率补偿,频率精度10-7~10-6,频率范围1-60MHz,频率稳定度±1 ~±2.5ppm,封装尺寸从30×30×15mm到11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。

(4)恒温控制晶体谐振器(OCXO)将晶体和振荡电路置于恒温器中,以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO 的频率精度在 10-7~10-8 量级,对于一些特殊应用甚至更高。频率稳定性是四种谐振器中最高的。

谐振器分类

3.谐振器技术参数

石英晶体谐振器主要特性参数有标称频率、调整频差、温度频差、等效电阻、激励电平、负载电容、静态电容、老化率及温度范围。

①标称频率:在规定的条件下,谐振器所指定的谐振中心频率。

②调整频差:在规定的条件下,基准温度时的工作频率相对标称频率的最大偏离值。

③温度频差:在规定的条件下,在整个工作温度范围内,相对于基准温度时工作频率的允许偏离值。

④基准温度:测量石英晶体谐振器参数时,指定的环境温度。对于恒温型石英晶体谐振器,一般为工作温度范围的中心点;对于非恒温型石英晶体谐振器,为25℃±2℃。

⑤负载谐振电阻:石英晶体谐振器与指定外部电容相串联,在负载谐振频率时的电阻值。

⑥激励电平:是指石英晶体谐振器工作时消耗的有效功率,它是表示施于石英晶体元件的激励状态的量度。常用标准值有0.1mW,0.5mW、1mW、2mW和4mW。实际使用时,激励电平是可以调整的,激励强时容易起振,激励太弱时频率稳定性变差,甚至不起振。

⑦负载电容:是指与石英晶体谐振器一起决定负载谐振频率约有效外界电容。负载电容常用的标准值有16pF、20pF、30pF、50pF和100pF。负载电容可以根据具体情况作适当的调整,通过调整一般可以将谐振器的工作频率调到标称值。

⑧静态电容:石英晶体谐振器两引脚间的静态电容。

⑨老化率:指随时间的增加,石英晶体老化变化而产生的误差。

⑩温度范围:指工作状态环境温度允许变化的范围。

谐振器技术参数

4.谐振器的应用

金属波导与金属谐振腔广泛应用于分米波、厘米波以及较长的毫米波段。由于波导的横截面及谐振腔的尺寸与波长相近,例如矩形波导工作在 TE01 模时,其宽边尺寸大于二分之一波长,因此到了短毫米波段以及亚毫米波段,金属波导及谐振腔的尺寸太小,难于制造。在红外波段或可见光波段,即波长为微米量级时应用金属波导或谐振腔更不可能。为此,介质波导以及介质谐振器迅速的发展起来并获得广泛的应用。 虽然介质波导及介质谐振器的尺寸也处于波长可以相比的量级,但易于用微细加工手段制成微小尺寸。例如,截面尺寸为微米量级的光学纤维及光波导都属于介质波导。 金属波导中的场可以被看成是平面波在导体面之间往复反射造成的,介质波导中的场也可被看成是电磁波在介质界面之间全反射所造成的。因此,被疏媒质包围的密媒质就形成介质波导。 理想的金属波导内电磁场沿横向呈驻波,在波导边界以外近似于理想导体,不存在电磁场。在介质波导内电磁场沿横向呈驻波,但在介质波导外仍然存在电磁场,它沿横向呈渐减状态,称渐消场。 在充填均匀媒质的金属波导中,TE 模和 TM 模可以单独的满足波导壁的短路边界条件,因此永远可以将 TE 模与 TM 模分开,他们都可以在金属波导中传播。当金属波导中填充两种以上的媒质时,或部分充填介质时,电磁场除满足导体壁上的边界条件外,还必须满足媒质界面的连续条件。在均匀填充两种以上媒质的情况下只能有 TE 与 TM 的混合模式 HEM 模式。在了解了以上内容以后,可以接下来进一步了解介质谐振器。

早在1939 年,介质谐振器的概念和理论就已经被提出但因为没有找到适当的介质材料,这个理论沉睡了 20 多年,未获得实际的发展,到了 20 世纪 60 年代金红石瓷等高介电率陶瓷(ε≈80100)的研制成功,使介质谐振器又开始被人们注意。但是因为金红石瓷的温度系数太高,限制了它的实际应用。20 世纪 70 年代研制了钛酸钡系和钛酸锆系陶瓷,它们的介电率高,损耗小,温度系数低,才使得介质谐振器实用化。 介质谐振器具有体积小,重量轻,品质因数高,稳定性好等优点。特别是便于应用在微带电路或微波集成电路中和毫米波段,受到很大重视,发展很快。当介电率很高时介质与空气的界面近似于开路面,电磁波在界面上的发射系数接近于 1。这时可以把介质谐振器的表面看成是开路壁,即磁壁。于是介质谐振器成为具有齐次边界条件的封闭系统,即等效开路壁(磁壁)谐振腔。

谐振器的应用

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