機(jī)械濾波器具有體積小、重量輕、耐振動(dòng)沖擊、高穩(wěn)定性、陡峭的頻率衰耗特性等優(yōu)點(diǎn)。用作載波話路60～108KHz頻段的縱振折迭式機(jī)械濾波器除有上述優(yōu)點(diǎn)外，與一般常用的12～24KHz頻段的LC話路濾波器相比，它可以省去前群調(diào)制，一次調(diào)到基頻譜，對(duì)載波機(jī)來(lái)說(shuō)省掉了不少放大器、調(diào)制器、濾波器，同時(shí)提高了整機(jī)串雜音水平。因此說(shuō)，話路機(jī)械濾波器用在載波多路通信中具有極為重要的意義。

由于上述原因，我廠六六年開(kāi)始試制了縱振折迭式機(jī)械濾波器（以下簡(jiǎn)稱機(jī)械濾波器）。在各兄弟單位的大力支持和協(xié)助下，不斷摸索，由樣品的制取，發(fā)展到目前批量生產(chǎn)，初步建立了一條生產(chǎn)線。 按照會(huì)議要求，現(xiàn)將我們?cè)谠囍啤⑸a(chǎn)中的一些情況作一介紹，由于我廠生產(chǎn)機(jī)械濾波器經(jīng)驗(yàn)不足，有不當(dāng)之處，請(qǐng)同志們批評(píng)指正。有關(guān)機(jī)械濾波器的原理和設(shè)計(jì)已有其他單位介紹，這里不重復(fù)。

一、 機(jī)械濾波器的主要技術(shù)要求

1. 通帶頻率衰耗特性見(jiàn)表1：表 1

2．阻帶防衛(wèi)度見(jiàn)表2：表 2

3.阻抗75Ω。
4.應(yīng)經(jīng)受下列環(huán)境試驗(yàn)滿足上述技術(shù)要求：
1）使用溫度范圍：+5°～+45℃
2）高溫高濕試驗(yàn)：溫度+32℃，相對(duì)濕度98％（48小時(shí)）
3）振動(dòng)試驗(yàn)：頻率30Hz，振幅0.8mm，三方向，每方向40分鐘
4）沖擊試驗(yàn)：沖擊加速度7g，速率60次/分，三方向，每方向各5分鐘。
機(jī)械濾波器的溫度特性見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)械濾波器的溫度特性

二、在試制和生產(chǎn)中遇到的幾個(gè)問(wèn)題

1. 機(jī)械濾波器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性：

據(jù)我們所知，電氣元件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，還沒(méi)有一個(gè)什么儀表或設(shè)備能直接測(cè)試。國(guó)外在機(jī)械濾波器資料中曾介紹他們的產(chǎn)品一年、十年變化的情況，但并未給出試驗(yàn)依據(jù)及有關(guān)說(shuō)明，估計(jì)是從短期變化中推出長(zhǎng)期變化的曲線。即是這樣，它對(duì)測(cè)試設(shè)備要求也相當(dāng)高。

話路濾波器要求比較高，特別是過(guò)渡帶只有300Hz。載頻點(diǎn)防衛(wèi)度達(dá)3N以上，通帶波動(dòng)在0.05N。目前我們使用的測(cè)試設(shè)備精度較差，頻率精度為±2Hz。電平表最小指示刻度為0.05N，這給穩(wěn)定性試驗(yàn)帶來(lái)相當(dāng)大的困難。對(duì)于穩(wěn)定性的試驗(yàn)主要寄托于放置一定時(shí)間，對(duì)濾波器性能進(jìn)行觀察。

在過(guò)去的生產(chǎn)過(guò)程中這個(gè)問(wèn)題比較突出的。如兩次整機(jī)線路試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有濾波器特性變壞；在生產(chǎn)機(jī)盤和整機(jī)時(shí)有部分濾波器特性變壞而返修（1～2％）；在生產(chǎn)濾波器過(guò)程中，初調(diào)好特性經(jīng)裝配，烘40℃24小時(shí)，或復(fù)測(cè)蓋盒等工序往往有10～30％特性變壞。我們也曾利用返修機(jī)會(huì)檢查過(guò)幾批產(chǎn)品。如七0年一月××產(chǎn)品用機(jī)械濾波器至七一年有23％不合格，七一年二月生產(chǎn)的到四月復(fù)測(cè)有5％不合格；七0年六月生產(chǎn)到七一年三月復(fù)測(cè)有28～82％不合格（各品種不合格率由差異）。上述這些不合格的濾波器主要表現(xiàn)在通帶波動(dòng)變化大，特別是600～2400Hz超過(guò)0.05N要求。

對(duì)這些性能不穩(wěn)定的濾波器我們進(jìn)行了分析。其中主要原因是由于工藝操作不當(dāng)（如虛焊、漏焊、振子碰殼等）和機(jī)械濾波器本身的老化所致。就進(jìn)機(jī)械濾波器本身來(lái)說(shuō)，換能器、電感、電容的老化是極為重要的因素。現(xiàn)將我們對(duì)老化問(wèn)題的考慮介紹如下： 

1）換能器的老化
從機(jī)械濾波器原理可知，換能器的兩電氣端與三元件匹配半節(jié)的II端匹配地聯(lián)接，如果說(shuō)換能器的參數(shù)發(fā)生變化（如換能器諧振頻率?。，機(jī)電耦合系數(shù)Kp，靜電容C。），則匹配受到破壞，這將直接使濾波器通帶波動(dòng)變壞。就換能器的諧振頻率?。而言，變化約80Hz，將使通帶波動(dòng)變化0.01N。

換能器是由兩個(gè)鎳鉻鈦合金棒（Ni42CrTi）和夾在中間的壓電陶瓷用高頻焊接而成，它的穩(wěn)定性主要取決于性能不夠穩(wěn)定的壓電陶瓷。壓電陶瓷的時(shí)間老化性能差，同時(shí)受熱沖擊后性能變化大，造成短期不穩(wěn)定。為此采用了如下措施。

a) 在制作過(guò)程中（瓷片、沾錫、換能器高頻焊接、頻率調(diào)試），盡量減少熱沖擊機(jī)會(huì)；換能器焊在機(jī)械系統(tǒng)上時(shí)，如
溫度過(guò)高馬上侵入冷水中。
b) 采用人工老化工藝
壓電陶瓷單片經(jīng)120℃48小時(shí)老化；作為換能器后先經(jīng)80℃48小時(shí)老化，然后經(jīng)-40℃（2小時(shí)）→常溫（2小時(shí)以上）
→80℃（6小時(shí)）→常溫（2小時(shí)以上）三次循環(huán)老化；換能器調(diào)試頻率完畢放置二星期以上方能使用。
c) 將原102℃焊錫改為138℃焊錫，配方于表3所示。這樣可以提高抗熱沖擊能力。同時(shí)提高了換能器的工作溫度。

表 3

2）電感老化：
為了提高電感的老化性能，鐵芯燒結(jié)后應(yīng)放置半年以上方允許使用。由于考慮到濾波器的非線性失真，將GU－14鐵芯常用氣隙0.17mm改為1.2mm，對(duì)電感老化性能也有所提高。
3） 電容器的穩(wěn)定性：
聚苯乙烯電容的時(shí)間老化特性有待于進(jìn)一步研究，從目前來(lái)看能保證3‰。電容在低電平開(kāi)路問(wèn)題仍然存在。從1200只機(jī)械濾波器返修中有5只電容開(kāi)路。均是鋁箔點(diǎn)焊工藝問(wèn)題所致，嚴(yán)重影響了機(jī)械濾波器電性能的可靠。
4）機(jī)械濾波器的老化：

為了消除由于機(jī)械系統(tǒng)在機(jī)械加工時(shí)受到的應(yīng)力及加熱過(guò)程中受到的熱應(yīng)力對(duì)濾波器特性的影響，進(jìn)一步提高換能器、電感、電容的老化性能，裝配復(fù)測(cè)好的機(jī)械濾波器放置一個(gè)月后，測(cè)試合格方能交貨。

通過(guò)上述老化措施，穩(wěn)定性有較大的提高。濾波器經(jīng)10個(gè)月以上自然老化600～2400Hz內(nèi)通帶波動(dòng)變化約為0.01～0.02N。用以上老化工藝，共1200只返修的濾波器存放六個(gè)月后有26只不合格，其中5只通帶頻率特性超過(guò)0.05N，5只因電容在低電平開(kāi)路使濾波器性能變劣，其余大都因?yàn)檠b配、焊接不當(dāng)所造成。

2.阻抗：

圖2是60～64KHz機(jī)械濾波器的阻抗特性。表4是它各點(diǎn)的阻抗值。可見(jiàn)，它的阻抗為我們預(yù)定的定K型阻抗。由于該濾波器機(jī)械Q值高，內(nèi)部反射強(qiáng)烈，電氣匹配半節(jié)衰耗值又較小，故通帶阻抗變化較大，一般反射衰耗小于20％，個(gè)別點(diǎn)（1～3點(diǎn)）達(dá)25％甚至30％。為了解決這一問(wèn)題，機(jī)械濾波器與調(diào)制器相移采用0.3～0.7N的緩沖衰耗器，與匯集放大器相移時(shí)，放大器用低內(nèi)阻3～5Ω。目前整機(jī)使用能滿足要求。

圖 2 機(jī)械濾波器阻抗特性

3.非線性失真：

過(guò)去生產(chǎn)的機(jī)械濾波器非線性失真較大，影響整機(jī)忙時(shí)串雜音，將原GU-14鐵芯氣隙0.17mm改為1.2mm得到消除。

4.阻帶內(nèi)寄生峰的抑制：

機(jī)械濾波器阻帶某頻率點(diǎn)出現(xiàn)衰耗激烈下降，嚴(yán)重點(diǎn)達(dá)4.8N。據(jù)分析是由于諧振縱振棟以外的其他振動(dòng)所致（稱為寄生振動(dòng)）。抑制寄生峰的方法很多，我們是選取適當(dāng)?shù)恼褡又睆胶烷L(zhǎng)度，將阻帶寄生提高到6N以上。

5.群延時(shí)失真：

由于高速數(shù)傳對(duì)載波話路的群延失真提出了高的要求，清華大學(xué)同志已作了詳細(xì)介紹。圖3是機(jī)械濾波器，LC濾波器群延時(shí)特性，其中“LC”是我廠生產(chǎn)的LC話路濾波器二只對(duì)測(cè)特性，“MF”是我廠生產(chǎn)的機(jī)械濾波器二只對(duì)測(cè)特性。圖4是523廠生產(chǎn)的陶瓷話路濾波器群延時(shí)特性。我廠測(cè)試儀器誤差較大，從這粗略的測(cè)試可以看出，在話路600～3000Hz內(nèi)，LC濾波器群延時(shí)失真約為0.32ms。機(jī)械濾波器約為0.52ms，陶瓷濾波器約為0.7ms。這三種濾波器的群延時(shí)失真都較大，不能滿足高速數(shù)傳要求。我們?cè)鴮?duì)某產(chǎn)品的機(jī)械濾波器話路作過(guò)2400波特四次轉(zhuǎn)接的數(shù)傳試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)誤碼現(xiàn)象。估計(jì)更多次轉(zhuǎn)接或更高速數(shù)傳試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在我們測(cè)試的這些濾波器群延失真大的原因，是因?yàn)樵O(shè)計(jì)都采用最小相移網(wǎng)路。怎樣改善機(jī)械濾波器的群延時(shí)失真，是今后探討的課題。就目前來(lái)說(shuō)，也許只能在信道內(nèi)采用其他措施來(lái)滿足高速數(shù)傳的要求。

表 4

注：“+”表示感抗，“－”表示容抗。

圖3 MF、LC話路濾波器的群延時(shí)特性

圖4 陶瓷話路濾波器群延時(shí)特性

三、材料選擇及工藝方面的幾個(gè)問(wèn)題

1.振子材料：

目前我廠振子、耦合子材料為上海鋼鐵研究所3J53，3J58及大連鋼廠3J53鎳鉻鈦合金，主要技術(shù)要求如下：
 1）彈性模量：E≤18500kg/mm2
 2）頻率溫度系數(shù)：β≤±5×10－6/℃(-10℃～50℃)
 3）品質(zhì)因數(shù)：Q≥10000
上述兩廠家生產(chǎn)的兩種牌號(hào)的鎳鉻鈦合金，都是利用該材料的彈性反常現(xiàn)象，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼婵諢崽幚韥?lái)獲得小的頻率溫度系數(shù)。為了保證上述指標(biāo)3J53材料熱處理為630℃2小時(shí)，3J58為680℃2小時(shí)，就目前來(lái)說(shuō)在使用中還存在以下幾個(gè)問(wèn)題：
 1） 頻率溫度系數(shù)隨熱處理溫度變化較大。希望材料能在一定溫度范圍內(nèi)熱處 理滿足技術(shù)要求。比如±15℃。
 2）彈性模量變化范圍較大（185000～21000kg/mm2）。因此，振子長(zhǎng)度應(yīng)隨之更改，這對(duì)大批生產(chǎn)帶來(lái)很大困難，希望今后能控制在±200kg/mm2范圍內(nèi)。
 3）Q值是直接影響到濾波器特性的參數(shù)，供方在生產(chǎn)該材料時(shí)應(yīng)對(duì)Q值進(jìn)行考核。
 4）焊接性能及抗腐蝕性能較差。
為了進(jìn)一步提高濾波器性能，對(duì)于振子材料應(yīng)作如下工作：
1） 提高振子材料性能：
a) 彈性模量E=E。±200kg/mm2或傳播速度V。±1％，其中E。，V。可根據(jù)材料特性一值。
b)頻率溫度系數(shù)β≤1×10－6/℃(-10℃～50℃)，在最佳熱處理溫度±15℃內(nèi)變化不大于1×10－6/℃。
C）Q≥10000
2） 耦合子材料：為了滿足耦合子熱處理困難的特點(diǎn)，希有一種不經(jīng)熱處理便有小的頻率溫度系數(shù)的材料。
3） 對(duì)于鎳鉻鈦合金的老化性能應(yīng)加以研究。

2.高頻焊接機(jī)械系統(tǒng)的焊料：

機(jī)械系統(tǒng)的焊接質(zhì)量直接影響到機(jī)械濾波器的特性和成品率。目前我廠生產(chǎn)成品率為70～80％。高頻焊接質(zhì)量除要有嚴(yán)格而合理的工藝外，還需選擇適當(dāng)?shù)暮噶稀Ｎ覐S使用焊料配方及性能如表5。這種焊料具有高的機(jī)械強(qiáng)度和較好的流動(dòng)性，但抗腐蝕性能較常用焊錫差。今后應(yīng)尋求新的焊料進(jìn)一步提高抗腐性能。

表 5

3. 為了提高壓電陶瓷銀層附著力，對(duì)銀漿配方及工藝作了改進(jìn)：

1) 銀漿配制：
銀漿配方如表 6 所示。膠合劑 37ml 由松香 20g ，松節(jié)油 40cc 配制而成。由于松香在室溫下不易溶于松節(jié)油，故需加熱到 95 ～ 100 ℃。銀漿配制好后在球磨時(shí)應(yīng)另加松節(jié)油 20cc，球磨72小時(shí)。

2) 被銀工藝：
第一次被銀：銀漿內(nèi)加入10％釉粉，涂好銀漿后在600℃爐內(nèi)燒結(jié)15分鐘，隨爐冷卻。
第二次被銀：涂好銀漿后在 600℃爐內(nèi)燒結(jié)15分鐘，隨爐冷卻。
第三次被銀：涂好銀漿后在 850℃爐內(nèi)燒結(jié)15分鐘，隨爐冷卻。

表 6

注：膠合劑 37ml近似等于40cc加松香20g。

4.為了減少由于氯化鋅焊接的腐蝕作用，在換能器振子沾錫和濾波器調(diào)試時(shí)改為中性焊劑，其配方于表7。

表 7

5.為了進(jìn)一步提高換能器的老化特性和減小頻率溫度系數(shù)對(duì)材料選擇的考慮：目前我們使用PZT-5壓電陶瓷，這種瓷片適用于大功率換能場(chǎng)合，其頻率穩(wěn)定度較差。能否采用頻率溫度系數(shù)小。老化性能好，用作頻率諧振元件的PSZ-6瓷片，值得探討。這里將我們認(rèn)為較好的PZT-6，Kp40的瓷片性能與現(xiàn)用的PZT－5瓷片比較于表8。表中還列出了與鎳鉻鈦合金復(fù)合成換能器的性能。看來(lái)溫度系數(shù)較小的瓷片與鎳鉻鈦合金復(fù)合成換能器易于得到小的頻率溫度系數(shù)。從理論上講，選擇瓷片與金屬振子適當(dāng)?shù)恼?fù)溫度系數(shù)和復(fù)合比關(guān)系便可得到零溫度系數(shù)的換能器。然而由于材料性能的差異及大批生產(chǎn)中的非一致性，只能使它的溫度系數(shù)減少到某一數(shù)值。對(duì)于這一點(diǎn)作如下打算。

表 8

1) 陶片頻率溫度系數(shù)降低到 10 -6 /℃數(shù)量級(jí)與±5×10 -6 /℃或更好的鎳鉻鈦合金復(fù)合。
2) 控制材料的頻率溫度系數(shù)誤差，使瓷片與金屬振子正負(fù)頻率溫度系數(shù)得到滿意地補(bǔ)償，如瓷片為 -(1～4)×10 -4 /℃, 鎳鉻鈦合金為20±5×10 -6 /℃。
3) 用三元系壓電陶瓷，據(jù)了解三元系壓電陶瓷比目前使用的二元系（ PZT型）壓電陶瓷有小的頻率溫度系數(shù)和老化性能。

四、今后的工作設(shè)想

通過(guò)幾年來(lái)的試制和生產(chǎn)，我們認(rèn)為縱振折迭式機(jī)械濾波器用于在載波話路 60～108KHz頻段是比較適合的。為了進(jìn)一步提高話路機(jī)械濾波器的性能，應(yīng)做如下工作。

1. 現(xiàn)生產(chǎn)的縱振折迭式機(jī)械濾波器：
1) 進(jìn)一步提高穩(wěn)定性，改善生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率和成品率。特別要簡(jiǎn)化振子生產(chǎn)工藝，提高高頻焊接質(zhì)量和調(diào)試濾波器水平。
2) 進(jìn)一步減小體積。例如使機(jī)械系統(tǒng)小型化，采用啞鈴型振子。由于啞鈴型振子加工較困難，能否采用粉沫冶金或壓鑄的方法解決。

2. 探索新型話路機(jī)械濾波器：
1) 為滿足載波多路通信二次復(fù)用更高要求，應(yīng)尋求一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、通帶頻率衰耗特性遠(yuǎn)小于 CCITT1/5的機(jī)械濾波器，從大量生產(chǎn)角度力求實(shí)現(xiàn)零件加工自動(dòng)化。簡(jiǎn)化性能調(diào)試工藝。如西德50KHz圓棒彎曲振動(dòng)機(jī)械濾波器有可取之處。
2) 在機(jī)械濾波器中采用附加耦合，使它在阻帶產(chǎn)生衰耗極，從而減少濾波器節(jié)數(shù)，縮小體積。
3) 尋求改善機(jī)械濾波器群延時(shí)失真的途徑。如能否采用內(nèi)部延時(shí)均衡。

作者：向天明