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Elektrisches Wellenfilter.
Die Erfindung betrifft elektrische Wellenfilter und insbesondere Wellenfilter, bei welchen elektrisch angetriebene, mechanische Schwingungsvorrichtungen als Reaktanzelemente verwendet werden.
Der Zweck der Erfindung ist, den Frequenzbereich solcher Wellenfilter auszudehnen, die Kosten derartiger Filter zu verringern und die Anzahl der für den Aufbau solcher Filter nötigen Schwingungelemente zu vermindern.
Es ist bekannt, dass Wellenfilter der Gittertype den Vorteil vollkommener Allgemeinanpassung in bezug auf die Übertragungscharakteristiken, die sie erzeugen können, haben. Diesem Vorteil steht jedoch der Nachteil gegenüber, dass eine verhältnismässig grosse Anzahl von Impedanzelementen und ein hochgradiger Ausgleich zwischen den Impedanzen gewisser Zweige notwendig ist. Werden mechanische Schwingungsvorrichtungen (z. B. piezoelektrische Kristalle) oder elektromagnetische Schwingungen in dem Filterstromkreis wegen ihres geringen Energieverbrauches eingeschaltet, dann ist es wegen der Erzeugung-und Einstellkosten dieser Vorrichtungen erwünscht, ihre Anzahl auf ein Mindestmass zu beschränken.
Gemäss der Erfindung wird die Anzahl der erforderlichen Schwingungselemente durch Kopplung eines einzelnen Elementes mit je einem Paar von Zweigen in einem symmetrischen Gitternetzwerk ver- mindert, u. zw. so, dass jedes Schwingungselement die Impedanz jedes der beiden Zweige, an die es gekoppelt ist, in gleicher Weise beeinflusst. Die elektromeehanisehe Kopplung kann entweder elektrostatisch oder elektromagnetisch sein, wobei erstere dort geeignet ist, wo piezoelektrische Kristalle als mechanische Schwingungselemente verwendet werden und letztere besser für die Kopplung metallischer Resonatoren geeignet ist.
Einem weiteren Erfindungsmerkmal gemäss werden beim Aufbau von Filtern piezoelektrische
Kristalle verwendet, die geeignet sind, transversal zu schwingen und der Frequenzbereich wird hiebei bedeutend erweitert. Es können für diesen Zweck Kristallelemente verwendet werden, die entweder in Stangenform oder in Form einerStimmgabel geschnitten sind und vorzugsweise in ihrem Knotenpunkt oder in der Nähe desselben eingespannt werden.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemässes Wellenfilter, wobei piezoelektrische Kristalle als elektromechanische Impedanzen verwendet werden. Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Form eines Vibrators mit piezoelektrischem Kristall. Fig. 3 zeigt die Charakteristik der Vorrichtung nach Fig. 2. Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemässen magnetostriktiven Vibrator. Fig. 5 und 6 zeigen die Charakteristiken der Vorrichtung nach Fig. 4. Fig. 7 ist eine schematische Anordnung eines erfindungsgemässen Filters, das magnetostriktive Vibratoren verwendet. Fig. 8 und 9 zeigen die Charakteristiken des Filters nach Fig. 7. Fig. 10 zeigt ein Piezokristallelement in Stangenform, das geeignet ist, transversal zu schwingen.
Fig. 11 ist der Kreuzriss des Elementes nach Fig. 10 und zeigt, wie dieses durch Klammern gehalten werden kann, die gleichzeitig dazu verwendet werden, den elektrischen Kontakt mit den einzelnen Elektroden herzustellen. Fig. 12 zeigt ein piezoelektrisches Kristallelement, das in Form einer Stimmgabel geschnitten ist, sowie die dazugehörigen Elektroden und Klammern.
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Die Bedingung, unter welcher zwei Paare von gleichen, piezoelektrischen Kristallen zwecks Erreichung eines einzigen Übertragungsbandes in einem Gitternetzwerk vereinigt werden können, ist, dass die Impedanzen der Leitung-und Gitterkristalle ungleiche Frequenzcharakteristiken haben, welche so aufeinander abgestimmt sind, dass die Resonanz der Leitungskreise mit der Antiresonanz der Gitterkreise zusammenfällt oder umgekehrt. Die Gleichungen (1) gestatten es, die Abmessungen des Kristalls so zu bestimmen, dass diese Bedingung erfüllt wird.
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Gitters liegenden Leitungen eingeschaltet sind, um ein breiteres Frequenzband ohne Verlust an Trenn- schärfe zu erreichen.
Eine andere Art von elektromechanischer Impedanz, die zur Verwendung in solchen Filtern geeignet ist, stellt Fig. 4 dar. Bei dieser Vorrichtung ist das Schwingungselement der rohrförmige
Teil 16 aus magnetostriktivem Material, der in seinem Mittelpunkt durch Klammern 17 und 17' gehalten und mit Erregerwicklungen für Wechselstrom, 18 und 19, versehen ist. Diese Wicklungen sind so dargestellt, dass jede das ganze Rohr bedeckt, sie können jedoch auch so angeordnet werden, dass jede nur die Hälfte des Rohres bedeckt. Die Schwingung des Rohres 16 wird durch magnetostriktive Kräfte, welche durch die in den Wicklungen fliessenden Ströme erzeugt werden, erregt und damit diese Kräfte die gleiche Frequenz haben wie die Erregerströme, ist es notwendig, dass das Rohr durch ein in einer Richtung wirkendes magnetisches Feld magnetisch polarisiert wird.
Zu diesem Zwecke ist ein Polarisierungsmagnet 21 vorgesehen, dessen Pole knapp neben den Enden des Schwingung- elementes angebracht werden und mit diesen einen im wesentlichen geschlossenen magnetischen Kreis bilden. Zwischen den Enden des Rohres 16 und dem Polarisiermagnet müssen kleine Luftspalte gelassen werden, damit eine freie Schwingung möglich ist. Eine Magnetisierwicklung 22, die von der Batterie 23 aus oder durch eine andere Gleichstromquelle erregt ist, gesteuert durch den Rheostaten 24, erzeugt das polarisierende magnetische Feld. Um zu verhindern, dass infolge der Wirkung von Erregerströmen Wirbelströme fliessen, ist es erwünscht, das Rohr 16 mit einem Längsschnitt, wie bei 20 in der Figur gezeigt, zu versehen.
Die elektrische Impedanz eines magnetostriktiven Elementes der dargestellten Art, gemessen an den Enden einer der Erregerwicklungen, entspricht der des in Fig. 5 dargestellten Netzwerkes, welches die Induktanz L. durch eine Reihenresonanzimpedanz L1 Cj parallelgeschaltet enthält. Die Induktanz Lo ist die der Erregerwicklung ohne irgendeine magnetostriktive Wirkung oder, wenn das Rohr 16 allseits eingespannt ist, so dass es nicht schwingen kann. Die Induktanz L1 und die Kapazität Ci haben Werte, die von den räumlichen Abmessungen und den mechanischen Konstanten des Rohres 16 und von dem magnetostriktiven Kraftfaktor abhängen. Formeln zur Einzelberechnung dieser Werte sind von Butterworth in den Procedings the Physical Society" vom 1. März 1931, S. 166, angegeben.
Es ist zu bemerken, dass die Resonanz von L1 und Cl der ersten mechanischen Resonanzfrequenz des Rohres bei longitudinalen Schwingungen entspricht.
Die Reaktanz-Frequenzcharakteristik der Impedanz ist durch die Kurve 25 der Fig. 6 dargestellt.
Sie zeigt zwei kritische Frequenzen, eine/, bei welcher die Impedanz antiresonant ist, und eine höhere Frequenz 11, die der Resonanz von L1 und Ci entspricht, d. h. der mechanischen Resonanz des Vibrators. Infolge des verhältnismässig niedrigen Grades elektromechanischer Kopplung durch die magnetostriktive Wirkung sind die Frequenzen 10 und 11 nahe benachbart, was zur Folge hat, dass die Verwendung der Vorrichtung auf Filter mit sehr geringer Bandbreite beschränkt ist. Einen grösseren Abstand der kritischen Frequenzen erhält man, wenn man eine Kapazität in Reihe mit der Erreger- wicklung zuschaltet, wobei die sich ergebende Reaktanzcharakteristik von der durch die Kurve 26 in Fig. 6 gezeigten Art ist.
Eine neue Resonanzfrequenz/ : ;, niedriger als/, tritt auf und die obere Resonanz wird von i auf/g vergrössert. Der Abstand der Frequenzen 12 und 13, bezogen auf die Frequenz 10, kann durch Änderung des Wertes der Reihenkapazität geändert werden.
Fig. 7 zeigt die erfindungsgemässe Anwendung von magnetostriktiven Vibratoren der oben beschriebenen Art in einem Filter grosser Bandbreite. Es werden zwei Schwingungselemente, 27 und 28, verwendet. Das Element 27 hat zwei gleiche Erregerwicklungen Wa und Wa', welche in die Leitungs-
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zweige des Gitters geschaltet sind und das Element 28 hat zwei gleiche Wicklungen Wb und Wb', welche mit den Gitterzweigen verbunden sind.. Gleiche Kapazitäten Ca und Ca'sind in Reihe mit Wa und Wa'verbunden und ein korrespondierendes Paar gleicher Kapazitäten Cb und Cb'ist in den Gitterzweigen enthalten. Die Sehwingungsteile sind nur schematisch dargestellt, ferner wurden die Polarisationsmagnete sowie die damit verbundenen Stromkreise weggelassen.
Die Wicklungen Wa und Wa'sind so angeordnet, dass die darin fliessenden Ströme einander für gewöhnlich bei der Erzeugung mechanischer Schwingungen unterstützen. Diese Wicklungen liegen in Reihe in dem Stromkreis von der Filterklemme 1 über die Kapazität Ca, Wicklung Wa zur Klemme 3 und von hier über die Filterbelastung zur Klemme 4, Wicklung Wa', Kapazität Ca'und Klemme 2. Die Polarisation der Wicklungen Wa und Wa'-muss derart sein, dass ein über diesen Stromkreis fliessender Strom den Kern in der gleichen Richtung magnetisiert. Die Wicklungen Wb und Wb'sind in ähnlicher Weise angeordnet. Da die beiden Wicklungen auf jedem Vibrator gleichwertig sind, werden in den beiden Leitungszweige des Netzwerkes gleiche Impedanzen hervorgerufen, ebenso wie in den beiden Gitterzweigen.
Um ein einziges Übertragungsband vorzusehen, ist es notwendig, dass die Gitterzweigimpedanzen Frequenzeharakteristiken haben, die von denen der Leitungszweigimpedanzen verschieden sind, jedoch in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, dass eine Koinzidenz der kritischen Frequenzen erreicht wird. Die Antiresonanzfrequenzen der Leitungszweige müssen mit den Resonanzfrequenzen der Gitterzweige zusammenfallen und umgekehrt, u. zw. innerhalb des Frequenzbereiches des Ubertragungsbandes, während in den Dämpfungsbereichen die Koinzidenz zwischen kritischen Frequenzen gleicher Art liegen muss. Zwei Beispiele für Anordnungsmöglichkeiten der kritischen Frequenzen in Filtern nach Fig. 7 sind in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellt.
In Fig. 8 entspricht die voll gezeichnete Kurve 27 der Reaktanz der Leitungszweigimpedanzen und die strichlierte Kurve 28 der Reaktanz der Gitter- zweige. In diesem Falle erstreckt sich das Ubertragungsband von der niedrigsten kritischen Frequenz ta zur höchsten Iö. In Fig. 9 haben die Kurven 29 und. 0, welche den Leitungs-bzw. Gitterzweigimpe- danzen entsprechen, eine unmittelbare Koinzidenz zweier Resonanzen bei der Frequenz te und eine inverse Koinzidenz von Resonanz und Antiresonanz beize In diesem Falle erstreckt sich das Band von der niedrigsten kritischen Frequenz e zu der dritten kritischen Frequenz/, wobei die Frequenz/ ausserhalb dieses Bandes liegt. In beiden Figuren ist die Lage des Bandes durch eine schraffierte horizontale Fläche dargestellt.
Das piezoelektrische Kristallelement in Fig. 10 enthält ein Prisma 61 mit einem Paar von Elektroden 62 und 63, die an einer der grossen Flächen angebracht sind, und einem Elektrodenpaar 64 und 65, das an der gegenüberliegenden Fläche liegt. Wird ein derartiges Prisma in transversale Schwingung versetzt, so wie im folgenden erklärt, dann wird es um zwei Schwingungsknoten schwingen, die mit 66 und 67 bezeichnet sind und bei ungefähr 0'224 der Länge des Prismas, von seinem Ende gemessen, liegen. Um die durch den Halter verursachte Dämpfung so klein als möglich zu halten, wird das Prisma am besten an dieser Stelle oder in der Nähe gehalten. Dies kann z.
B. an einer Seite des Kristalls mittels der Klammern 70 und 71 ausgeführt werden, welche die Elektroden 62 und 6. 3 erfassen, und an der andern Seite mit einem gegenüberliegenden Klammernpaar 72 und 73, welche die Elektroden 64 und 65 in der Nähe der Linie 67 erfassen. Ein drittes Klammernpaar 74 und 75 und ein viertes gegenüberliegendes Paar erfasst die auf dem Kristall befindlichen Elektroden im Bereiche des Schwingungsknotens 66.
Wie in Fig. 11 gezeigt, können die oben beschriebenen Klammern z. B. Metalleinsätze sein, die in die Stützteile 76 und 87 eingelassen sind, welche aus Isoliermaterial bestehen. Elektrische Verbindungselemente können angelötet oder auf irgendeine andere Art an den Klammern befestigt sein, wie dies an den Punkten 78, 79, 80 und 31 gezeigt ist, um das Kristallelement mit den Teilen eines äusseren Stromkreises einzuschalten.
Fig. 12 zeigt eine zweite Form des Kristallelementes, das in Form einer Stimmgabel mit zwei Zinken 32 und 33 und einem Steg 34 geschnitten ist. An einer Seite der Stimmgabel befindet sich eine Elektrode 35, die sich längs der äusseren Ränder und über den unteren Teil des Steges erstreckt. Ein ähnliches Elektrodenpaar 37 und 38 ist an der gegenüberliegenden Seite der Stimmgabel angebracht.
Eine derartige Stimmgabel hat einen Knotenbereich, welcher der Senkrechten folgt, angedeutet durch
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was z. B. mittels eines Klammernpaares 41 und 42 auf einer Seite und einem an der andern Seite angebrachten Klammernpaar 43 und 44 geschehen kann. Wie in Fig. 13 gezeigt, können diese Klammern Metalleinsätze sein, welche in ein Paar Stützteile aus Isoliermaterial eingesetzt sind. Elektrische Verbindung zu den Elektroden wird durch Anlöten von leitenden Verbindungselementen an diese Klammern erreicht, wie oben für Fig. 11 ausgeführt.
In Fig. 14 ist schematisch dargestellt, wie die Elektroden des Kristallteiles der Fig. 10 miteinander verbunden werden, um in dem Prisma eine transversale Schwingung zu erzeugen. Die Elektrode 62 und die diagonal gegenüberliegende Elektrode 65 sind an eine Klemme 45 angeschlossen, die beiden restlichen Elektroden an die andere Klemme 46. Diese Verbindungen können mit Hilfe der Verbindungselemente an den leitenden Klammern und diesen selbst, wie oben erklärt, hergestellt
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werden. Wenn eine wechselnde elektromotorische Kraft auf die Klemmen 45 und 46 aufgedrückt wird, wird das Element 61 in transversale Schwingungen versetzt.
Die Frequenz der transversalen Schwingungen für einen X-förmig geschnittenen nullgradigen Kristall mit einer 1 cm langen Achse ist durch die Kurve 47 in Fig. 16 dargestellt, welche die Frequenz in Kilohertz im Verhältnis der optischen zur mechanischen Achse angibt. Unter einem nullgradigen, X-förmig geschnittenen Kristall ist ein Kristall zu verstehen, der aus einem Mutterkristall geschnitten ist und dessen Hauptfläche auf eine Fläche des Mutterkristalls senkrecht steht und dessen kurze Achse mit der optischen Achse einen Winkel von 0 Grad einschliesst. Die Kurve 48 der Figur zeigt dieselben Daten für einen X-förmig geschnittenen Kristall von-18 Grad, d. h. einen Kristall, dessen kurze Achse einen Winkel von-18 Grad mit der optischen Achse bildet.
Die Dicke der elektrischen Achse spielt bei der Bestimmung der Frequenz keine Rolle. Für einen Kristall irgendeiner andern Länge kann die Frequenz durch das Gesetz der Proportionalität bestimmt werden, welches besagt, dass für einen Kristall von gegebener Form die Resonanzfrequenz beliebiger Art verkehrt proportional zur Grösse eines beliebigen Masses ist. Für einen nullgradigen Kristall, der z. B. 5 cm lang ist, bei dem das Verhältnis der optischen zur mechanischen Achse 0'2 ist, wird, wie Kurve 47 zeigt, die Frequenz ungefähr 20 kHz betragen. Dies ist nur ungefähr ein Drittel der Frequenz des gleichen Kristalls, wenn er in der Längsrichtung schwingt. Für einen unter-18 Grad geschnittenen Kristall wird die Frequenz etwas geringer sein, wie die Kurve 48 zeigt, weil der Youngsche Modul für diesen Schnitt geringer ist.
Wie bereits erwähnt, ist eine bekannte Form jenes elektrischen Stromkreises, der einem piezoelektrischen Kristall äquivalent ist, eine Kapazität Ci, parallelgeschaltet durch eine den Shunt bildende zweite Kapazität C2, welche in Reihe mit einer Induktanz geschaltet ist. Der Wert des VerhältnissesC2 für einen Kristall, in welchem die Elektroden an einer Seite zwei Drittel bis zu vier Fünftel der Oberfläche bedecken, ist ungefähr 180 für den-18 gradigen Kristall und ungefähr 150 für den nullgradigen Kristall. Die Nebenschlusskapazität Cl des äquivalenten Netzes bildet die elektrostatische Kapazität zwischen den beiden Elektrodengruppen. Mit diesen Angaben können die Werte der Reaktanz in dem äquivalenten Stromkreis für ein Prisma, das transversal schwingt, bestimmt werden.
Fig. 15 zeigt, wie zwei Paare von Kristallelementen, die zur transversalen Schwingung geeignet sind, angeordnet werden, um ein Gitterwellenfilter zu bilden. Diese Netzschaltung hat ein Eingangsklemmenpaar 47 und 48 und ein Ausgangsklemmenpaar 49, 50, wobei ein Paar Elemente 51, 52 in Reihe geschaltet ist, das andere Paar 58, 54 diagonal zwischen den beiden Klemmensätzen liegt. Die Elektroden der Kristalle sind so verbunden, wie dies in Fig. 5 gezeigt wurde.
Kristallelemente, die in Stabform geschnitten sind und transversal schwingen, ergeben niedrige Frequenzen bis zu 16 oder 17 kHz herab. Noch niedrigere Frequenzen erreicht man mit Hilfe eines piezoelektrischen Kristallelementes, das in Form einer Stimmgabel geschnitten ist, wie in Fig. 12 gezeigt wurde. Um die Stimmgabel in Schwingung zu versetzen, werden die Elektroden so verbunden, wie es in Fig. 14 dargestellt ist. In diesem Falle stellen die Elektroden 62, 68, 64 und 65 die Elektroden. 35, 86, 87 und 38 des stimmgabelförmigen Kristalls dar.
Die beiden äusseren Elektroden. 35 und 87 werden im Falle einer gewissen Spannungspolarität bewirken, dass sich die Aussenseite der beiden Zinken ausdehnt, während gleichzeitig die auf die beiden inneren Elektroden 86 und. 38 aufgedrückte Spannung bewirken wird, dass sich die Innenseiten der beiden Zinken nähern, wodurch die Zinken nach innen gedrückt und in Form einer Stimmgabel in Schwingung versetzt werden.
Die Frequenz t einer Stimmgabel in Hertz wird durch die Formel
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gegeben, wobei K eine Konstante, W die Breite einer Zinke der Stimmgabel und l die Länge der Zinke bedeutet. Bei dieser Formel wird angenommen, dass die Länge des Steges verhältnismässig gross ist ; wenn sie klein ist, muss eine Korrektur vorgenommen werden. Bei Messungen eines X-förmig geschnittenen, nullgradigen Kristalls wurde die Konstante K mit 65.000 errechnet. Wendet man obige Formel
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schwingen.
Bei einem 6 cm langen und entsprechend breiten Kristall ist es daher möglich, bis zu einer Frequenz in der Grössenordnung von nur 1 kHz zu kommen. Diese Art eines Elementes kann bei entsprechender Grösse auch so ausgeführt werden, dass es bis zu 15 kHz arbeitet. Es ist daher durch die Verwendung piezoelektrischer Elemente in Stabform, ergänzt durch solche in Stimmgabelform, möglich, den Frequenzbereich von 1 bis 50 Mfs zu erfassen, ohne einen grösseren Kristall zu verwenden, als für longitudinale Schwingungen bei 50 kHz erforderlich ist.
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valenten Stromkreis berechnet werden. Zwei Paare solcher stimmgabelförmiger Kristalle können in Form eines gitterförmigen Filters angeordnet werden ; die schematische Darstellung hiefür ist der in Fig. 15 gezeigten gleich.
Fig. 17 zeigt, wie zwei piezoelektrische Kristallelemente nach Fig. 10 oder Fig. 12 die Stelle von vier solchen Elementen in der Konstruktion eines Wellenfilters einnehmen. Wie die Figur zeigt, sind zwei Kristallelemente 55 und 56 zwischen einem Eingangsklemmenpaar 5 ?, 58 und einem Ausgangsklemmenpaar 59,60 angeordnet, um ein gitterförmiges Netzwerk zu bilden. Ein Satz gegen- überliegend angeordneter Elektroden, die an dem Kristall 55 angebracht sind, ist zwischen die Eingangsklemme 57 und die entsprechende Ausgangsklemme 59 geschaltet, während das andere Elektrodenpaar zwischen die andern beiden Klemmen 58 und 60 geschaltet ist. Dieses Einzelelement wirkt daher praktisch wie die beiden Impedanzzweige, die in Reihe mit der Leitung verbunden sind.
Die diagonalen Impedanzzweige werden von dem andern Kristallelement 56 gebildet, wobei ein Elektrodensatz zwischen den Klemmen 58 und 59, der andere Satz zwischen den Klemmen 57 und 60 angeschlossen ist. Werden zwei Elemente an Stelle von vier Elementen verwendet, wie in Fig. 17 gezeigt, dann ist die Übertragungscharkteristik des entstehenden Filters die gleiche wie bei Verwendung von Einzelelementen in jedem Impedanzzweig, die charakteristische Impedanz des Netzwerkes wird jedoch verdoppelt.
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