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Elektromechanisches Bandfilter
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Bandfilter, bei dem an eine als durchgehendes mechanisches Kopplungsglied ausgebildete mechanische Übertragungsleitung mehrere mechanische Resonatoren über vorzugsweise kurze Kopplungsstücke angekoppelt sind.
Elektromechanische Bandfilter bestehen aus mehreren mechanischen Resonatoren, die mechanisch untereinander gekoppelt sind und für die wenigstens ein Wandler zum Übergang von den elektrischen Schwingungen auf die mechanischen Schwingungen und umgekehrt vorgesehen ist. Ist nur ein Wandler vorgesehen, so kann das Filter wie ein Zweipol in der elektrischen Schaltung eingesetzt werden. Ist in Übertragungsrichtung der mechanischen Schwingungen am ersten und am letzten mechanischen Resonator ein Wandler vorgesehen, so lässt sich das Filter wie ein elektrischer Vierpol in eine Schaltung zur Erfül- lung der vorgegebenen Forderungen einfügen.
In der Regel wird für elektrische Übertragungszwecke gefordert, dass das Filter eine Bandpasscharakteristik hat, d. h., dass das Filter elektrische Schwingungen, die dem Eingangswandler zugeführt werden, zum Ausgangswandler nur innerhalb eines bestimmten, begrenzten Frequenzbereiches überträgt. Dabei kommt es häufig darauf an, dass der Übergang vom Durchlassbereich auf zumindest einen der Sperrbereiche, frequenzmässig betrachtet, möglichst rasch erfolgt, u. zw. bei möglichst hoher Sperrdämpfung am Ende des Übergangsbereiches zum Sperrbereich hin. Man kann dies auch als die Forderung nach hoher Flankensteilheit des Filters bezeichnen. Die meisten bisher bekanntgewordenen mechanischen Filteranordnungen besitzen eine Dämpfungscharakteristik, deren Flankensteilheit nur bei einer relativ hohen Anzahl von mechanischen Resonatoren hinreichend gross ist.
Mit wenigen Resonatoren lässt sich eine hohe Flankensteilheit auch dann erreichen, wenn ein sogenannter Dämpfungspol am Ende des Übergangsbereiches in den Sperrbereich gelegt wird. Für die Erzeugung eines derartigen Dämpfungspoles sind verschiedene Methoden bekannt. Beispielsweise lässt sich durch eine Kondensatorüberbrückung vom ausgangsseitigen Wandler zum eingangsseitigen Wandler wenigstens ein Dämpfungspol erzeugen. Nach dieser Methode lassen sich aber bestenfalls zwei Dämpfungspole in der gesamten Filtercharakteristik gewinnen, und wenn zwei Dämpfungspole vorgesehen werden, dann sind diese in ihrer Frequenzlage nicht mehr unabhängig voneinander.
An Stelle einer elektrischen Überbrückung ist auch eine mechanische Überbrückung naheliegend, fUr die die Einschränkung der gegenseitigen Abhängigkeit der Pole ebenfalls gilt. Weiterhin ist bekannt, auf mechanische Weise Dämpfungspole mit Hilfe von zusätzlichen Resonatoren zu erzeugen, die aber in vielen Fällen einen sehr hohen zusätzlichen Aufwand darstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektromechanischen Filter Dämpfungspole im Übertragungsverhalten in beliebig wählbarer Frequenzlage zu erzwingen, u. zw. mit innerhalb gewisser Grenzen beliebig wählbarer Halbwertsbreite und gegenseitiger Unabhängigkeit. Dabei kommt es wesentlich auch darauf an, dass die Anzahl der in den Sperrbereichen vorzusehenden Dämpfungspole nicht begrenzt ist wie bei der bekannten Methode mittels wenigstens einer Überbrückung.
Ausgehend von einem elektromechanischen Bandfilter, bei dem an ein durchgehendes mechanisches Kopplungsglied (mechanische Übertragungsleitung) mehrere mechanische Resonatoren über vorzugsweise kurze Kopplungsstücke angekoppelt sind, wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass über
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von den entsprechenden Abmessungen des über dieses Kopplungsstück angekoppelten mechanischen Resonators gewählt sind, dass sich wenigstens ein dem Übertragungsfrequenzbereich benachbartes Maximum der Übertragungsdämpfung in der mechanischen Übertragungsleitung ergibt.
Vorteilhaft können für die mechanische Übertragungsleitung, das kurze Kopplungsstück und den Resonator die gleichen Schwingungsarten bei den Betriebsfrequenzen vorgesehen werden.
Vorteilhaft ist es unter anderem auch, wenn für die mechanische Übertragungsleitung die Längsschwingung (Kompressionsschwingung) als Übertragungsform der Energie vorgesehen ist, und wenn für das kurze Kopplungsstück und bzw. oder den mechanischen Resonator hievon verschiedene Schwingungsformen vorgesehen sind, insbesondere die Biegeschwingung oder die Torsionsschwingung.
Vorteilhaft ist es unter anderem auch, wenn für die elektromechanische Übertragungsleitung die
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und bzw. oder den mechanischen Resonator hievon verschiedene Schwingungsformen vorgesehen sind, insbesondere die Längsschwingung (Kompressionsschwingung) oder die Torsionsschwingung.
Für die mechanische Übertragungsleitung lässt sich weiterhin mit Vorteil auch die Torsionsschwin-
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mechanischen Resonator hievon verschiedene Schwingungsformen vorgesehen sind, insbesondere die Längsschwingung (Kompressionsschwingung) oder die Biegeschwingung.
Es ist an sich durch die brit. Patentschrift Nr. 865,093 ein elektromechanisches Filter bekannt, bei dem an einen durchgehenden Stab aus Quarz über kurze Kopplungsstücke parallel zurStabachseliegende stabförmige Resonatoren angekoppelt sind, die für sich jeweils eine Längs von einer halben mechanischen Wellenlänge X im Stabmaterial haben. Diese Resonatoren und die Kupplungsstücke bestehen bei der bekannten Filtereinrichtung ebenfalls aus Quarz und sind vorzugsweise ein Stück.
Durch einen geringfügig ausserhalb der Resonatormitte gewählten Ankopplungspunkt des Kopplungsstückes an dem einzelnen Resonator wird bei dieser bekannten Anordnung erzwungen, dass über das Kopplungsstück zwei in ihrer me-
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hiebei zu sagen, dass die gesamten Resonatoren und auch das stabförmige Kopplungselement, das eine mechanische Übertragungsleitung bildet, in Längsschwingungen arbeitet. Es wird durch diese bekannte Ausbildung eines mechanischen Filters erreicht, dass sozusagen über ein kurzes Kopplungsstück jeweils
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bringt diese Ausführung noch den Nachteil mit sich, dass die beiden Dämpfungspole frequenzmässig miteinander in enger Beziehung stehen und somit ein vorgegebenes Toleranzschema der Übertragungsdämpfung nur schwierig realisierbar ist.
Beim erfindungsgemässen Filter treten diese Schwierigkeiten praktisch nicht auf. Es ist bei innerhalb sehr weiter Grenzen beliebig wählbarer Halbwertsbreite des einzelnen Dämpfungspoles und bei einer beliebig wählbaren Anzahl von Dämpfungspolen, die wenigstens der Anzahl der Resonatoren entspricht, ein mechanisch einfacher Aufbau sichergestellt.
Als Material für das Filtersystem kommt vorzugsweise für alle Elemente des Filters das gleiche Material zur Anwendung. Beim Wandler ist z. B. bei elektrostriktiver Ausführung lediglich noch entsprechendes elektrostriktives Material wie Bariumtitanat vorzusehen. Hinsichtlich des Materials für die Filterelemente ist vor allem an Stahl mit geringem Temperaturkoeffizienten und auch an dielektrische Materialien wie Quarz gedacht.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
An Hand der Fig. 1 wird zunächst das Grundprinzip der erfindungsgemässen Dämpfungspolbildung in einem elektromechanischen Filter erläutert.
Die Fig. 1 zeigt eine mechanische Übertragungsleitung 1, die beim Ausführungsbeispiel quadratischen Querschnitt hat, jedoch auch kreisförmigen oder hievon abweichenden Querschnitt aufweisen kann.
Nach dem in der Zeichnung links gelegenen Ende und rechts gelegenen Ende hin ist die mechanische Übertragungsleitung 1 abgebrochen und die an diesen Leitungsenden anschliessenden Filterteile (wie weitere Resonatoren und die Wandler zum Übergang von den elektrischen Schwingungen auf die mechanischen Schwingungen in der mechanischen Übertragungsleitung und umgekehrt zum Übergang von den mechanischen Schwingungen in der mechanischen Übertragungsleitung auf die elektrischen Schwingungen im Filterausgang) sind aus Gründen der Übersichtlichkeit fortgelassen. Als Wandler empfehlen sich vor allem elektrostriktive Wandler. Es ergibt sich dadurch ein besonders einfacher Filteraufbau. An die
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mechanische Übertragungsleitung 1 ist über ein Kopplungsglied 2 ein mechanischer Resonator 3 angekoppelt.
Die Länge des Resonators 3 ist derart, dass dieser bei der im Wert vorgegebenen Durchlassfrequenz des elektromechanischen Filters an der Übergangsstelle in das Koppelstück 2 wie ein Parallelresonanzkreis wirkt. Die Länge des Kopplungsstückes 2 ist derart gewählt, dass es nicht wie ein Resonator, sondern wie ein in Reihe mit dem Resonator 3 liegender Blindwiderstand (Kapazität, Induktivität) wirkt. Ist das Kopplungsstück kleiner als "A./4, so wirkt es induktiv ; ist es länger, so wirkt es kapazitiv. Dabei ist nur der Längenbereich zwischen 0 und X/2 betrachtèt. Das induktive bzw. kapazitive Verhalten wiederholt
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pol ist ebenfalls in Fig. 1 gezeigt.
Es umfasst einen Abschnitt einer elektrischen Doppelleitung, dessen elektrische Länge L'der mechanisch wirksamen Länge L der mechanischen Übertragungsleitung 1 entspricht.
Dieses Leitungsstück ist an einer der mechanischen Anschaltungsstelle entsprechenden Stelle durch die Reihenschaltung des Blindwiderstandes jX mit einem Parallelresonanzkreis 3'tiberbruckt. Zum be seren Verständnis der Analogie sind die im mechanischen Filterabschnitt auftretenden Grössen im elektrischen Ersatzschaltbild gleich bezeichnet und lediglich durch eine Apostrophierung unterschieden.
Die Wirkungsweise dieser Schaltung kann man sich wie folgt vorstellen. Die Reihenschaltung des Kopplungsstückes 2 mit dem Resonator 3 ergibt für sich je nach der Art des Blindwiderstandes jX, d. h. je nachdem, ob dieser induktiv oder kapazitiv ist, zusätzlich zur Parallelresonanz von 3 bzw. 3'noch eine Serienresonanz. Diese Serienresonanz liegt frequenzmässig unterhalb der Parallelresonanz von 3', wenn jX bzw. die mechanisch wirksame Länge von 2 kapazitiv gewählt wird. Die Serienresonanz liegt oberhalb der Parallelresonanz von 3 bzw. 3', wenn jX bzw. 2 induktiv gewählt werden.
Der Frequenzabstand zwischen der Parallelresonanz und der Serienresonanz ist sowohl durch den Blindwiderstand von jX bzw. die entsprechenden Abmessungen des Kopplungsstückes 2 als auch durch die Blindwiderstandswerte des Parallelresonanzkreises 3'bzw. die entsprechenden Abmessungen des Resonators 3 vorgegebenen Werte anpassbar. Während die Parallelresonanz sich auf die mechanische Übertragungsleitung so auswirkt, dass sich eine Anpassungsstelle im Durchlassbereich des Bandfilters ergibt, verursacht die Serienresonanz einen Dämpfungspol (hohe Übertragungsdämpfung) in der Übertragungscharakteristik des Filters, weil sie für die Serienresonanzfrequenz die mechanische Übertragungsleitung 1 praktisch kurzschliesst.
Man kann diesendämpfungspoldaher, vorgegebenen Forderungen entsprechend, in den Sperrbereich des elektromechanischen Bandfilters legen, ohne die Anpassung im Durchlassbereich des Filters zu stören. Weiterhin ist wesentlich, dass der Dämpfungspol frequenzmässig beliebig variiert werden kann, d. h. sowohl frequenzmässig oberhalb als auch unterhalb des Durchlassfrequenzbereiches gelegt werden kann. Die entsprechenden Frequenzcharakteristiken des an die Anschaltungsstelle des Kopplungsstückes 2 an die Übertragungsleitung 1 transformierten Eingangswiderstandes Z der Reihenschaltung 2,3 sind in den Fig. 2 und 3 ge-
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ist, dass die Schwingungsrichtung in der durch die Übertragungsleitung 1 und den plattenförmigen Resonator 3 in Verbindung mit dem Kopplungsstück 2 bestimmten Ebene verläuft.
Weiterhin ist bei diesem Ausfilhrungsbeispiel das Kopplungsstück 2 so an der Übertragungsleitung befestigt, dass sich im Kopplungsstück 2 eine Kompression in Richtung auf den Resonator 3 ergibt, wenn die mechanische Übertragungsleitung 1 in ihren Biegeschwingungen erregt wird. Die Anregung des Resonators 3 erfolgt damit ebenfalls in Kompressionsschwingungen, die man in der Fachsprache auch als Längsschwingungen bezeichnet, u. zw. in Richtung des eingezeichneten Pfeiles.
An Stelle der Anregung von KompressionsschWÚ1gungen im Kopplungsstück und im Resonator und der Biegeschwingungen in der mechanischen Übertragungsleitung 1 sind auch-andere Schwingungsarten anwendbar. Dies zeigt in Form einer Übersicht schematisch die Fig. 4. Es ist dort tabellenmässig dargestellt, wie die drei Teile zueinander anzuordnen sind, damit sich unter der Voraussetzung einer Biegeschwingung in der Übertragungsleitung 1 in dem Resonator oder dem Kopplungsglied eine Kompressionsschwingung, eine Torsionsschwingung oder eine Biegungsschwingung anregen lassen. Das rechte untere Bild der Tabelle entspricht z. B. der Fig. 1.
Entsprechend ist auch die Übertragungsleitung in einer Kompressionsschwingung bzw. Längsschwingung betreibbar. In diesem Fall können sowohl das Kopplungsstück als auch der Resonator in einer der drei Schwingungsarten, also Biegeschwingung, Kompressionsschwingung oder Torsionsschwingung, betrieben werden. Dies zeigt ebenfalls in Form einer Tabelle die Fig. 5.
Bei Verwendung der Torsionsschwingung in der mechanischen Übertragungsleitung 1 lassen sich
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zelnen Filterelemente (mechanische Übertragungsleitung, Kopplungsstück, Resonator) sind in Fig. 6 tabellarisch zusammengestellt.
Wie bereits erwähnt, ist man hinsichtlich der Querschnittsform für die einzelnen Filterelemente im wesentlichen frei und kann diese in der für die jeweiligeSchwingungsform günstigsten Weise wählen. Um
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bzw.formen entsprechend den Fig. 4a, 4b, 4c, 4d, 5a, 6a, 6b gewählt sind, unter anderem auch deshalb, weil sie besonders günstige Resonator- und Kopplungsstückformen ergeben.
In den Fig. 4,5 und 6 sind in einzelnen Bildern die mechanische Übertragung3leitung und die mechanischen Resonatoren spitzwinkelig zueinander geneigt dargestellt, um zu demonstrieren, dass nur in einem Punkt zwischen dem Koppelstück und der Leitung Berührung vorhanden ist. Dies ist z. B. dadurch vermeidbar, dass das Koppelstück geringfügig abgewinkelt wird. Dann sind Resonator und Leitung entsprechend ausrichtbar.
Bei den Ausführungsbeispielen, sind weiterhin die Resonatoren jeweils an dem der Übertragungslei- tung abgewendeten Ende freistehend gezeigt. Es ist jedoch möglich, durch eine Verlängerung des einzelnen Resonators um eine mechanische Viertelwellenlänge bei der jeweiligen Schwingungsart des Resonators, die einzelnen Resonatoren an dem der mechanischen Übertragungsleitung 1 abgewendeten Ende einzuspannen, da bei dieser Art-der Verlängerung des mechanischen Resonators dann das verlängerte Resonatorende sozusagen mechanisch tot oder praktisch stillstehend ist.
Wie in Fig. 7 noch an Hand eines Beispieles erläutert, lassen sich die Filtergrundabschnitte nach den Fig. 1-6 zu einem Kettenfilter zusammensetzen, wobei die mechanisch wirksame Länge L bzw. die entsprechende elektrische Länge L'des einzelnen Filterabschnittes so zu wählen ist, dass sich die geforderte
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wesentlich weniger selektiv ist als das Filtersystem, bestehend aus den Resonatoren in Verbindung mit den Kopplungsstücken und der mechanischen Übertragungsleitung. Weiterhin empfiehlt es sich, das Filtersystem über die Wandler W in Verbindung mit dem Innenwiderstand der elektrischen Schwingungsquelle und dem Verbraucher reflexionsfrei abzuschliessen.
Die Wandler W an beiden Enden des elektromechanischen Filters sind vorzugsweise elektrostriktive Wandler, die die elektrischen Schwingungen in die entsprechenden mechanischen Schwingungen bzw. die mechanischen Schwingungen in elektrische Schwingungen umwandeln. Bei Verwendung als Zweipol kann einer der Wandler wegfallen.
In Fig. 8 ist noch eine Dämpfungscharakteristik gezeigt, die sich mit einem Filter nach Fig, 7 durch Wahl der Abmessungen der Kopplungsstücke, der Resonatoren, der Wandler und der Übertragungsleitung erreichen lässt. Schraffiert ist ein Toleranzschema der Übertragungsdämpfung ab eingezeichnet. Zwei Dämpfungspole sind beispielsweise in den frequenztieferen Sperrbereich und drei Dämpfungspole in den frequenzhöheren Sperrbereich gelegt. Im Durchlassbereich sind sieben Anpassungsstellen erreicht, von denen fünf Stellen den fünf Resonatoren und zwei den entsprechend mit 11 und 12 ergänzten Wandlern W zugeordnet sind. In Fig. 7 sind aus Vereinfachungsgründen die Kopplungsstucke gleich lang gezeichnet.
Sie sind für eine Filtercharakteristik nach Fig. 8, jedoch der Pollage entsprechend unterschiedlich zu wählen, wie dies an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert wurde.
Die Halterung des Filtersystems kann in der Weise erfolgen, dass das Filtersystem über den oder die Wandler gehalten wird. Die einzelnen Resonatoren sind dann an ihrem, der mechanischen Übertragungsleitung abgewendeten Ende frei. Mit Vorteil ist jedoch eine Halterung des Filtersystems auch dadurch möglich, dass Haltesttitzen in den neutralen Zonen wenigstens einiger der Resonatoren angreifen. Werden
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Schwinger-material) wie in der Fig. 1 verwendet, so können diese in der Entfernung von etwa À./4 vom freien Ende mit dem Stützorgan verbunden werden, das seinerseits in einem Filterschutzgehäuse verankert werden kann.