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Mechanische Filteranordnung
Die Erfindung betrifft eine aus mechanischenschwingelementen aufgebaute, radiofrequente Filteranordnung, welche die Verwirklichung eines relativ schmalbandigen, eine winkelförmige Charakteristik
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erschütterungsfesten Filters ermöglicht.EineGruppe der bekannten mechanischenFilter bilden die einen grossen mechanischen Q-Wert aufweisenden, aus zylindrischen Metallresonatoren aufgebauten Filter, bei welchen die Metallresonatoren in longitudinaler Richtung schwingen. Die Koppelung zwischen den Resonatoren wird durch eine Länge von k/4 besitzenden Stäbe verwirklicht, die mit den Resonatoren gemeinsam hergestellt werden. Der Durchmesser des eine Länge von X/4 besitzendenKoppelungsstabes hängt von der zu erreichenden Bandbreite und den Resonatorabmessungen ab.
Im Falle eines Filters mit verhältnismässig schmaler Bandbreite kann mit einem Koppelungsstab von X/4 Länge zwischen den entsprechenden Resonatoren eine genügende Koppelung nicht erreicht werden, da sich ein so kleiner Durchmesser des Koppelungsstabes ergibt, dass er technisch nicht verwirklicht werden kann, so dass in solchen Fällen ein impedanztransformierender Stab einer Länge von 3 A./4 verwendet wird. Der Durchmesser des Koppelungsstabes ändert sich pro X/4 Längeneinheiten. Da die in der Praxis verwendeten mechanischen Filter in der Mehrheit Schmalbandfilter sind, ist die letztere Koppelungsart üblich.
Diese ist aber von Herstellungsgesichtspunkten aus betrachtet überaus unvorteilhaft, da ausser denResonatorelementen dreimal so viele Koppelungselemente mit überaus strenger Toleranz angefertigt werden müssen. Bei Filtern dieser Art werden die Resonatoren und die Koppelungselemente aus einem Stück durch Drehen und Schleifen mit der geforderten Massgenauigkeit von : l : 1 Jl hergestellt.
Wegen der Materialinhomogenitäten und der Massabweichungen verfügen aber die auf diese Weise hergestellten Filter noch nicht über entsprechende Übertragungseigenschaften, so dass das fertiggestellte Filter noch abgestimmt werden muss. Dies geschieht durch das nachträgliche, unter Messung erfolgende Schleifen der Resonatoren und der Koppelungsstäbe. Nachteilig ist die Schwierigkeit des Abstimmens, weil abschnittweise ein aus mehreren Resonatoren bestehendes gekoppeltes System in optimale Koppelung zu bringen ist, und während des Messens gesichert werden muss, dass nur jene Resonatoren des Filters schwingen, deren Koppelung eingestellt werden soll.
Nachteilig ist es weiters, dass die Längenabmessung des eine verhältnismässig kleine Bandbreite besitzenden Filters durch den eine Länge von 3 ^-/4 aufweisenden Koppelungsstab vergrössert wird, dessen Durchmesserverhältnisse zwischen bestimmten Grenzen zu halten sind, da der Resonator und der Koppelungsstab notwendigerweise aus gleichem Material ausgebildet sind. Es ist unvorteilhaft, dass die Übertragungsdämpfung des Filters durch die eine Länge von 3 > "/4 besitzenden Koppelungsstäbe bedeutend erhöht wird, da die Koppelung zufolge des verhältnismässig schmalen Bandes lose auszubilden ist.
Die erschütterungssichere Ausbindung des Filter-
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Tragelemente vergrössern die Ausnahme des Filters, wobei sie eine vollständige Erschütterungssicherheit auch in diesem Falle nicht gewährleisten können.
Nach einerandern bekanntenFilterkonstruktion ist dasFilter ausBiegungsschwingungen ausführenden
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Metallscheiben-Resonatoren aufgebaut, deren Durchmesser immer grösser als ihre Stärke ist. Die Koppelung wird durch einen an den Rand der Scheiben geschweissten, entlang der ganzen Länge des Filterkörpersgeführten, beliebigen Metallkoppelungsdraht gesichert. Hier führen die Koppelungsdrähte, den
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der Resonatoren folgend, gleichzeitig Biege- und Longitudinalschwingungen aus,bandfilters aus betrachtet, unvorteilhaft ist, da zu einer relativen Bandbreite von weniger als 5 U ; oo bereits so dünne Koppelungsdrähte votwendig sind, dass die Erschütterungsfestigkeit des Filters nicht mehr gesichert ist.
Jene Alternative dieser Filterkonstruktion, bei welcher die Koppelung in bezug zur Bandmittelfrequenz mit verstimmten Scheibenresonatoren verringert wird, zeigt eine grosse Dämpfung und eine nicht entsprechende, winkelförmige Charakteristik.
Ein gemeinsamer Nachteil der im vorhergehenden erwähnten F ilterkonstruktionen ist noch die schwer einstellbare Unterdrückung des parasitären Libertragungsbandes unter das gewünschte Niveau.
Es sind weiters auch Torsionsschwingungsfilter bekannt, jedoch weichen die Konstruktionsausführung und das hieraus stammende Wirkungsprinzip vom System der oben beschriebenen mechanischenFilter ab.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer mechanischen Filterkonstruktion, die es ermöglicht. eine die im vorhergehenden beschriebenen Nachteile beseitigende, relativ schmalbandige, mechanische Filterkonstruktion zu verwirklichen.
Ausgehend nun von einer mechanischen Filteranordnung mit entlang einer geometrischen Achse angeordneten zylinderförmigen, auf longitudinale Schwingungen erregbaren Resonatorelementen, deren jeweilige Zylinderachse mit der gemeinsamen geometrischen Achse zusammenfällt und die mittels le- diglichlongitudinalschwingenderKoppelungselemente miteinander verbunden sind, besteht das wesent- liche der Erfindung darin, dass die Koppelungselemente an den Mantel der zylindrischen Resonatorelemente geschweisst sind, wobei die Kopplerachsen mit den Achsen der Resonatorelemente parallel sind und die Länge der Koppelungselemente zwischen den benachbarten Resonatoren kleiner als die zur Mittelfrequenz des Filters gehörige Wellenlänge von A/16 ist.
Der Erfindungsgedanke liegt also darin, dass die aus ihrer eigenen geometrischen und ihrer im Filter eingenommenen Lage, d. h. aus dem konstruktiven Aufbau des Filters stammend, ausschliesslich lon- gitudinale Schwingungen ausführendenMetallresonatoren, mit Hilfe von an ihren Mantel angeschweissten - aus dem konstruktiven Aufbau folgend-nur mittels in longitudinaler Richtung schwingender Koppelungselemente in Koppelung gebracht, relativ schmalbandige, mechanisch stabile und einen guten Wirkungsgrad mit kleinerenAbmessungen, als bei den bisher bekannten Konstruktionen aufweisende Filter gebaut werden können. Der technische Fortschritt gemäss der Erfindung wird nachfolgend zusammengefasst.
Die Lösung derFilterkonstruktionist einesolche, in welcher die Längsachsenrichtung der inlongitudinaler Richtung schwingenden zylindrischen Resonatoren mit der Längsachse der an ihren Mantel geschweissten, nur in longitudinaler Richtung schwingenden Koppelungselemente zusammenfällt. Hieraus folgt die prinzipielle Erkenntnis, dass nur mit der erfindungsgemässen Filteranordnung ein geeignete Übertragungseigenschaften besitzender, erschütterungssicherer, relativ schmalbandiger mechanischer Filter verwirklicht werden kann.
Von besonderer Bedeutung ist hiebei der Umstand, dass der zwischen den Resonatoren der erfindungsgemässen Filteranordnung entstehende Koppelungsfaktor - sowie auch die Bandbreite - auf die erfindungsgemässe Weise, nämlich durch Änderung der Länge der Koppelungselemente in weiten Grenzen geändert werden kann, ohne dass der Querschnitt der Koppelungselemente - in der bei den bisherigen Lösungen bekannten Weise - geändert werden müsste.
Der Fortschritt ergibt sich auch dadurch, dass nunmehr kürzere Koppelungsleitungen als A/16 verwendet werden können, ohne dass das parasitäre Übertragungsband des Filters die Ausbildung der entsprechenden Übertragungscharakteristik verzerren würde.
Der entscheidendste Vorteil der Erfindung liegt aber darin, dass sie die Herstellung von entsprechende Übertragungseigenschaften aufweisenden mechanischen Filtern mit relativ kleiner Bandbreite ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass dieselbe auch im Falle von Filtern mit relativ kleiner Bandbreite mechanisch stabile, kurze Masse aufweisende Lösungen ermöglicht, da die kürzeren als X/16 aufweisenden Koppelungselemente eine massive Ausführung sichern. Der dritte Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Unterdrückung der parasitären Schwingungen keine Vorkehrungen getroffen werden müssen, so dass das Filter aus gleiche Abmessungen aufweisenden, longitudinal schwin- genden Resonatoren aufgebaut werden kann, welche Tatsache auch durch durchgeführte Messungen gesichert ist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt schliesslich darin, dass es nicht notwendig ist, für eine Abstützung oder eine Ausbindung des Filterkörpers zu sorgen, da die Lösung der Filterkonstruktiones ermöglicht, ein dämpfungsloses Ausbinden durchzuführen.
Weitere, technologische, Mass- und Gewichtscharakter betreffende Vorteile der Erfindung machen sich bei der Anwendung derselben bemerkbar.
Eine beispielsweise A usfüh. ungsform der Erfindung wird nachstehend ausführlicher an Hand der Zeich- nung erläutert.
Das in der Zeichnung dargestellte Filter ist ein durch einen Magnetostriktions-Drahtumformer angetriebenes, eine der erfindungsgemässen Filterkonstruktion entsprechende Lösung aufweisendes mechanisches Filter. Mit t sind vier Resonatoren l, mit 2 Koppelungsdrähte, mit 3 Zusatzkoppelungsdrähte, mit 4 Ausbindedrähte, mit 5 ein Magnetosrriktions-Urnformerdraht, mit 6 ein Magnet, mit 7 Umformerwicklungsenden, mit 8 Abschirmungsbecher und mit 8 Umformerwicklungskörper bezeichnet.
Der Antrieb derFiltervorrichtung wird durch den aus den Bestandteilen 5-9 zusammengestellten, eine an und für sich bekannte Funktion aufweisenden Magnetostriktions-Umformer durchgeführt.
Die mit Hilfe des Umformers auf longitudinale Schwingungen erregten, längs einer gemeinsamen geometrischen Achse angeordneten zylindrischen Metallresonatoren 1 sind mit Hilfe der an ihren Mantel geschweissten Koppelungsdrähte 2 gekoppelt, welche Drähte zufolge des Aufbaues longitudinale Schwingungen ausführen und die Aufgabe haben, die Schwingungsenergie zu koppeln. Die minimale Welligkeit der Übertragungscharakteristik wird durch die Zusatzkoppelungsdrähte 3 gesichert.
DieAusbildung derFiltervorrichtung zu den nichtschwingendenAbschirmbechern 8 erfolgt durch Ausbindedrähte 4. Die Erregung zu longitudinalen Schwingungen der als Ausführungsbeispiel beschriebenen Filterkonstruktion kann natürlich durch irgendeinen der in der Praxis verwendeten elektromechanischen Umformer bewirkt werden. Der Abschluss des Filters wird durch die Bandbreite und den Eigenwiderstand desselben bestimmt.
Die mit Hilfe des Umformers auf longitudinale Schwingungen erregten, längs einer gemeinsamen geometrischen Achse angeordneten zylindrischen Metallresonatoren 1 sind mit Hilfe der an ihren Mantel geschweissten Koppelungsdrahte 2 gekoppelt, welche Drähte zufolge des Aufbaues longitudinale Schwingungen ausführen und die Aufgabe haben, die Schwingungsenergie zu koppeln. Die minimale Welligkeit der Übertragungscharakteristik wird durch die Zusatzkoppelungsdrähte 3 gesichert.
DieAusbindung derFiltervorrichtung zu den nichtschwingenden Abschirmbechern 8 erfolgt durch Ausbindedrähte 4. Die Erregung zu longitudinalen Schwingungen der als Ausführungsbeispiel beschriebenen Filterkonstruktion kann natürlich durch irgendeinen der in der Praxis verwendeten elektromechanischen Umformer bewirkt werden. Der Abschluss des Filters wird durch die Bandbreite und den Eingangswiderstand desselben bestimmt.
Die Bemessung des den Erfindungsgegenstand bildenden elektrischen Filters kann mit Hilfe der gebräuchlichen Filtertheorie auf Grund der in der Literatur bekannten Äquivalenzen erfolgen.
Eine Bestimmung der geometrischen Abmessungen der Filtervorrichtung ist auf Grund der nachstehend dargelegten Zusammenhänge möglich.
Die Resonanzfrequenz der zylindrischen Metallresonatoren 1 ist
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Die in diesem Zusammenhang dargestellten Bezeichnungen sind : fr = die Resonanzfrequenz des Resonators (Hz) n = harmonische Zahl-im vorliegenden Fall-n = l (-) lr = die Länge des Resonators (m)
Fr = die Fläche der Grundplatte bzw. der Deckplatte des Resonatorzylinders
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Mit Hilfe dieses Zusammenhanges kann bei einem gegebenen Stoff, einer gegebenen Frequenz und einem angenommenen Resonatordurchmesser die Länge lr des Resonators bestimmt werden. Es ist zweckmässig. wegen der vorteilhafteren Unterdrückung der parasitären Schwingungen das Verhältnis Ir > dr einzustellen.
Der Grundstoff der Resonatoren kann irgendein über einen hohen mechanischen Q-Wert verfügendes beliebiges Metall sein, das den vorgeschriebenen Temperaturbedingungen entspricht.
Die Abmessungen des Koppelungsdrahtes 2, des zusätzlichen Koppelungsdrahtes 3 und des Ausbindedrahtes 4 kann man auf Grund der nachstehenden Zusammenhänge bestimmen :
Die Drahtlängen werden von Schweissstelle zu Schweissstelle, auf Grund der Bezeichnung von Fig. l als Wert
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aufgenommen, wo 10 = die Länge des Koppelungsdrahtes, À. = die zur Resonatorfrequenz gehörige Wellenlänge (m)
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m = die Koppelungsdrahtzahl bei der einen Platte eines Resonators - im Ausfüh- rungsbeispiel ist m = 3. ff = ist die obere Grenzfrequenz (Hz) fa = ist die untere Grenzfrequenz (Hz) le : : :
ist die Länge des Koppelungsdrahtes (m)
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l. = ist die Länge des Resonatorzylinders (m) Im Falle eines gegebenen Koppelungsdrahtmaterials kann in Kenntnis der Resonatorabmessungen und der Bandbreite der Koppelungsdrahtdurchmesser bestimmt werden. Die Abmessungen der Ausbindedrähte und diejenigen der zusätzlichen Koppelungsdrähte 3 stimmen im Falle von gleichem Material mit der Anzahl der Koppelungsdrähte überein. Die Anzahl der zusätzlichen Koppelungsdrähte 3 ist zwei und ihre Anordnung ist aus der Zeichnung ersichtlich.
Als Material der Koppelungs- und Ausbindedrähte ist das vom Gesichtspunkt der Bandbreite, der mechanischen Festigkeit sowie derTechnologie vorteilhafteste Metallmaterial z. B. Nickel zu wählen.
Mit Hilfe der in der Zeichnung gezeigtenFiltervorrichtungkann ein eine relativeBandbreite von 20/00, einenKoppelungsdrahtdurchmesser von dc = 2, 10 m-4 und eine winkelige Charakteristik S = 1. 5 besitzender Filter hergestellt werden, wenn anstatt den in der Zeichnung dargestellten vier, neun Resonatoren zur Anwendung kommen. Die Winkeligkeit S bezieht sich auf das Verhältnis 6 und 60 dB der Bandbreite.
DieFiltervorrichtung ist überaus erschütterungsfest und besitzt imFalle von fr = 450 KHz eine Abmessung, die kleiner ist als jene aller bisher bekannten ähnlichen Filtervorrichtungen. Die Übertragungsdämpfung des Filters wird durch den verwendeten elektromechanischen Umformer bestimmt.
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bekannten Filterkonstruktionen. Dies wird durch die den Gegenstand der Erfindung bildende Filterkonstruktion gewährleistet.