Elektrisches Wellenfilter. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Wellenfilter, bei denen me chanische Schwingungselemente benützt wer den.
Die Erfindung bezweckt die Erweiterung des Frequenzbereiches solcher Filter, .die Herabsetzung ihrer Herstellungskosten und der Zahl der für ihren Bau erforderlichen Schwingungselemente.
Es ist bekannt, dass Wellenfilter dritter Art in bezug auf die bei ihnen erhältlichen Übertragungskenngrössen den Vorteil der all gemeinen Verwendbarkeit besitzen. Dieser Vorteil ist jedoch vom Nachteil begleitet, dass sie eine sehr grosse Anzahl von Impe- danzelementen und zwischen den Impedanz elementen gewisser Zweige einen hohen Ab gleichungsgrad erfordern.
Wo zur Gewähr leistung der aus ihrem geringen Energie verbrauch hervorgehenden Vorteile mecha- nisehe Schwingungsvorrichtungen, beispiels weise piezoelektrische Kristalle, in den Filterstromkreis eingefügt werden, lassen die Herstellungskosten und der Aufwand beider Einstellung @dieser Vorrichtungen es wüün- sehenswert erscheinen,
ihre Anzahl auf ein Mindestmass; herabzusetzen.
Das elektrische Wellenfilter nach der Er findung, welches zwei Paare von Impedanz zweigen aufweist, die zwischen ein Ein gangsklemmenpaar und ein Ausgangsklem- menpaar derart eingeschaltet sind, dass sie ein symmetrisches Kettenglied dritter Art bilden, wobei je die beiden zu einem Paar zusammengehörigen Impedanzzweige gleich sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisches 'Schwingungselement symme trisch mit beiden Zweigen des einen Paares elektromechanisch gekoppelt ist,
und dass ein zweites mechanisches Schwingungselement in gleicher Weise mit beiden Zweigen des an dern Paares gekoppelt ist, wobei die genann ten Schwingungselemente verschiedene Reso nanzfrequenzen besitzen. Die elektromecha- ni.sehe Kopplung kann entweder elektrosta tisch oder elektromagnetisch sein, wobei sich die erste Art dort eignet, wo piezoelektrische Kristalle als mechanische Schwingungs elemente verwendet werden, und die zweite Art, wo metallische Resonatoren verwendet werden.
Ferner können für den Bau der Fil ter piezoelektrische Kristalle verwendet wer den, die Biegtings.schwingungen ausführen können, wodurch der Frequenzbereich erheb lich erweitert wird. Zu diesem Zwecke kön nen Kristallelemente verwendet werden. die entweder in Form eines Stabes oder einer Stimmgabel zugeschnitten sind und die vor zugsweise in oder in der -Nähe ihrer Sch -inrungsknoten gehalten werden.
Nachstehend werden Ausführungsbei spiele der Erfindung, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. beschrieben. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 schematisch ein Wellenfilter, in welchem als mechanische Impedanzelemente piezoelektrisehe Kristalle verwendet werden, Fio-. 2 einen piezoelektrischen Schwing- körper.
Fig. 3 das Ersatzschema der Vorrichtung nach Fit' o-.<B>2</B>, Fig. 4 eine auf dem Prinzip der Magneto- striktion beruhende Schwingungsvorrichtung, Fin. 5 das Ersatzschema der Vorrichtung der Fig. 4, Fig. t; die Kennlinien dieser Vorrichtung, Fig. -7 eine schematische Darstellung eines Filters mit magnetostriktiven Schwingungs vorrichtungen.
Fig-.8 und 9 Kennlinien des Filters der Fig. 7, Fig. 10 ein piezoelektrisches Kristall element. das in der Form eines Stabes zu geschnitten ist und Biegungsschwingungen ausführen kann, Fig.1l eine Seitenansicht des Kristall elementes der Fig. 10, aus welcher ersicht lich ist, in welcher Weise das Element durch mit den einzelnen Elektroden kontakt machende Klemmen getragen wird, Fig. 12 ein piezoelektrisches Kristall- element,
das in der Form einer Stimmgabel zugeschnitten ist, Fig. 13 einen Schnitt in der Ebene 4-4 des Kristallelementes der Fig. 12, Fig. 14, wie die Elektroden .der Elemente der Fig. 10 und 12 angeschlossen werden müssen, damit diese Biegungsschwingungen ausführen können, Fig. 15 Kurven, die bei der Berechnung derartiger Filter vorteilhaft angewendet wer den können, Fig. 16 ein Kettenglied dritter Art. in welchem zwei Kristallelemente nach Fig. 111 oder 12 verwendet werden.
Das in der Fig. 1 gezeigte Filter dritter Art besitzt zwei piezoelektrische Kristalle 10 und 11. welche als mechanische Schwin;.n igs- elemente wirken und so mit dem elektrischen Teil gekoppelt sind, dass jeder Kristall in zwei gleich angeordneten Zweigen des Ketten- gliedes dritter Art liegt. Auf diese Wehe ist der Kristall 10 in beide Leitungszweige und der Kristall Il in beide l@reuzz-uveige ein geschaltet.
Die Eingangsklemmen des Fil ters sind mit 1 und 2 und die Ausgangs klemmen mit 3 und 4 bezeichnet.
Die Kristalle können als rechtwinklige Platten ausgebildet sein, die so zugeschnitten sind, dass die grösste Fläche senkrecht zur elektrischen Achse des Kristallen und die längere Seitenfläche parallel zur mecha nischen Achse des Kristallen liegt. Dabei ist unter der mechanischen Achse diejenige zu verstehen, die senkrecht zu den ihrer seits senkrecht zueinander stehenden elek trischen und optischen Achsen steht und längs welcher die Hauptschwingungen eines longitudinal schwingenden Niederfrectuenz- kristalles auftreten.
Kristalle, die so ge schnitten und deren grosse Flächen mit Elek troden versehen sind, schwingen bei elek trischer Erregung longitudinal und be sitzen, wenn sie für den beim Trägertelepho- niebetrieb benützten, verhältnismässig nied rigen Frequenzbereich bemessen -orden sind, Abmessungen, die einen zweckmässigen me chanischen Einbau erlauben. Andere be kannte Formen von Kristallen können jedoch auch verwendet und unter Umständen sogar bevorzugt werden. Das in der Fig. 1 .gezeigte Filter ist jedoch mit den oben beschriebenen rechteckigen Kristallen versehen, die von der Seite gezeigt sind.
Der Kristall 10 ist mit zwei Elektroden paaren 1'2, 121 und 13, 131 versehen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kristallgis liegen, das Paar 12, 121 in der obern Kri stallhälfte und das Paar 13, 131 in der un tern. Diese Elektroden können aus Silber be stehen, das direkt auf den Kristall auf gebracht ist, beispielsweise so, dass die bei- der. :u belegenden Flächen zuerst ganz mit Silber überzogen werden, worauf in der Mitte jeder Fläche ein schmaler Streifen des Sill rüberzuges entfernt wird.
Im allgemei nen empfiehlt es sich, auch an den Kanten einen schmalen Streifen zu entfernen. Der Kristall 11 ist in gleicher Weise mit zwei entsprechenden Elektrodenpaaren 14, 14' und 15, 151 versehen. Die Elektroden 12 und 12' des Kristallgis 10 sind mit den Klemmen 1 bezw. 3 verbunden und die Elektroden 13 und 131 mit den Klemmen 2 bezw. 4. Die Elektroden 14 und 141 des Kristallgis 11 sind mit den Klemmen 1 bezw. 4 und die Elek troden 15 und 151 mit .den Klemmen 3 bezw. 2 verbunden. Die Fig. 2 zeigt eine perspekti vische Ansicht des Kristallgis 10 und die An ordnung der Elektroden und ihrer An schlüsse.
Obschon jeder Kristall als einheitliches Schwingungsgebilde arbeitet, lässt sieh sein Verhalten im Filterstromkreis am besten da durch betrachten, dass man ihn als gleich wertig zu zwei Kristallen auffasst, die da durch erhalten werden, dass man ihn zwi schen zwei benachbarten Elektroden durch schneidet. Dadurch würde man zwei gleiche Leitungszweigkristalle und zwei gleiche Kreuzzweigkristalle erhalten.
Würden vier getrennte Kristalle benützt, so müsste man der Verbindungsweise der Elektroden und der Filterklemmen keine Beachtung schen ken, dagegen muss man, wenn sie wie in Fig.1 und 2 .gepaart sind und so einheitliche Gebilde bilden, darauf achten, dass die Er- regungsspannungen, die jeder Hälfte an gelegt werden, eine derartige gegenseitige Beziehung aufweisen, dass beide Hälften gleichzeitig in der gleichen Richtung schwin gen.
Andernfalls wü.rd-e die Schwingung jeder Hälfte diejenige der andern aufzuheben versuchen, und es würde eine Durchbiegung längs der Längsachse des Kristallgis auf treten. Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ver bindungsweise werden die richtigen gegen seitigen Polaritätsverhältnisse für die Er regungsspannungen erhalten, so dass jede Hälfte des Kristallgis in der richtigen Weise schwingt.
Aus der Fig. 1 geht hervor, dass im Falle des Kristallgis 10 die untern Elek troden 13 und 131 gegenüber den Elektroden 12 und 121 in umgekehrter- Weise mit den Eingangsklemmen und den Ausgangsklem inen verbunden sind. Das gleiche gilt auch für die Elektrodenpaare des Kristallgis 11.
Die Fig. 3 zeigt den elektrischen Ersatz stromkreis für den Kristall 10. Er umfasst zwei gleiche Impedanzen, von denen jede aus einem einfachen Resonanzstromkreis besteht, zu dem eine Kapazität in Nebenschluss ge legt ist, wobei die eine Impedanz zwischen die Klemmen 1 und 3 und die andere zwi schen die Klemmen 2 und 4 eingeschaltet ist. Die beiden Impedanzen des Ersatzstrom kreises sind keiner gegenseitigen Kopplung unterworfen, obgleich in Wirklichkeit der gleiche mechanische .Schwingkörper in jedem Stromweg wirkt.
Die Werte der im elektrischen Ersatz stromkreis vorhandenen Induktanzen und Kapazitäten können aus den Kristallabmes sungen bestimmt werden, indem man zuerst das elektrische Äquivalent des ganzen Kri stallgis unter der Annahme bestimmt, dass die beiden Elektroden einer jeden Fläche eine praktisch die ganze Fläche bedeckende ein zige Elektrode bilden. Die Impedanz jeder Hälfte des Kristallgis ist dann zweimal so gross wie jene des ganzen Kristallgis. In der Fig. 3 besteht jede Impedanz aus einem Resonanzzweig mit einer Induktanz 2 L1 und einer Kapazität von
EMI0003.0044
dem eine Kapazität von
EMI0004.0001
parallelgeschaltet ist.
Als Funktio nen der Abmessungen des Kristalles können diese Grössen wie folgt dargestellt werden:
EMI0004.0006
worin l., zc und<I>t</I> die Länge, Breite und Dicke des Kristalles in Zentimetern sind.
Für die Kombination zweier Paare piezo- elektrischer Kristalle in einem Kettenglied dritter Art, das nur ein einziges Übertra gungsband aufweisen soll, gilt, dass die Lei tungszweig- und die Kreuzzweig-Kristall- impedanzen ungleiche Frequenzcharakteristi- ken besitzen müssen, die eine solche Be ziehung zueinander aufweisen, dass die Reso nanz der Leitungszweige mit der Antireso nanz der Kreuzzweige zusammenfällt oder umgekehrt. Die Gleichungen (1) ermöglichen ec:, die Kristalldimensionen so zu bemessen, dass diese Bedingung erfüllt, wird.
Fig. 1 zeigt vier gleiche Reihenindukta.n- zen vom Wert ?!, L", die in die Zuleitungen zum Kettenglied eingeschaltet sind und durch die ein breiteres Übertragungsband er halten wird, ohne dass die Schärfe der Selek tivität leidet.
Fig. 4 zeigt eine andere Art von elektro mechanischen Impedanzen, die sich zur Ver wendung in derartigen Filtern eignet. Bei dieser Vorrichtung besteht das Schwingungs element aus dem rohrförmigen Glied 16 aus magnetostriktivem Material, das in der Mitte durch die Schneiden 17 und 171 getragen wird und mit den zur Aufnahme der Wechselströme dienenden Erregerspulen 18 und 19 versehen ist.
Wie dargestellt, be decken diese Spulen die ganze Länge der Röhre, doch können sie auch nur halb so lang gemacht >erden. Das Schwingen der Röhre 1.6 wird durch magnetostriktive Kräfte hervorgerufen, die durch die Ströme in den Wicklungen bewirkt -#\,erderi. und damit diese Kräfte die gleiche Frequenz wie die Erregungsströme erhalten, muss die Röhre durch ein einseitig gerichtetes magnetisches Feld magnetisch polarisiert werden.
Zu diesem Zweck ist ein Polarisierungs magnet 21 vorgesehen, dessen Polflächen vor den Enden des 'Schwingungselementes liegen und der somit mit letzterem einen praktisch geschlossenen magnetischen Kreis bildet. Die zwischen den Enden des Rohres 16 und dem Polarisierungsmagnet vorhandenen schmalen Luftspalte ermöglichen ein freies Schwingen. Das @1-fagnetfeld wird durch eine Wicklung ?2 hervorgerufen. die von der Batterie 23 oder einer sonstigen Gleichstromquelle über einen einstellbaren Widerstand 24 gespeist wird.
Um zu verhindern, dass unter der Ein wirkung der Erregungsströme in der Röhre 16 ein Wirbelstromfluss auftreten kann, ist diese bei 20 in der Längsrichtung geschlitzt.
Die elektrische Impedanz eines magneto- striktiven Elementes der gezeigten Art, ge messen an den Klemmen einer der Erre@,c,r- w-icklungen, entspricht derjenigen der Fig. 5, die eine Induktanz L" besitzt, zu der ein Reilienresonanzstromkreis L, Cl in Neben schluss gelegt ist.
Die Induktanz L" ent- ,cpricht der Induktanz L" der Erregerwick lung bei fehlender Mmnnetotriktionswirkung oder bei derart befestigter Reihre 16, dass sie nicht schwingen kann. Die Induktanz L, und die Kapazität Cl besitzen Werte, die von den körperlichen Abmessungen, den mechanischen Konstanten der Röhre 16 und dem Magneto- striktionskraftfaktor abhängig sind.
Näheres darüber findet sich in einem Artikel von ssutterworth in den "Proceedings of ehe Phy- sical Societv" vom<B>1.</B> März 1931, Seite 166. Es ist zu erwähnen, dass die. Resonanz von L, und Cl der ersten mechanischen Resonanz frequenz des Rohres bei Längsschwingungen entspricht.
Die Reaktanz-Frequenzkennlinie der Im pedanz ist durch die Kurve 25 der Fi g. 6 dargestellt. Sie zeigt ns,ci kritische Fre- quenzwerte, den einen bei fo, bei welchem Antiresonanz vorhanden ist, und eine höhere Frequenz f,, die der Resonanzfrequenz von L, und C,, das heisst der mechanischen Reso nanz des Schwingkörpers entspricht.
Infolge der durch die iVIagnetostriktion bewirkten, verhältnismässig geringen elektromechani schen Kopplung liegen die beiden Frequen zen f" und f, sehr nahe beieinander, so dass die Verwendung der Vorrichtung auf Filter mit sehr schmaler Bandbreite beschränkt zu sein scheint. Ein grösserer Frequenzabstand zwischen den kritischen Frequenzwerten lässt sich jedoch durch Hinzufügen einer Kapa zität in Reihe zur Erregerwicklung erzielen, wobei die Reaktanzkennlinie etwa den Ver lauf der Kurve 26 der F'ig.6 besitzt.
Es tritt dann eine unterhalb f" liegende neue ldesonanzfrequenz f 2 auf, und die obere Reso nanzfrequenz wird vom Wert f, nach fa ver schoben. Der Abstand der Frequenzen f2 und A von der Antiresonanzfrequenz f o kann durch Andern der Reihenkapazität beein flusst werden.
Fig. 7 zeigt die Anwendung von magneto- striktiven Schwingkörpern von der oben be schriebenen Art in einem Breitbandfilter. Es werden dabei zwei \Schwingungselemente 27 und 28 benützt, von denen das Element 27 zwei gleiche Erregerwicklungen W3, und T/Va' besitzt, die in die Leitungszweige des Ketten- gliedes dritter Art eingeschaltet sind.
Das Element \?8 besitzt zwei gleiche Wicklungen 13'b und TVb', die in die Kreuzzweige ein äeschaltet sind. In Reihe zu den Wicklun gen Ww und Wa' sind gleichgrosse Kapazi täten C", und Ca' eingeschaltet, und ein ent sprechendes Paar gleichgrosser Kapazitäten C,, und Cb' ist in die Kreuzzweige eingefügt. Die Schwingungselemente sind in dieser Figur nur sehr schematisch dargestellt,
und die Polarisierungsmagnete und ihre zugehö rigen Stromkreise sind der Einfachheit hat-, ber nicht gezeigt.
Die Wicklung TV" ist zwischen .die Klem men 1 und 3 des Filters und die Wicklung W.;' zwischen die Klemmen 2 und 4 ge schaltet. Die Wicklungen W., und WJ müs sen so gepolt sein, dass der sie durchfliessende Strom den Kern in der gleichen Richtung magnetisiert. Die Wicklungen Wb und Wb' sind in gleicher Weise gepolt. Infolge der Gleichheit der zwei Wicklungen eines jeden Schwingungskörpers werden in di4 beiden Leitungszweige gleiche Impedanzen ein geführt und ebenso in die Kreuzzweige.
Damit das Filter ein einziges Übertra gungsband liefert, müssen die Kreuzzweig impedanzen eine Frequenzkennlinie besitzen, die von derjenigen der LLeitungszweigimpe- daDzen verschieden ist, jedoch eine solche gegenseitige Beziehung zueinander aufwei sen, dass die kritischen Frequenzwerte zu sammenfallen. Die Antiresonanzfrequenzen .der Leitungszweige müssen mit den Reso nanzfrequenzen der Kreuzzweige zusammen fallen und umgekehrt, und zwar innerhalb des Frequenzbereiches des Übertragungs bandes, während im Dämpfungsbereich die Übereinstimmung zwischen kritischen Fre quenzen gleichen Charakters liegen muss.
Dies ist für das Filter .der Fig. 7 an den zwei in .den Fig. 8 und 9 gezeigten Beispielen dargestellt. In der Fig. 8 entspricht die voll ausgezogene Kurve 27 der Reaktanz der Lei tungsimpedanzen und die gestrichelte Kurve 2.8 der Reaktanz der Kreuzzweige.
In die sem Falle erstreckt sich das Übertragungs band von der untersten kritischen Fre quenz f,, nach der höchsten Frequenz fb. Die Kurven 29 und 30, die den Leitungs- und Kreuzzweigimpedanzen entsprechen, zeigen ein .direktes Zusammenfallen zweier Reso nanzen bei der Frequenz fe und die Koinzi denz einer Resonanz- und einer Antireso- nanzfrequenz beim Wert fg. Das Band er streckt sich in diesem Falle von der unter sten kritischen Frequenz f ,# nach der dritten kritischen Frequenz<B>f d,
</B> und die Frequenz f e liegt ausserhalb des übertragenen Bandes. In beiden Figuren ist die Lage des Bandes durch die schraffierten Streifen angedeutet.
Das piezoelektrische Kristallelement der Fig. 10 umfasst ein Parallelep.iped 61 mit einem auf der einen Grossfläche angeordneten E.lektrodenpaar 62 und 63 und einem auf der gegenüberliegenden Fläche liegenden Elektrodenpaar 64@ und 65.
Wenn ein @ol.cher Stab, wie weiter unten beschrieben, zum Aus führen von Biegungsschwingungen veranlasst wird, so schwingt er um die beiden Knoten linien 66 und<B>67,</B> die von den Enden des Stabes um ungefähr den 0,224ten Teil der Länge entfernt sind.
Damit die Haltüeinrich- tun- nur eine --eringe Dämpfung der Sehwin- en el ),uncren bewirken kann, muss der Stab an die- 11 sen Stellen oder in der Nähe derselben ge halten werden.
Dies kann beispielsweise in der in der Figur gezeigten Weise geschehen, -o auf der einen Seite des Kristalles die Klemmen 70 und 71 die Elekt.rorlen. Fit und <B><I>63</I></B> fassen und die Klemmen 7 2 und 73 die auf der andern Seite befindlichen Elektroden 64 und 65, und zwar in nächster Nähe der Linie<B>67.</B> In gleicher Weise sind zwei wei tere Klemmenpaare, von denen die Klemmen 74 und 75 sichtbar ,sind. in nächster Nähe der Linie<B>66</B> angeordnet.
'NZ'ie aus der Fig. 11 hervorgeht., können die oben beschriebenen Klemmen beispiels weise als :Metalleinsätze ausgebildet sein, die in die aus Isoliermaterial bestehenden Träger 76 und 77 eingebettet sind. Die Anschluss- drähte, die an den Stellen 78, 19, 80 und 81 gezeigt sind, können angelötet oder sonstwie mit den Klemmen verbunden sein.
Die Fig. 12 zeigt eine zweite Form eines Kristallelementes, das die Form einer Stimm gabel mit zwei Zinken 32 und 33 und einem Rücken 34 besitzt. Auf der einen Seite der Stimmgabel befindet sich eine Elektrode 35, die längs den äussern. Kanten der Zinken und dem untern Teil des Rückens verläuft. Eine zweite Elektrode 36 verläuft längs den innern Kanten der Zinken und dem obern Teil des Rückens. Auf der gegenüberliegenden Seite der Stimmgabel ist ein gleiches Elektroden paar 3 7 und 38 angeordnet. Eine derartige Stimmgabel besitzt eine Knotenlinie, die parallel zu den Zinken verläuft und den Rückenteil in zwei Teile teilt.
Sie ist in Fig. 12 mit 39-40 bezeichnet. Die Stimm gabel wird vorzugsweise längs dieser Linie gehalten, was beispielsweise mittelst eines Paares von Klemmen 41 und 42 auf der einen Seite und eines Klemmenpaares 43 und 44 auf der andern Seite erfolgen kann.
Wie aus der Fig. 1;3 zu entnehmen ist, können diese Klemmei Metalleinsätze sein, die in ein Trägerpaar aus Isoliermaterial eingelas sen sind und an die Anschlussleiter angelötet oder sonstwie befestigt sind.
Die Fig. 14 zeigt, in welcher Weise das Kristallelement der Fig. 10 zu schalten ist, damit der Stab Biegungsschwingungei aus führt. Die Elektrode 62 und die diagonal gegenüberliegende Elektrode 65 sind mit der Klemme 45 verbunden und die beiden andern Elektronen mit der Klemme 46. Wenn den Klemmen 45 und 46 eine Weehsel-E. M. K. aufgedrückt wird. so wird das Element 61 in Biegungsschwingungen versetzt.
Die Kurve 4 7 der Fig. 15 veranschau licht die Abhängigkeit der Biegungssehwin- gungsfrequenz eines 1 ein langen, "N-ge- sehnittenen" 0'-Kristalles vom Verhältnis der Längen der optischen und mechanischen Achse, wobei in dieser Figur die Ordinate die Frequenz in Kilohertz und die Abszisse die Werte der gewählten Verhältnisse zeigt.
Unter einem "Y-geschnitteneri" 0 "-Kristall versteht man einen Kristall, dessen Haupt fläche, das heisst die grösste Fläche, senkrecht zu einer Fläche des Mutterkristalles geschnit ten wird und dessen Breitseite mit der optischen Achse den Winkel 0 Grad ein schliesst. Die Kurve 48 zeigt dasselbe für einen "N-geschnittenen" 18 '-Kristall, das heisst einen Kristall, dessen Breitseite mit der optischen Achse einen Winkel von<B>18'</B> einschliesst. Die in der Richtung der elek trischen Achse verlaufende Dicke spielt bei der Bestimmung der Frequenz keine Rolle.
Für einen Kristall irgendwelcher anderer Länge kann die Frequenz nach dem Ähnlich- keitsprinzip bestimmt werden, nach welchem für einen Kristall von gegebener Form die Resonanzfrequenz irgendwelcher Schwin gungsart umgekehrt proportional zur Grösse irgendeiner Dimension ist. Für einen 5 cm langen 0'-Kristall mit einem Verhältnis der Längen der optischen Achse zur mecha nischen Achse von 0,2 findet man in der Kurve 47 für die Frequenz beispiels- weise den Wert von 20 Kilohertz. Das ist nur ungefähr ein Drittel der Frequenz für den gleichen Kristall, falls er LängescUwin- gungen durchführt.
Für einen 18'-Kristall ist die Frequenz, wie die Kurve 48 zeigt, etwas geringer, da der Youngsche Modul für diese Schnittart kleiner ist.
Wie bereits erwähnt worden ist, besteht ein bekannter gleichwertiger Ersatzstrom- hreis für einen piezoelektrischen Kristall aus einer Kapazität C,, die in Nebenschlüss zu der Reihenschaltung einer Induktivität und einer Kapazität C2 liegt. Der Wert des Ver- hältnieses
EMI0007.0013
für einen 18'-Kristall, bei wel chem die Elektroden einer Seite etwa "j3 bis der Oberfläche bedecken, liegt bei 180 und für einen 0'-Kristall bei 150.
Die Neben schlusskapazität C, des Ersatzkreises ist die elektrostatische Kapazität zwischen den bei den Plattensätzen. Für einen Biegungs- s c Uwingungen t' ausführenden Stab lassen sich daraus die Werte der R.eaktanzen des Ersatz kreises bestimmen.
Mit stabförmigen Kristallelementen, die zur Ausführung von Biegungsschwingungen angeregt werden, können Frequenzen her unter bis zu 16 oder 17 Kilohertz erzielt werden. Noch niedrigere Frequenzen lassen sich mit stimmgabelförmig zugeschnittenen piezoelektrischen Kristallen erzielen. Damit dieser Kristall zum .Schwingen kommt, müs sen die Elektroden wie in der Fig.14 an geschlossen werden, wobei die Elektroden 62, 63, 64 und 65 die Elektroden 35, 36, 37 und 38 der Stimmgabel der Fig.l2 darstellen.
Die beiden Aussenelektroden 35 und 37 be wirken bei einer gewissen Spannungspola rität, .dass sich die Aussenseite der Zinken ausdehnt, während gleichzeitig die den Innenelektroden 36 und 38 aufgedrückte Spannung bewirkt, dass sich die Innenseite zusammenzieht, so dass sich die Zinken gegen innen verbiegen und wie bei einer Stimm gabel schwingen.
Die Frequenz f einer Stimmgabel in Perioden pro Sekunde ist durch folgende Gleichung gegeben:
EMI0007.0038
worin K eine Konstante, W die Breite einer Zinke und l ihre Länge bedeuten. Diese For mel setzt voraus, dass der Rücken verhältnis mässig breit ausgeführt ist, andernfalls eine Korrektur vorgenommen werden muss. Aus Messungen an einem "X-geschnittenen" V-Kristall hat man für K den Wert 65,000 ermittelt.
Füreinen konkreten Fall mit einem stimmgabelförmigen Kristall von 6 cm Länge mit 4,5 cm langen und 0,4 cm breiten Zin ken ergibt sich demnach die folgende Fre quenz:
EMI0007.0045
Mit einem 6 cm langen Kristall von noch ausführbarer Breite kann man deshalb auf Frequenzen von der Grössenordnung 1 Kilo liertz heruntergehen.
Auf diese Weise ist es durch gleichzeitige Verwendung von stab- und von stimmgabelförmigen Kristallelemen ten möglich, einen Frequenzbereich von 1 bis 50 Kilohertz zu erhalten, ohne dass dabei ein breiterer Kristall verwendet werden muss, als er für Längsschwingungen von 50 Kilo hertz erforderlich ist.
Der Wert des Verhältnisses von C, und Cl liegt für einen stimmgabelförmigen 0'-Kristall ungefähr bei 300. Damit können .die Reaktanzen des Ersatzkreises bestimmt werden. Aus zwei Paaren stimmgabelför migen Kristallen kann ein Kettenleiter dritter Art gebildet werden.
Die Fig. 1.6 zeigt, wie die piezoelek- trischen Kristallelemente von der in Fig. 10 oder 12 gezeigten Art in einem Filter ver wendet werden können. Wie aus der Figur hervorgeht, sind zwei Kristallelemente 55 und 56 zwischen einem Eingangsklemmen paar 5 7 und 58 und einem Ausgangsklemmen- paar 59 und 60 derart angeordnet, dass sie ein Kettenglied dritter Art bilden.
Das eine Paar gegenüberliegender Elektroden des Kri- stalles 55 ist in den zwischen den Klemmen 57 und 59 liegenden obern Leitungszweig eingeschaltet, während das andere Elektro- denpaar zwischen die Klemmen 58 und 60 geschaltet ist. Die Kreuzzweigimpedanzen -erden durch das andere Kristallelement 56 gebildet, dessen eines Elektrodenpaar zwi schen die Klemmen 58 und 59 geschaltet ist, während das andere Elektrodenpaar zwischen den Klemmen 57 und 60 liegt.
Wenn, wie in der Fig. 16, zwei Elemente verwendet wer den, so sind die Übertragungskenngrössen der resultierenden Filter gleich, wie wenn in jedem Impedanzzweig einzelne Impedanz elemente verwendet würden; dagegen ist der Wellenwiderstand des Filters doppelt so gross.
Electric wave filter. The present invention relates to electrical wave filters in which mechanical vibration elements are used.
The invention aims to expand the frequency range of such filters, to reduce their manufacturing costs and the number of vibration elements required for their construction.
It is known that wave filters of the third type have the advantage of general usability with regard to the transmission parameters obtainable from them. However, this advantage is accompanied by the disadvantage that they require a very large number of impedance elements and a high degree of equalization between the impedance elements of certain branches.
Where mechanical vibration devices, for example piezoelectric crystals, are inserted into the filter circuit to guarantee the advantages resulting from their low energy consumption, the manufacturing costs and the effort involved in setting these devices make it worthwhile
their number to a minimum; belittle.
The electrical wave filter according to the invention, which has two pairs of impedance branches that are switched between a pair of input terminals and a pair of output terminals so that they form a symmetrical chain link of the third type, the two impedance branches belonging to a pair being the same , is characterized in that a mechanical 'vibration element is symmetrically coupled electromechanically with both branches of one pair,
and that a second mechanical vibrating element is coupled in the same way to both branches of the other pair, the said vibrating elements having different resonance frequencies. The electromechanical coupling can be either electrostatic or electromagnetic, the first type being suitable where piezoelectric crystals are used as mechanical vibration elements, and the second type where metallic resonators are used.
Furthermore, piezoelectric crystals can be used for the construction of the Fil ter who can carry out bending vibrations, whereby the frequency range is considerably expanded. Crystal elements can be used for this purpose. which are either cut in the form of a rod or a tuning fork and which are preferably kept in or near their hinge knots.
The following are Ausführungsbei games of the invention, which are illustrated in the accompanying drawings. described. In the drawings: Fig. 1 shows schematically a wave filter in which piezoelectric crystals are used as mechanical impedance elements, Fio-. 2 a piezoelectric oscillating body.
3 shows the substitute scheme of the device according to Fit'o-. 2 </B>, FIG. 4 shows an oscillation device based on the principle of magnetostriction, Fin. 5 the substitute scheme of the device in FIG. 4, FIG. t; the characteristics of this device, Fig. -7 is a schematic representation of a filter with magnetostrictive vibration devices.
Fig. 8 and 9 characteristic curves of the filter of Fig. 7, Fig. 10 a piezoelectric crystal element. which is cut in the form of a rod and can perform bending vibrations, Fig.1l a side view of the crystal element of Fig. 10, from which ersicht Lich is the way in which the element is carried by terminals making contact with the individual electrodes, Fig 12 a piezoelectric crystal element,
which is cut in the form of a tuning fork, Fig. 13 a section in the plane 4-4 of the crystal element of Fig. 12, Fig. 14, how the electrodes of the elements of Figs. 10 and 12 must be connected so that these flexural vibrations 15 curves that can be used advantageously in the calculation of such filters, FIG. 16 a chain link of the third type in which two crystal elements according to FIG. 111 or 12 are used.
The third type of filter shown in FIG. 1 has two piezoelectric crystals 10 and 11, which act as mechanical vibration elements and are coupled to the electrical part in such a way that each crystal is in two identically arranged branches of the chain link of the third kind. In this woe, the crystal 10 is switched on in both line branches and the crystal II in both l @ reuzz-uveige.
The input terminals of the filter are labeled 1 and 2 and the output terminals are labeled 3 and 4.
The crystals can be designed as right-angled plates that are cut so that the largest surface is perpendicular to the electrical axis of the crystal and the longer side surface is parallel to the mechanical axis of the crystal. The mechanical axis is to be understood as that which is perpendicular to the electrical and optical axes, which are perpendicular to one another, and along which the main vibrations of a longitudinally vibrating low frequency crystal occur.
Crystals that are cut in this way and whose large areas are provided with electrodes vibrate longitudinally when electrically excited and, if they are dimensioned for the relatively low frequency range used for carrier telephony, have dimensions that are appropriate allow mechanical installation. However, other known forms of crystals can also be used and may even be preferred. The filter shown in FIG. 1 is, however, provided with the rectangular crystals described above, which are shown from the side.
The crystal 10 is provided with two pairs of electrodes 1'2, 121 and 13, 131, which lie on opposite sides of the crystal, the pair 12, 121 in the upper Kri stall half and the pair 13, 131 in the lower. These electrodes can be made of silver that is applied directly to the crystal, for example in such a way that the two. : u covering areas must first be completely coated with silver, after which a narrow strip of the sill is removed from the middle of each area.
In general, it is advisable to also remove a narrow strip from the edges. The crystal 11 is provided with two corresponding pairs of electrodes 14, 14 'and 15, 151 in the same way. The electrodes 12 and 12 'of the crystal 10 are with the terminals 1 respectively. 3 connected and the electrodes 13 and 131 to the terminals 2 respectively. 4. The electrodes 14 and 141 of the crystal 11 are respectively with the terminals 1. 4 and the electrodes 15 and 151 with .den terminals 3 respectively. 2 connected. Fig. 2 shows a perspective view of the Kristallgis 10 and the arrangement of the electrodes and their connections.
Although every crystal works as a uniform oscillation structure, its behavior in the filter circuit can best be seen by considering it to be equivalent to two crystals obtained by cutting it between two adjacent electrodes. This would result in two identical conduction branch crystals and two identical cross branch crystals.
If four separate crystals were used, one would have to pay no attention to the way in which the electrodes and the filter clamps are connected, but if they are paired as in Fig. 1 and 2 and form a uniform structure, you have to make sure that the Excitation voltages applied to each half have such a mutual relationship that both halves oscillate in the same direction at the same time.
Otherwise the oscillation of each half would try to cancel out that of the other, and a deflection would occur along the longitudinal axis of the crystal gis. In the connection manner shown in FIG. 1, the correct mutual polarity relationships for the excitation voltages are obtained, so that each half of the crystal oscillates in the correct manner.
From Fig. 1 it can be seen that in the case of the crystal 10, the lower electrodes 13 and 131 compared to the electrodes 12 and 121 are connected in the opposite way to the input terminals and the output terminals. The same also applies to the electrode pairs of the crystal gis 11.
Fig. 3 shows the electrical equivalent circuit for the crystal 10. It comprises two equal impedances, each of which consists of a simple resonance circuit, to which a capacitance is shunted, the one impedance between terminals 1 and 3 and the other between terminals 2 and 4 is switched on. The two impedances of the equivalent circuit are not subject to any mutual coupling, although in reality the same mechanical .Schwingkörper acts in each current path.
The values of the inductances and capacitances present in the electrical equivalent circuit can be determined from the crystal dimensions by first determining the electrical equivalent of the entire crystal under the assumption that the two electrodes on each surface are a single electrode that covers practically the entire surface form. The impedance of each half of the crystal gi is then twice as great as that of the whole crystal gi. In FIG. 3, each impedance consists of a resonance branch with an inductance 2 L1 and a capacitance of
EMI0003.0044
which has a capacity of
EMI0004.0001
is connected in parallel.
As functions of the dimensions of the crystal, these quantities can be represented as follows:
EMI0004.0006
where 1., zc and <I> t </I> are the length, width and thickness of the crystal in centimeters.
For the combination of two pairs of piezoelectric crystals in a chain link of the third type, which should only have a single transmission band, the line branch and cross branch crystal impedances must have unequal frequency characteristics for such a relationship have to one another that the resonance of the line branches coincides with the antireso nance of the cross branches or vice versa. Equations (1) enable ec: to measure the crystal dimensions so that this condition is met.
1 shows four identical series inductances of the value "!, L", which are switched into the supply lines to the chain link and through which a wider transmission band is maintained without the sharpness of the selectivity suffering.
Fig. 4 shows another type of electro-mechanical impedance suitable for use in such filters. In this device, the vibration element consists of the tubular member 16 made of magnetostrictive material, which is carried in the middle by the cutting edges 17 and 171 and is provided with the excitation coils 18 and 19 serving to absorb the alternating currents.
As shown, these coils cover the entire length of the tube, but they can also be made only half as long. The oscillation of the tube 1.6 is caused by magnetostrictive forces, which are caused by the currents in the windings - # \, erderi. and so that these forces receive the same frequency as the excitation currents, the tube must be magnetically polarized by a unidirectional magnetic field.
For this purpose, a polarizing magnet 21 is provided, the pole faces of which lie in front of the ends of the 'vibration element and which thus forms a practically closed magnetic circuit with the latter. The narrow air gaps between the ends of the tube 16 and the polarizing magnet allow free oscillation. The @ 1 magnetic field is created by a? 2 winding. which is fed from the battery 23 or another direct current source via an adjustable resistor 24.
In order to prevent an eddy current flow from occurring under the action of the excitation currents in the tube 16, it is slotted at 20 in the longitudinal direction.
The electrical impedance of a magnetostrictive element of the type shown, measured at the terminals of one of the Erre @, c, r-w windings, corresponds to that of FIG. 5, which has an inductance L "to which a Reilienresonanzstromkreis L, Cl is placed in shunt.
The inductance L ″ corresponds to the inductance L ″ of the excitation winding in the absence of a torque restriction effect or in the case of a row 16 fastened in such a way that it cannot oscillate. The inductance L 1 and the capacitance Cl have values which are dependent on the physical dimensions, the mechanical constants of the tube 16 and the magnetostriction force factor.
More details can be found in an article by ssutterworth in the "Proceedings of ehe Physical Societv" of March 1, 1931, page 166. It should be mentioned that the. Resonance of L and Cl corresponds to the first mechanical resonance frequency of the pipe in the case of longitudinal vibrations.
The reactance-frequency characteristic of the impedance is indicated by curve 25 of Fi g. 6 shown. It shows ns, ci critical frequency values, the one at fo, at which antiresonance is present, and a higher frequency f ,, which corresponds to the resonance frequency of L and C ,, that is, the mechanical resonance of the oscillating body.
As a result of the relatively low electromechanical coupling caused by the magnetostriction, the two frequencies f "and f are very close to one another, so that the use of the device seems to be limited to filters with a very narrow bandwidth. A larger frequency spacing between the critical frequency values can, however, be achieved by adding a capacitance in series to the excitation winding, the reactance characteristic having roughly the course of curve 26 in FIG. 6.
A new resonance frequency f 2 then occurs below f ", and the upper resonance frequency is shifted from the value f to fa. The distance between the frequencies f2 and A and the antiresonance frequency f o can be influenced by changing the series capacitance.
7 shows the use of magnetostrictive oscillating bodies of the type described above in a broadband filter. Two vibration elements 27 and 28 are used, of which element 27 has two identical excitation windings W3 and T / Va 'which are connected to the branches of the chain link of the third type.
The element 8 has two identical windings 13'b and TVb 'which are switched into the cross branches. In series with the windings Ww and Wa 'capacitances C "and Ca' of the same size are switched on, and a corresponding pair of capacitances C ,, and Cb 'of the same size is inserted in the cross branches. The vibration elements are only very schematic in this figure shown,
and the polarizing magnets and their associated circuits are not shown for simplicity.
The winding TV "is between the terminals 1 and 3 of the filter and the winding W .;" between terminals 2 and 4. The windings W., and WJ must be polarized in such a way that the current flowing through them magnetizes the core in the same direction. The windings Wb and Wb 'are polarized in the same way of the two windings of each vibrating body, the same impedances are introduced into di4 in both branches of the line and also into the cross branches.
In order for the filter to deliver a single transmission band, the cross-branch impedances must have a frequency characteristic that is different from that of the line-branch impedances, but have such a mutual relationship that the critical frequency values coincide. The Antiresonanzfrequenzen .der line branches must coincide with the resonance frequencies of the cross branches and vice versa, within the frequency range of the transmission band, while in the attenuation range, the correspondence between critical frequencies must be of the same character.
This is illustrated for the filter of FIG. 7 in the two examples shown in FIGS. 8 and 9. In FIG. 8, the solid curve 27 corresponds to the reactance of the line impedances and the dashed curve 2.8 corresponds to the reactance of the cross branches.
In this case, the transmission band extends from the lowest critical frequency f ,, to the highest frequency fb. The curves 29 and 30, which correspond to the line and cross arm impedances, show a direct coincidence of two resonances at the frequency fe and the coincidence of a resonance and an anti-resonance frequency at the value fg. In this case, the band extends from the lowest critical frequency f, # to the third critical frequency <B> f d,
</B> and the frequency f e is outside the transmitted band. In both figures, the position of the tape is indicated by the hatched stripes.
The piezoelectric crystal element of FIG. 10 comprises a parallelepiped 61 with a pair of electrodes 62 and 63 arranged on one large surface and a pair of electrodes 64 and 65 on the opposite surface.
If an @ ol.cher rod is caused to carry out bending vibrations, as described further below, it oscillates around the two node lines 66 and 67, that of the ends of the rod by approximately 0.224 th part of the length are removed.
So that the holding device can only cause slight attenuation of the angles of vision, the rod must be held at or near these locations.
This can be done, for example, in the manner shown in the figure, -o on one side of the crystal, the terminals 70 and 71, the Elekt.rorlen. Fit and <B><I>63</I> </B> and clamps 72 and 73 the electrodes 64 and 65 on the other side, in close proximity to line <B> 67. </ B> In the same way, there are two other pairs of terminals, of which terminals 74 and 75 are visible. arranged in close proximity to the line <B> 66 </B>.
11, the clamps described above can be designed as: metal inserts which are embedded in the carrier 76 and 77 made of insulating material. The connecting wires shown at locations 78, 19, 80 and 81 can be soldered on or otherwise connected to the terminals.
Fig. 12 shows a second form of a crystal element which has the shape of a tuning fork with two prongs 32 and 33 and a back 34. On one side of the tuning fork there is an electrode 35, which extends along the outer. Edges of the prongs and the lower part of the back. A second electrode 36 runs along the inner edges of the prongs and the top of the back. On the opposite side of the tuning fork, an identical pair of electrodes 3 7 and 38 is arranged. Such a tuning fork has a knot line that runs parallel to the prongs and divides the back part into two parts.
It is designated 39-40 in FIG. 12. The tuning fork is preferably held along this line, which can be done for example by means of a pair of clamps 41 and 42 on one side and a pair of clamps 43 and 44 on the other side.
As can be seen from Fig. 1; 3, these terminals can be metal inserts that are einas sen in a pair of carriers made of insulating material and are soldered or otherwise attached to the connecting conductors.
14 shows the manner in which the crystal element of FIG. 10 is to be switched so that the rod carries out bending vibrations. The electrode 62 and the diagonally opposite electrode 65 are connected to the terminal 45 and the other two electrons to the terminal 46. If the terminals 45 and 46 have a Weehsel-E. M. K. is pressed. so the element 61 is set in flexural vibrations.
Curve 47 in FIG. 15 illustrates the dependency of the bending oscillation frequency of a 1-long, "N-stringed" 0 'crystal on the ratio of the lengths of the optical and mechanical axes, the ordinate in this figure being the frequency in kilohertz and the abscissa shows the values of the chosen ratios.
A "Y-cut" 0 "crystal is understood to mean a crystal whose main surface, i.e. the largest surface, is cut perpendicular to a surface of the mother crystal and whose broad side forms an angle of 0 degrees with the optical axis Curve 48 shows the same for an “N-cut” 18 'crystal, that is to say a crystal whose broad side forms an angle of 18' with the optical axis, that running in the direction of the electrical axis Thickness does not play a role in determining the frequency.
For a crystal of any other length the frequency can be determined according to the principle of similarity, according to which for a crystal of a given shape the resonance frequency of any kind of oscillation is inversely proportional to the size of any dimension. For a 5 cm long 0 'crystal with a ratio of the lengths of the optical axis to the mechanical axis of 0.2, the value of 20 kilohertz can be found in curve 47 for the frequency, for example. That is only about a third of the frequency for the same crystal if it makes length oscillations.
For an 18 'crystal, as curve 48 shows, the frequency is somewhat lower, since the Young's modulus is smaller for this type of cut.
As has already been mentioned, a known equivalent circuit for a piezoelectric crystal consists of a capacitance C ,, which is in shunt with the series connection of an inductance and a capacitance C2. The value of the relationship
EMI0007.0013
for an 18 'crystal, in which the electrodes on one side cover approximately "j3 to the surface, is 180 and for a 0' crystal it is 150.
The shunt capacity C, of the equivalent circuit is the electrostatic capacity between the two sets of plates. From this, the values of the reactances of the equivalent circle can be determined for a rod that executes bending s c u vibrations t '.
With rod-shaped crystal elements that are excited to perform flexural vibrations, frequencies below 16 or 17 kilohertz can be achieved. Even lower frequencies can be achieved with tuning fork-shaped piezoelectric crystals. In order for this crystal to vibrate, the electrodes must be closed as in FIG. 14, the electrodes 62, 63, 64 and 65 representing the electrodes 35, 36, 37 and 38 of the tuning fork of FIG.
The two outer electrodes 35 and 37 act at a certain voltage polarity, .that the outside of the prongs expands, while at the same time the voltage applied to the inner electrodes 36 and 38 causes the inside to contract, so that the prongs bend towards the inside and swing like a tuning fork.
The frequency f of a tuning fork in periods per second is given by the following equation:
EMI0007.0038
where K is a constant, W is the width of a prong and l is its length. This formula assumes that the back is relatively wide, otherwise a correction must be made. From measurements on an "X-cut" V-crystal, the value of K was determined to be 65,000.
For a specific case with a tuning fork-shaped crystal 6 cm in length with 4.5 cm long and 0.4 cm wide prongs, the following frequency results:
EMI0007.0045
With a 6 cm long crystal of still feasible width, one can therefore go down to frequencies of the order of 1 kilogram.
In this way, by using rod-shaped and tuning fork-shaped crystal elements at the same time, it is possible to obtain a frequency range from 1 to 50 kilohertz without having to use a wider crystal than is necessary for longitudinal vibrations of 50 kilohertz.
The value of the ratio of C, and Cl is approximately 300 for a tuning fork-shaped 0'-crystal. With this, the reactances of the equivalent circle can be determined. A chain ladder of the third type can be formed from two pairs of tuning fork-shaped crystals.
1.6 shows how the piezoelectric crystal elements of the type shown in FIG. 10 or 12 can be used in a filter. As can be seen from the figure, two crystal elements 55 and 56 are arranged between an input terminal pair 5 7 and 58 and an output terminal pair 59 and 60 in such a way that they form a chain link of the third type.
One pair of opposing electrodes of crystal 55 is connected in the upper branch of the line located between terminals 57 and 59, while the other pair of electrodes is connected between terminals 58 and 60. The cross-arm impedances -erden formed by the other crystal element 56, one pair of electrodes between the terminals 58 and 59 is connected, while the other pair of electrodes between the terminals 57 and 60 is.
If, as in FIG. 16, two elements are used, the transfer parameters of the resulting filters are the same as if individual impedance elements were used in each impedance branch; on the other hand, the wave resistance of the filter is twice as great.