CS214732B2

CS214732B2 - Electromechanical filter of the band pass filter type

Info

Publication number: CS214732B2
Application number: CS764863A
Authority: CS
Inventors: Philippe M Allemandou; Didier M Beaudet
Original assignee: Telecommunications Sa
Priority date: 1975-08-04
Filing date: 1976-07-22
Publication date: 1982-05-28
Also published as: US4060775A; IT1062545B; FR2320665B1; JPS5219934A; DD125367A5; FR2320665A1; DE2632315A1

Description

Vynález se týká elektromechanického filtru typu pásmové propusti, který obsahuje vstupní elektromechanický měnič, výstupní elektromechanický měnič a . mechanický filtr kmitající podélnými kmity a sestávající z p rezonátorů střídajících se s (p—1) vazebních členů.

Je známé, že elektromechanický filtr se skládá ze tří částí, a to ze dvou elektromechanických měničů a z mechanického filtru, který tyto měniče obklopují. Vynález je zaměřen především na mechanický filtr.

Mechanické filtry sestávající z resonátorů spojených spojovacími členy jsou známé, například jako filtry, ve kterých jsou uloženy za sebou na stejné ose střídavě válcové rezonátory a vazební členy. V tomto provedení kmitají rezonátory na polovině vlny středního kmitočtu Fo pásma propouštěného filtrem, a spojovací tyče kmitají na čtvrtině vlny téhož kmitočtu. Tyto známé mechanické filtry mají tu nevýhodu, že jsou velmi dlouhé a zabírají mnoho místa.

K odstranění tohoto nedostatku bylo již navrženo, například podle amerického pat. spisu č. 3 028 564, sestavit filtr z většího počtu sekcí obsahujících dvě skupiny mechanických rezonátorů uložené paralelně a spojené tyčemi, přičemž obě skupiny jsou rovněž paralelní.

Ke zlepšení těchto známých filtrů bylo rovněž navrženo, například ve francouzském patentu č. 7208243, použít dvou řad rezonátorů spojených s válcovými tyčemi, které mají proměnlivý úhel a/nebo průřez v závislosti na poloze.

Mechanický filtr provedený tímto způsobem má menší rozměry a jeho tvar představuje do určité míry složenou nebo překládanou konstrukci. Výrobně však je velice složitý, a to jak z hlediska nastavení úhlů, které svírají osy vazebních členů s osami rezonátorů, tak z hlediska svařování, obvykle elektrického, které spojuje spojovací tyče různých průměrů s rezonátory. Při svařování je třeba přizpůsobit přítlačnou sílu elektrody svařovacího stroje a množství impulsové svařovací energie průměru každého přivařovaného vazebního členu.

Výpočet pásmové propusti s invertory impedance, což je případ známých mechanických filtrů, kde vazební členy tvořící čtvrtvlnné vedení působí jako invertory impedance, se provádí na základě přenosové funkce, která vyhovuje žádanému tvaru. Když se provede tento výpočet, je možné na základě analogií stanovit filtr odpovídající tomuto výpočtu, jehož prvky jsou však vedeny s rovnoměrně rozloženými konstantami, na214732 čež . lze opět na základě analogií určit odpovídající mechanický filtr.

Tak například lze z dolní propusti čebyševského typu vypočíst pásmovou propust se soustředěnými prvky. Tato pásmová propust se skládá z rezonančních obvodů zapojených sériově a paralelně. Použitím invertorů impedance lze vytvořit pásmovou propust, která obsahuje identické sériové obvody LC spojené invertory impedance Kb přičemž normované hodnoty L, C a K, pásmové propusti lze odvodit z hodnot normovaných impedancí g; . odpovídající dolní propusti podle následujících vztahů:

Kg = 0,721

Kio = 0,734

Kli = 0,772

K12 = 0,997

Je známé, že zkratované půlvlnné vedení je v oblasti rezonančního kmitočtu analogické rezonančnímu sériovému obvodu, a že čtvrtvlnné vedení se v blízkosti rezonančního kmitočtu chová jako invertor impedance.

Filtr typu pásmové propusti lze tedy vytvořit tím, že se obvody LC nahradí půlvlnnými vedeními s impedancí . = . gl

Vgi gi+1

_1 agi kde

K, je normovaná impedance i-tého invertořu impedance,

C je kapacita rezonančního obvodu LC ekvivalentní . pásmové propusti,

L je indukčnost rezonančního obvodu LC ekvivalentní pásmové propusti, gi je normovaná impedance i-tého členu dolní propusti = —F* ^F2

F2 — ΈΪ kde Fi, F2 jsou mezní frekvence pásmové propusti.

Hodnoty g, jsou uvedeny v publikaci autorů Matthei, Young a Jones o názvu „Microwave fllters, . impedance matching networks and coupling structures“, McGraw Hill, 1964.

Pro filtr 13. stupně se zvlněním 4 mB platí například tyto hodnoty:

gl = 1,397 gž = 1,405 g3 = 2,332 gl - 1,553 g5 = 2,413 g6 = 1,575 g? = 2,427 ge = 1,575 g9 = 2,413 gio = 1,553 gll = 2,332 giz = 1,405 gl3 = 1,397

Ki = 0,997

K2 = 0,772

K3 = 0,734

Ki = 0,721

Ks = 0,716

Ke = 0,714

K7 = 0,714

Ke = 0,716 kde

Zl je impedance půlvlnného vedení odpovídajícího rezonančnímu obvodu LC,

L je indukčnost rezonančního obvodu LC,

C je kapacita rezonančního obvodu LC a invertory impedance ' . se nahradí čtvrtvlnným vedením s. impedancí K_b

Když se jako ekvivalentů elektrických vedení použije mechanických vedení kmitajících podélnými kmity, platí

Zm = S—pE ⁰ |/ p a tedy

Zm ~ Sp V_o kde

Zm je impedance ' ekvivalentního mechanického vedení,

S je průřez mechanického vedení, p je hustota materiálu mechanického vedení,

E je Youngův modul materiálu mechanického vedení,

Vo je rychlost šíření podélných vln v materiálu.

Při realizaci mechanických filtrů se používá materiálů, jejichž charakteristiky se mění velice málo v závislosti na teplotě, například materiálů známých pod obchodními značkami Elinvar, Durindal D, Durindal B, Nispan C nebo Thermelast. Například Elinvar mu hustotu p = 8.10³ kg/m³ a rychlost šíření vln V_o = 5.10³ m/s.

Podle známého postupu se při realizaci mechanického filtru typu pásmové propusti se středním kmitočtem

......... Fo = V/Fl Fž = 129 850 Hz, jehož propustné pásmo Fz — Ft = AF je rovné 3300 Hz, používá například pro filtr

13. stupně třinácti rezonátorů nebo půlvlnných vedení tvořených válci o průměru

0r = 4,5 cm· a o délce 1 = V0/2F0, kde

V_o je rychlost šíření podélných vln v -materiálu,

Fo je střední kmitočet filtru a dvanácti vazebních členů nebo čtvrtvlnných vedení tvořených válci ze stejného materiálu, jejichž průměr 0c vyhovuje rovnici

0r²' = Ki

0c² - Zl ’ kde

0r je průměr rezonátorů,

Ki je normovaná impedance i-tého invertoru impedance,

Zl - je impedance půlvlnného velení.

Například pro tyto vazební členy známého filtru platí následující průměry:

051 = 0,759 mm = 0,668' mm 0з = - 0,651 mm 04 = 0,646 mm 05 ·- 0,644 mm 06 - = 0,643 mm = 0,643 mm = 0,644 mm 09 = 0,646 mm 010 = 0,651 mm 0^1^1 = 0,668 mm 012 = 0,759 mm

Takto určený mechanický filtr, patřící ké známému stavu techniky, se skládá z - režonátorů stejného průměru a délky poloviny vlny a z vazebních členů odlišného průměru a délky čtvrtiny vlny. Jeho technologická realizace elektrickým svařováním je velice obtížná v důsledku nestejných průměrů vazebních členů.

Účelem vynálezu je usnadnit tento technologický postup. Podstata vynálezu spočívá v tom, že všechny vazební členy mají stejný průřez a délku odlišnou podle polohy ve filtru, tvoří n-vlnné vedení pro střední frekvenci F_o filtru, kde - zlomek n odpovídá vztahu

K mm n = —----- are sin--—

Ζπ Kj v němž

K; je normovaná impedance odpovídající požadovaným filtračním charakteristikám a

K min je nejmenší hodnota K, odpovídající střednímu vazebnímu členu nebo středním vazebním členům, přičemž délka vazebního členu je úměrná příslušnému zlomku n vlny, je největší uprostřed filtru, kde vazební člen nebo vazební členy tvoří čtvrtvlnné vedení, a směrem ke koncům filtru se postupně zmenšuje.

Podle výhodného provedení filtru podle vynálezu jsou rezonátory umístěny vzájemně rovnoběžně ve dvou skupinách, z nichž jedna skupina obsahuje rezonátory sudého řádu a druhá skupina rezonátory - lichého řádu, a vzájemně rovnoběžné osy rezonátorů sudého - řádu - leží v - mezerách mezi - osami rezonátorů 'lichého řádu, které jsou rovnoběžné vzájemně a - s osami rezonátorů sudého - rádu, - a - - jsou rovnoběžné s osami vazebních členů. V důsledků - - proměnlivé délky vazebních - členů ' - v závislosti na' - jejich poloze ve filtru nemá filtr podle vynálezu v nárysném pohledu tvar obdélníka, nýbrž spíše přibližný - tvar jedno- nebo dvouvypuklé - úseče. Vazební členy spojující rezonátory umístěné uprostřed filtru jsou nejdelší, . - zatímco vazební členy - spojující - rezonátory umístěné na koncích filtru jsou nejkratší. Obě skupiny rezonátorů jsou tedy uloženy vzájemně rovnoběžné a tak, že alespoň pro jednu skupinu rezonátorů, pokud ne pro obě skupiny rezonátorů, tvoří spojnice středních bodů přibližně kruhový oblouk.

Lze dokázat, že - čtvrtvlnné vedení může být nahrazeno indukčností, vedením n-násobku vlny a další , - ' indukčností. Tak například čtvrtvlnné vedení s - impedancí z, znázorněné na obr. 1, je ekvivalentní n-vlnnému vedení s impedancí Z, přiřazenému dvěma indukčnostem S podle obr. 2. Tuto ekvivalenci vyjadřuje následující maticová rovnice, kde Ω = F/Fo:

	πΩ	. . πΩ
cos -	2	jz sin-	2
j	sin	πΩ	cos -	πΩ
z	2	2

ίΞΩ

1 cos - 2πηΩ jZ sin 2πηΩ —-— sin 2πηΩ cos 2πηΩ z jSQ

1 kde

Ω je poměr kmitočtu F ke střednímu kmitočtu Fo, z je impedance čtvrtvlnného vedení,

Z je impedance n-vlnného vedení,

S je indukčnost přiřazená n-vlnnému vedení, n je zlomek vlny, na kterém rezonuje vedení s impedancí Z.

Z této maticové rovníce lze odvodit následující vztahy:

cos 2πηΩ —

ΞΩ

- sin 2Ωη = cos

sin 2πηΩ

SQ cos 2πηΩ +

Z sin - 2πηΩ —

Ξ²Ω²

Z sin 2πηΩ = z sin πΩ kde

Ω je poměr kmitočtu F ke střednímu kmitočtu F_o, z je impedance čtvrtvlnného vedení,

Z je impedance n-vlnného vedení,

V blízkosti Ω = 1, to znamená pro F -» F_oplatí:

S = z cos 2πηΩ,

Z = z sin 2πηΩ, přičemž Z je menší než z a

S je indukčnost přiřazená n-vlnnému vedení,

Ω je poměr kmitočtu F ke střednímu kmitočtu F_o, n je zlomek vlny, na kterém rezonuje vedení s impedancí Z.

Schéma známého elektromechanického filtru, jaký je například znázorněn na obr. 3 ve tvaru sledu půlvlnných vedení s impedancí Z_L, které se střídají se sledem čtvrtvlnných vedení s impedancí K,, lze tedy nahradit schématem podle obr. 4, kde každé čtvrtvlnné vedení je nahrazeno soustavou indukčnost — vedení n-násobku vlny — indukčnost. Z předchozích rovnic platí

1, Z n = —r— are sin ,

2πz kde

Z je impedance n-vlnného vedení, z je impedance čtvrtvlnného vedení.

Vezmeme-li jako hodnotu Z nejmenší hodnotu Kj, to znamená Кб nebo K7 = 0,714 z předchozí tabulky, dostaneme . 0,714 n, = —-— are sin — a

2π Kj

Sj = К, cos 2πη, kde n, je zlomek vlny, na kterém rezonuje vedení,

Sj je indukčnost přiřazená n-vlnnému vedení,

К, je impedance čtvrtvlnného vedení.

Pro konstrukci daného filtru podle vynálezu lze tedy sestavit tabulku pro hodnoty ni a S,:

ni = 0,127 na = 0,188 пз = 0,213 П4 = 0,227 П5 = 0,238 ηβ = 0,25 П7 = 0,25 ne = 0,238 П9 = 0,227 nio = 0,213 nn = 0,188 niž = 0,127 = 0,695 = 0,291 = 0,169

Sí = 0,101

Ss = 0,053

Se = 0

S7 = 0

Ss = 0,053

S9 = 0,101

510 = 0,169

511 = 0,291

512 = 0,695

Je patrno, že ve zvoleném příkladě jsou dva prostřední vazební členy filtru podle vynálezu tvořeny čtvrtvlnným vedením, protože ηβ = П7 = 0,25, takže Ss = S7 = 0.

Když se ve schématu na obr. 4 nahradí každé půlvlnné vedení svým ekvivalentem, to znamená sériovým obvodem LC, vznikne schéma znázorněné na obr. 5. Na obr. 5 je patrno, že dvě n-vlnná vedení, například ηιλ а пгА jsou oddělena kapacitou a indukčností, kterou tvoří součet několika elementárních indukčností, takže schéma na obr. 5 lze transformovat na schéma podle obr. 6, kde každá soustava tvořená kapacitou a součtem sériových indukčností je nahrazena novým půlvlnným vedením Z_ni, jehož rezonanční frekvence je odlišná a jehož impedance je

Z_rti

L + Sj Ψ Si+i C

Rezonanční frekvence těchto půlvlnných vedení je _________1____________ ^{Fi =} 24c (L + ’ kde

L je indukčnost rezonančního obvodu LC, C je kapacita rezonančního obvodu LC,

Sj je indukčnost přiřazená n-vlnnému vedení a délka vedení je

kde Л_о = -Jý* o přičemž

F_o je střední kmitočet filtru,

F,· je rezonanční kmitočet půlvlnného vedení s impedancí Z_rti,

V_o je rychlost šíření podélných kmitů.

Sledují-li se hodnoty Z_rti, uvedené například v předchozí tabulce, je patrno, že při aproximaci menší než 1 % lze psát:

Z_rtl — Z_rt2 — Z_rti.

Zkušenost potvrdila správnost této aproximace, takže pro realizaci elektromechanic214732 kého filtru konstrukce podle vynálezu lze s výhodou použít rezonátorů se stejnou impedancí.

Obr. 8 znázorňuje pohled zpředu na filtr podélného tvaru. Obr. 9 ukazuje v pohledu zpředu filtr složeného tvaru, který má konstrukci podle vynálezu.

Na tomto obr. 9 jsou rezonátory 1 sestaveny do dvou skupin 2 a 3, přičemž skupina 2 obsahuje rezonátory lichého řádu a skupina 3 rezonátory sudého řádu. Tyto rePŘEDMĚT

Claims

1. Elektromechanický filtr typu pásmové propusti, obsahující vstupní elektromechanický měnič, výstupní elektromechanický měnič a mechanický filtr kmitající podélnými kmity a sestávající z p rezonátorů střídajících se s (p—1) vazebních členů, vyznačený tím, že všechny vazební členy (4) mají stejný průřez a délku odlišnou podle polohy ve filtru, tvoří n-vlnné vedení pro střední frekvenci F_o filtru, kde zlomek n odpovídá vztahu v němž

Ki je normovaná impedance odpovídající požadovaným filtračním charakteristikám a

Kmin je nejmenší hodnota Kj odpovídají zonátory 1, které mají všechny stejný průměr, jsou spojeny do dvojic vazebními členy 4. Podle vynálezu mají vazební členy 4 stejný průměr, avšak odlišnou délku, což propůjčuje mechanickému filtru předloženého tvaru a konstrukce podle vynálezu charakteristický vzhled patrný z obr. 9.

Mechanické filtry podle vynálezu jsou určeny především к použití v telefonních a rozhlasových elektronických obvodech.

ynAlezu cí střednímu vazebnímu členu nebo středním vazebním členům (4), přičemž délka vazebního členu (4) je úměrná příslušnému zlomku n vlny, je největší uprostřed filtru, kde vazební člen nebo vazební členy (4) tvoří čtvrtvlnné vedení, a směrem ke koncům filtru se postupně zmenšuje.

2. Elektromechanický filtr podle bodu 1 vyznačený tím, že rezonátory [1] jsou umístěny vzájemně rovnoběžně ve dvou skupinách (2, 3), z nichž jedna skupina (3) obsahuje rezonátory (1) sudého řádu a druhá skupina (2) rezonátory (1) lichého řádu, a vzájemně rovnoběžné osy rezonátorů (1) sudého řádu, leží v mezerách mezi osami rezonátorů (1) lichého řádu, které jsou rovnoběžné vzájemně a s osami rezonátorů (1) sudého řádu, a jsou rovnoběžné s osami vazebních členů (4).

2 listy výkresů