DE1133047B - Mechanisches Frequenzfilter, insbesondere Hochfrequenzfilter, das gegebenenfalls elektromechanische Wandler an den Enden aufweist - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf mechanische Filter, die aus mehreren zu Torsionsschwingungen erregbaren, achsparallel zueinander angeordneten Resonanzkörpern bestehen, die durch zu Longitudinalschwingungen anregbare Koppelelemente miteinander gekoppelt sind.

Die Bandbreite bekannter mechanischer Filter solchen Aufbaues ist im Verhältnis zur Bandmittenfrequenz gering. Bei mechanischen Filtern mit kleinen relativen Bandbreiten ist mit einem durch die Nebenwelligkeit des Schwingsystems verursachten unerwünschten Verlauf der Dämpfungskurve im Durchlaßbereich und in der Nähe des Durchlaßbereiches nicht in dem Maße zu rechnen wie bei mechanischen Schwingsystemen, die ein relativ breites Frequenzband unter Einhaltung hoher Flankensteilheit der Dämpfungskurve an den Grenzen des Durchlaßbereiches übertragen sollen. Nachdem die bekannten Filter der eingangs angeführten Bauart überdies für eine im Tonfrequenzbereich liegende Bandmittenfrequenz und ohne Rücksicht auf den Aufwand bei der Fertigung in größeren Stückzahlen zu entwerfen waren, konnten bei diesen Siebanordnungen einseitig eingespannte Resonanzkörper Anwendung finden, bei welchen die zur Torsionselastizität und die zum Trägheitsmoment beitragenden Abschnitte der Resonatoren räumlich getrennt sind. Das durch die Bandmittenfrequenz dieser Filter bedingte Volumen und Gewicht der einzelnen Resonatoren ermöglichte die Verwirklichung der longitudinal schwingenden, parallel zu den Stirnflächen der Resonatoren verlaufenden Koppelelemente durch zwei Drähte, die bei jedem Resonator durch eine die Resonatorachse in senkrechter Richtung durchdringende Bohrung in dem von der Einspannstelle entfernt liegenden zylindrischen Abschnitt geführt sind. Die Berührfläche zwischen den Resonanzkörpern und den Koppeldrähten ist hierdurch nicht auf den zylindrischen Mantel der Resonatoren beschränkt, sondern umfaßt zumindest auch die Ränder der Bohrungen. Die lichte Weite der Bohrungen ist so gewählt, daß eine auf die Enden der Koppeldrähte durch eine Feder ausgeübte Zugspannung sich gleichmäßig über alle Drahtabschnitte verteilt. Durch die Paarigkeit der Koppeldrähte wird vermieden, daß auf die einzelnen Resonanzkörper durch die straff gespannten Drähte eine nennenswerte Torsionsvorspannung ausgeübt wird. Darüber hinaus sind die den einzelnen Resonatoren zugeordneten Einspannelemente so ausgebildet, daß nach Festlegung der Größe der Zugspannung in den Koppelleitungen jeder Resonator für sich von einer etwa durch die Koppelleitungen verursachten Torsionsvorspannung Mechanisches Frequenzfilter,

insbesondere Hochfrequenzfilier,

das gegebenenfalls elektromechanische

Wandler an den Enden aufweist

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Dr. rer. nat. Manfred Börner, Ulm/Donau,
ist als Erfinder genannt worden

entlastet werden kann. Zusammenfassend weisen die vorangehend näher umrissenen Filter unter anderem Merkmale auf, welche sowohl der Anwendung dieser Schwingsysteme zur Übertragung von Frequenzen oberhalb des Tonfrequenzbereiches als auch ihrer Ausbildung zu Siebanordnungen mit geringer Nebenwelligkeit und frei wählbarer relativer Bandbreite bei gleichzeitiger Eignung für die Massenfertigung im Wege stehen.

Ferner gehören bereits mechanische Filter dem Schrifttum an, bei welchen die als Resonatoren dienenden, beidseitig fest eingespannten Torsionsschwinger durch Koppelleitungen miteinander verbunden sind, die Saitenschwingungen oder Biegeschwingungen ausführen, je nachdem, ob sie durch Drähte oder Bänder verwirklicht sind. Die Abschnitte der Resonatoren, die auf Grund ihrer Beschaffenheit für die Torsionselastizität maßgebend sind, verlaufen bei diesen Filtern parallel zur. Koppelleitung. Die Längenabmessung solcher Filter ist daher in der Regel erheblich.

Des weiteren sind bereits-mechanische Filter bekannt, deren zu Torsionsschwingungen anregbaren Resonanzkörper und deren gleichfalls Torsionsschwingungen ausführende Koppelelemente eine mechanische Leitung bilden. Die Länge der auf die Mittenfrequenz des Filterdurchlaßbereiches abgestimmten Resonanzkörper entspricht im allgemeinen jeweils der Hälfte der vom Resonatorwerkstoff abhängigen

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Wellenlänge λ der Torsionsschwingungen des zu seiner sich ferner von der bekannten Siebanordnung mit niedrigstmöglichen Eigenresonanzfrequenz erregten Λ/4-Torsionsschwingern durch Berührflächen mini-Schwingkörpers. Die Länge der Koppelelemente malen Ausmaßes zwischen den Resonatoren und den gleicht in der Regel einem Viertel der Wellenlänge λ', Koppelelementen.

welche Torsionsschwingungen von einer Frequenz, 5 Fig. 1 zeigt ein nach den Lehren der Erfindung die mit der Filterbandmittenfrequenz übereinstimmt, entworfenes Filter mit drei zylindrischen, zu Torin dem Material aufweisen, aus welchem die Koppel- sionsschwingungen anregbaren Resonanzkörpern 1, elemente bestehen. Derartige Filter sind, wenn sie an 2 und 3. In Fig. 1 sind die beiden Stirnflächen jedes ihrem Ende mit elektromechanischen Wandlern ver- Resonanzkörpers mit Pfeilen versehen, welche die sehen werden, z. B. als Siebanordnungen in der Trä- io Bewegungsrichtung der Flächenelemente in einer gerfrequenztechnik oder als Bandfilter in der Hoch- Halbperiode der Schwingungen unter der Annahme frequenztechnik anwendbar. Bei Filtern mit einer andeuten, daß die Resonanzkörper 1... 3 in ihrer größeren Zahl von Resonanzkörpern ergeben sich da- Grundfrequenz erregt werden und daher eine einzige bei verhältnismäßig lange Gebilde, welche schwer Knotenebene aufweisen, die sich in der Resonatorherzustellen sind und einen beträchtlichen Platz- 15 mitte befindet. Wie bereits ausgeführt wurde, sind bedarf haben. Überdies konnte bei diesen Filtern bis- solche Resonanzkörper ihrer Länge nach als 2/2-her noch keine ausreichend hohe Abstimmgenauigkeit Schwinger zu bezeichnen. Derartige Resonatoren erzielt werden. können natürlich auch zu höheren Harmonischen an-

Andere bekannte Filter, für welche torsional geregt werden. In diesen Fällen ergeben sich dann schwingende Resonatoren in Form von Hohlzylindern 20 mehrere Knotenebenen mit dazwischenliegenden kennzeichnend sind, weisen als Koppelelemente je- Resonatorteilen, die jeweils in verschiedenen Richtunweils mehrere kurze Stäbe auf, deren Achsen parallel gen Drehschwingungen ausführen. Zur Kopplung der zu den längs einer Geraden sich erstreckenden Achsen einzelnen Schwinger 1, 2 und 3 sind vier aus jeweils der Resonatoren verlaufen und jeweils an Punkten einem Stück bestehende, durchlaufende Drähte 4, 5, der einander zugewandten Resonator-Stirnflächen 25 6 und 7 vorgesehen, welche zwischen zwei Blöcken 8 endigen, die einem Kreis angehören. Die Kopplungs- und 9 ausgespannt sind und welche jeweils an den stäbe führen je nach ihrer Länge Biegeschwingungen Enden der Schwinger angreifen. An diesen Stellen oder Scherschwingungen bzw. Schwingungen aus, die sind die Drähte mit den Zylindern verschweißt oder als Gemisch dieser Schwingungsformen analysierbar sonst auf eine geeignete Weise fest verbunden. Eine sind. Auch diese Filter, für deren Resonatoren sich 30 senkrecht zu den Längsachsen der Koppeldrähte 4... 7 als elektrisches Ersatzschaltbild Vierpole mit ver- verlaufende Ebene wird demnach von den Koppelteilter Induktivität und Kapazität ergeben, erfordern drähten an Punkten durchdrungen, welche Eckpunkte hohen Aufwand bei der Herstellung. eines Rechteckes sind. Längs der Koppelleitungen

Bei einem mechanischen Filter, das aus mehreren breiten sich die Schwingungswellen longitudinal aus, zu Torsionsschwingungen anregbaren, achsparallel zu- 35 wie dies durch die gestreckten Pfeile angedeutet ist. einander angeordneten Resonanzkörpern besteht, die Dabei ist in jedem Augenblick die Bewegungsrichdurch zu Longitudinalschwingungen anregbare Kop- tung in benachbarten Drähten, also z. B. in den Drähpelelemente miteinander gekoppelt sind, lassen sich ten 4 und 5 oder in den Drähten 4 und 6, entgegenNachteile der oben angeführten Art erfindungsgemäß gesetzt. Zur Kopplung der einzelnen Schwinger gedadurch beseitigen, daß Resonanzkörper vorgesehen 40 nügt an sich schon ein einziger Koppeldraht. Die werden, für welche sich auf Grund ihrer Struktur weiteren Drähte dienen bei dem in Fig. 1 gezeigten Leitungsstücke mit gleichmäßigem Induktivitäts- und Ausführungsbeispiel des Filters nach der Erfindung Kapazitätsbelag als elektrisches Ersatzschaltbild er- im wesentlichen zur Halterung, damit die Schwinger geben und bei welchen der Abstand ihrer beiden zusammen mit den Drähten ein mechanisch stabiles Stirnflächen von der Resonatorknotenebene bzw. von 45 Gebilde ergeben. Wenn andere Halterungsmittel für den ihnen jeweils nächstliegenden Knotenebenen die Resonanzkörper vorgesehen sind, ist die Koppeinem Viertel der Wellenlänge der erregten Torsions- lung auch mit zwei Drähten 4 und 6 oder nur einem schwingungen entspricht und daß zumindest eine Draht 6 durchführbar.

Koppelleitung Anwendung findet, die aufeinander- Der Abstand zwischen Block 8 und Schwinger 1

folgende Koppelelemente verwirklicht und die jeweils 50 sowie zwischen Block 9 und Schwinger 3 und damit auf einen Oberflächenpunkt der einzelnen Resona- die Länge der Endabschnitte der Drähte 4, 5 und 7 toren einwirkt. wird so bemessen, daß Schwingerenergie, die sich

Durch Resonatoren der oben näher umrissenen längs dieser Drähte in Richtung auf die Blöcke 8 Art, deren Länge bei Erregung zu ihrer niedrigst- und 9 hin bewegt, an den Drahtenden möglichst vollmöglichen Eigenresonanzfrequenz der Hälfte der 55 ständig reflektiert wird.

Wellenlänge von Torsionsschwingungen im Reso- Durch diese Maßnahme ist in an sich bekannter

natorwerkstoff bei dieser Frequenz gleich ist, werden Weise vermieden, daß Schwingenergie des mechanidie Störbeeinflussungen der Filter-Übertragungseigen- sehen Systems des Filters dieses System an unschaften vermieden, welche bei der eingangs be- erwünschten Stellen verläßt. Zur Ankopplung des schriebenen mechanischen Siebanordnung durch die 60 Filters an einen elektrischen Eingangskreis bzw. Aus-Befestigungsvorrichtungen für die Schwinger in Er- gangskreis sind in dem Ausführungsbeispiel nach scheinung treten, die dort naturgemäß 2/4-Resona- Fig. 1 elektromechanische Wandler vorgesehen, deren toren sind. Die von diesen Resonanzkörpern auf die bewegliches Element beispielsweise aus einem Ferrit-Einspannvorrichtungen ausgeübten Kräfte lösen schwinger 10 bzw. 11 besteht. Diesen Schwingern Schwingungen aus, die über die Filter-Grundplatte 65 sind Koppelspulen 12 bzw. 13 zugeordnet. Durch auf die anderen Resonanzkörper einwirken und diese Permanentmagnete 14 bzw. 15 sind die Ferritkerne Undefiniert verkoppeln. Ein entsprechend den Lehren vormagnetisiert. Der Kern 10 wird auf Grund seiner nach der Erfindung aufgebautes Filter unterscheidet magnetostriktiven Eigenschaften durch die den Klem-

men 16 zugeführte elektrische Energie zu mechanisehen Schwingungen angeregt. An den Klemmen 17 werden die gesiebten Spannungen bzw. Ströme abgenommen.

Fig. 2 zeigt ein anderes Beispiel für die Ankopplung des Filters an einen elektrischen Kreis. Hier sind alle vier Drähte 4, 5, 6 und 7 an dem Block 8 befestigt, z.B. angeschweißt, und der Ferritschwinger 10 wirkt über einen besonderen Koppeldraht 18 auf das mechanische Filter ein. Der Koppeldraht 18 ist an der Befestigungsstelle des Drahtes 6 mit dem Resonanzkörper 1 mit angeschweißt. Die Auskopplung am anderen Ende des Filters kann auf gleiche Weise geschehen und ist in Fig. 2 nicht mit dargestellt.

Eine weitere Ankopplungsmöglichkeit ist durch Fig. 3 veranschaulicht. Hier ist der erste Resonanzkörper 1 selbst als hohlzylinderförmiger Ferritkörper ausgebildet, welcher längs seines Umfangs vormagnetisiert ist. Durch die Spule 20 wird der vormagnetisierte Ferritkörper zu Torsionsschwingungen angeregt. Die Auskopplung am Ende des Filters kann in gleicher Weise geschehen und ist deshalb nicht besonders dargestellt.

Die vorangehend kurz beschriebenen Anregungsarten von mechanischen Filtern mittels elektromechanischer Wandler sind ihrem Wesen nach an sich bekannt, so daß es sich erübrigt, auf deren Funktion im einzelnen einzugehen. Je nach den Umständen können für Eingang und Ausgang des mechanischen Filters nach der Erfindung auch verschiedene der gezeigten elektromechanischen Wandler verwendet werden oder solche, die nach anderen Prinzipien arbeiten.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen des Filters nach der Erfindung ist der Koppelfaktor zwischen je zwei Torsionsschwingern im ganzen Filter der gleiche, wenn vorausgesetzt wird, daß identische Schwingkörper verwendet werden. Während bei den bekannten mechanischen Filtern, die zu Torsionsschwingungen anregbare Resonanzkörper sowie gleichfalls Torsionsschwingungen ausführende Koppeldrähte in gleichachsiger Anordnung aufweisen, den Resonatorkopplungen durch unterschiedlich bemessene Durchmesser der Koppeldrähte voneinander abweichende Werte gegeben werden können, sind beim Filter nach der Erfindung ungleich große Kopplungsfaktoren dadurch zu erreichen, daß die Koppelleitungen nicht überall an den Kanten der Schwingkörper angreifen, sondern entweder an den Mantelflächen in unterschiedlichen Abständen von der Schwingkörpermitte oder auf den Stirnflächen in unterschiedlichen Abständen von der vier ausgespannte Drähte 25, 26 und 27, 28 gekoppelt sind. Zwischen den Körpern 21 und 22 herrscht maximal erreichbare Kopplung, während die Kopplungen zwischen den Körpern 22 und 23 bzw. 23 und 24 dadurch kleiner sind, daß die Drähte nicht an den Kanten der Schwingkörper, sondern auf den Mantelflächen mehr nach der Mitte zu angeschweißt sind.

Bezeichnet man die Abstände zwischen den Befestigungspunkten auf den einzelnen Schwingkörpern 21, 22, 23 und 24 mit L₁, L₂, L₃, L₁ und die Gesamtlänge jedes Schwingers mit L, so gilt für den Kopplungsfaktor zwischen zwei aufeinanderfolgenden Körpern / und k (i, k = 1, 2, 3, 4) die Gleichung:

schematisch ein Beispiel der zweitgenannten Koppelart.

in Fig. 4 ist ein vierkreisiges Filter dargestellt, bei dem die zylindrischen, zu Torsionsschwingungen anregbaren Resonanzkörper 21, 22, 23 und 24 durch ^sm Ύ \

L% ~L

_1 .sin" 2^-1

Lic ~L~

Dabei ist K₀ der maximal erzielbare Kopplungsfaktor für den Fall, daß die Kopplungsdrähte an den Enden der Zylinder angeschweißt sind. Dieser Kopplungsfaktor ist dem numerischen Wert nach im wesentlichen vom Verhältnis der Schwingkörperdurchmesser zum Durchmesser der Kopplungsdrähte sowie von den Werkstoffen der Resonatoren und der Kopplungsdrähte abhängig.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit vier Koppeldrähten, die jeweils symmetrisch zu den Schwingungsknoten jedes Schwingkörpers befestigt sind. Gegebenenfalls findet jedoch eine beliebige andere Zahl von Koppeldrähten An-Wendung. Auch ist es nicht erforderlich, daß die Anbringung symmetrisch an den Schwingkörpern erfolgt. Benutzt man eine beliebige Anzahl η von Koppeldrähten, die an den einzelnen Schwingkörpern in verschiedenen Abständen vom Schwingungsknotenpunkt befestigt sind, so gilt für den Koppelfaktor K_ik zweier aufeinanderfolgender Schwingkörper, die mit dem Index i bzw. k gekennzeichnet sein sollen,

x_iSl =

^sm

L-

π ( L
sin -y-12 -~-

— 1

(2)
betrachteten

Der Index / bezeichnet dabei den

Koppeldraht.
An Hand des durch Fig. 5 wiedergegebenen Filters

mit zwei Koppeldrähten soll die Beziehung (2) näher erläutert werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind im Gegensatz zu jenem nach Fig. 4 die Koppeldrähte 27 und 28 an jedem der Schwingkör-

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gungsknotenpunkt befestigt. Dabei bezeichnet der Index i den Schwingkörper und der Index 7 den betreffenden Koppeldraht. Für diese spezielle Ausführungsform stellt sich die Formel (2) in folgender Form dar:

Dabei ist K₀ der mit einem einzigen Koppeldraht Abständen D₁, D₂, D₃, D₄ symmetrisch zur Torsionsmaximal erreichbare Koppelfaktor. 65 achse, z. B. durch Schweißen, befestigt sind. In Fig. 6

Fig. 6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, ist nur eine der beiden Resonatorflächen zu sehen,

bei dem die Kopplungsdrähte auf den Stirnflächen die bei der durch diese Abbildung veranschaulichten

der Resonanzkörper in verschiedenen gegenseitigen Kopplungsart für die Befestigung der Koppeldrähte

an den Resonatoren in Betracht kommt. Im übrigen ist die Figur ohne weitere Erläuterungen nach dem Vorhergehenden verständlich. Auch hier können die Koppeldrähte analog Fig. 5 unsymmetrisch zur Torsionsachse an den einzelnen Schwingkörpern befestigt sein.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Mechanisches Frequenzfilter, insbesondere Hochfrequenzfilter, das gegebenenfalls elektromechanische Wandler an den Enden aufweist, bestehend aus mehreren zu Torsionsschwingungen erregbaren, achsparallel zueinander angeordneten Resonanzkörpern, die durch zu Longitudinalschwingungen anregbare Koppelelemente miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß Resonanzkörper vorgesehen sind, für welche sich auf Grund ihrer Struktur Leitungsstücke mit gleichmäßigem Induktivitäts- und Kapazitätsbelag als elektrisches Ersatzschaltbild ergeben und bei welchen der Abstand ihrer beiden Stirnflächen von der Resonatorknotenebene bzw. von den ihnen jeweils nächstliegenden Knotenebenen einem Viertel der Wellenlänge der erregten Torsionsschwingungen entspricht, und daß zumindest eine Koppelleitung Anwendung findet, die aufeinanderfolgende Koppelelemente verwirklicht und die jeweils auf einen Oberflächenpunkt der einzelnen Resonatoren einwirkt.

2. Mechanisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter-Schwingsystem neben der Koppelleitung, auf deren eines Ende die das Schwingsystem in Bewegung versetzenden Mittel einwirken und an deren anderem Ende die gesiebten mechanischen Schwingungen in Erscheinung treten, mit Koppelleitungen versehen ist, welche die einzelnen Resonanzkörper der Reihe nach miteinander verbinden und zugleich der Halterung der Resonanzkörper dienen.

3. Mechanisches Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere zugleich als Halteelemente der Resonanzkörper dienende Koppelleitungen, auf deren dem Filtereingang zugeordneten Abschnitte die das Schwingsystem in Bewegung versetzenden Mittel einwirken, während an den anderen Endabschnitten der Koppelleitungen die gesiebten mechanischen Schwingungen abnehmbar sind.

4. Mechanisches Filter nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch vier zur Knotenebene der Resonanzkörper parallel angeordnete Kopplungsdrähte, die eine senkrecht zu ihren Längsachsen verlaufende Ebene in Punkten schneiden, welche Eckpunkte eines Rechtecks sind.

5. Mechanisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung der einzelnen Resonanzkörper mit vorgeschriebenem unterschiedlichem Kopplungsgrad die Koppelleitung mit Punkten der Mantel- oder Stirnflächen der Resonanzkörper verbunden ist, die ungleiche Schwingamplituden aufweisen.

6. Mechanisches Filter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung der einzelnen Resonanzkörper mit vorgeschriebenem unterschiedlichem Kopplungsgrad die Koppelleitungen, die an der Mantelfläche oder den Stirnflächen eines jeden Resonanzkörpers entweder symmetrisch oder unsymmetrisch zu dessen Knotenlinie bzw. Torsionsachse befestigt sind, an Punkten anderer Schwingamplitude der Mantel- oder Stirnflächen vorangehender und/oder nachfolgender Resonanzkörper angreifen.

7. Mechanisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Anregung der Resonanzkörper zu höheren Harmonischen.

8. Mechanisches Filter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der einen Koppelleitung bzw. die Enden einer oder mehrerer Koppelleitungen mit elektromechanischen Wandlern verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentanmeldung N5719 VIIIa/21a* (bekanntgemacht am 8. Juni 1955);

französische Patentschrift Nr. 1018 542;

USA.-Patentschriften Nr. 1933 306, 2240 306, 2501488,2 617 882;

»Electrical Engineering«, Vol. 50, Nr. 5, S. 349 bis (Mai 1931);

»General Electric Review«, Vol. 37, Nr. 8, S. 378 bis 383 (August 1934);

»The Bell System Technical Journal«, Vol. 23, Nr. 2, S. 178 bis 189 (April 1944);

»RCA-Review«, Vol.10, Nr. 3, S. 348 bis 365 (September 1949);

K.W.Wagner, »Einführung in die Lehre von den Schwingungen und Wellen«, 2. Auflage, Wiesbaden, 1947, S. 259.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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