-
Elektromechanisches Filter Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches
Filter, bei welchem mehrere, zu Längsschwingungen anregbare, achsparallel nebeneinander
angeordnete Resonatoren und im Bereich der Resonatoren-Knotenebenen angeordnete,
brückenartige, vorzugsweise auf Scherung beanspruchte Kopplungsstücke das mechanische
Schwingsystem bilden, dessen metallische Endresonatoren mit Kopplungsanordnungen
zur Umsetzung der elektrischen Schwingungen in mechanische sowie zur Rückumsetzung
versehen sind. Derartige Filteranordnungen sind bekannt.
-
Bei elektromechanischen Filtern mit mehreren, zu Längsschwingungen
anregbaren, achsparaUel nebeneinander angeordneten Schwingkörpern und Kopplungsstücken,
welche an diesen Schwingkörpern außerhalb des Bereiches der Resonator-Knotenebene
angeordnet sind, finden als Endresonatoren vielfach Schwingkörper Anwendung, für
die ein am Ort ihrer Knotenebene eingefügtes Plättchen aus elektrostriktivem Material
charakteristisch ist. Dieses Plättchen, dessen Querschnitt mit jenem des Schwingkörpers
übereinstimmt, regt durch seine Dickenschwingungen den Resonator am Eingang des
elektromechanischen Filters zu Längsschwingungen an. Für elektromechanische Siebanordnungen
der im vorangehenden Ab-
satz umrissenen Ah mit brückenartigen Kopplungsstücken,
welche die Schwingkörper im Bereich der Resonator-Knotenebene verbinden, ist eine
andere Ausbildung der Endresonatoren ausfindig zumachen, wenn die letzteren auch
bei dieser Füterbauart mit elektrostriktiven Kopplungsanordnungen versehen werden
sollen. Des weiteren gehören bereits elektromechanische Siebanordnungen mit mehreren,
für Längsschwingungen bemessenen, achsparallel nebeneinander angeordneten Resonatoren
rechteckförmigen Querschnittes dem Stande der Technik an, bei welchen die Kopplungsstücke
gleichfalls außerhalb des Bereiches der Resonator-Knotenebene sich befinden und
bei welchen die Endresonatoren im Bereich ihrer Knotenebene an gegenüberliegenden
Seitenflächen Plättchen aus elektrostriktivem Werkstoff aufweisen. Darüber hinaus
sind im Laufe der Zeit eine ganze Reihe von piezoelektrischen und elektrostriktiven
Kopplungsanordnungen zur Erregung von metallischen Schwingkörpem zu Längsschwingungen
angegeben worden. Beispielsweise ist es bekannt, bei einem Stab mit rechteckförmigem
oder quadratischem Querschnitt im Bereich der Knotenebene an gegenüberliegenden
Seitenflächen Plättchen aus piezoelektrischem bzw. elektrostriktivern. Material
anzubringen, deren Dickenschwingungen den Stab auf Grund des Poisson-Effektes zu
Längsschwingungen anregen.
-
Weder diese noch andere bekannte piezoelektrisch bzw. elektrostriktiv
wirkende Kopplungsanordnungen zur Anregung von Längsschwingungen sind im Schrifttum
hinsichtlich ihrer Eignung als Kopplungsanordnungen für elektromechanische Filter
der eingangs näher umrissenen Art in einer Form behandelt worden, die es aussichtsreich
erscheinen läßt, daß für diese Filterbauart spezifisch geeignete elektrostriktive
Kopplungsanordnungen angebbar sind. Vielmehr war bUher die Auffassung vorherrschend,
den baulichen und funktionellen Besonderheiten von mechanischen Schwingsystemen
aus mehreren, zu Längsschwingungen anregbaren, achsparallel nebeneinander angeordneten
Resonatoren und aus im Bereich der Resonator-Knotenebenen angeordneten, brückenartigen
Kopplungsstücken entspreche, unbeschadet einer Reihe von Nachteilen, noch am besten
eine magnetostriktive Kopplungsanordnung, welche Endresonatoren aus magnetostriktivem
Werkstoff voraussetzt. Diese Resonatoren werden in gleich großen Abständen vom Anbringungsort
der Kopplungsstücke von Spulen umgeben, welche die in zwei Hälften aufgeteilte Wandlerwicklung
bilden. Der Raumbedarf dieser Spulen hat vielfach zur Folge, daß die Endresonatoren
nicht als A/2-Schwinger ausführbar sind, sondern als 3A/2-Schwinger gefertigt werden
müssen. Des weiteren sind dem elektromechanischen Kopplungsfaktor solcher Kopplungsanordnungen
durch unvermeidbare Streufelder Grenzen gesetzt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein elektromechanisches
Filter, bei welchem mehrere,
zu Längsschwingungen anregbare, achsparallel
nebeneinander angeordnete Resonatoren und irn Bereich der Resonator-Knotenebene
angeordnete, brückenartige, vorzugsweise auf Scherung beanspruchte Kopplungsstücke
das mechanische Schwingsystem bilden, dessen metallische Endresonatoren mit Kopplungsanordnungen
zur Umsetzung der elektrischen Schwingungen in mechanische sowie zur Rückunisetzung
zu versehen sind, Kopplungsanordnungen anzugeben, die einen hohen elektromechanischeu
Kopplungsfaktor aufweisen, praktisch keinen Raum beanspruchen, fertigungstechnisch
leicht beherrschbar sind und ein Resonator-Nebenwellenspektrum möglichst geringen
Umfanges hervorrufen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung von
Schwingkörpern mit Kopplungsanordnungen als Endresonatoren gelöst, bei welchen die
Kopplungsanordnungen durch an jeder Schwingkörperstirnfläche angeordnete dünne Plättchen
aus elektrostriktivern Material verwirklicht sind, welche Dickenschwingungen in
Richtung der Resonatorlängsachsen ausführen und welche jeweils an ihren dem Resonator
abgewandten Breitseiten Elektroden tragen, die unmittelbar mit der einen Klemme
des Filter-Eingangsklemmenpaares bzw. des Filter-Ausgangsklemmenpaares verbunden
sind, während für das Potential der anderen Klemmen dieser Klemmenpaare das
der Endresonatoren maßgebend ist, welche den ihnen zugeordneten elektrostriktiven
Plättchen als zweite Elektroden dienen.
-
. Nach den Lehren der Erfindung ausgebildete Endresonatoren
weisen unter anderem auch den Vorteil auf, daß infolge der geringen Menge elektrostriktiven
Materials ira Vergleich zum elektrostriktiv inaktiven Resonatorteil ein günstiger
Temperaturkoeffizient zu erwarten ist. Es lassen sich darüber hinaus sogar Endresonatoren
verwirklichen, deren Eigenresonanzfrequenz von der Temperatur in einem gewissen
Bereich dadurch nahezu völlig unabhängig ist, daß der metallische Resonatorwerkstoff
und das elektrostriktiv aktive Keramikmaterial der Plättchen im erforderlichen Ausmaß
gegensätzliche Temperaturkoeffizienten ihres Elastizitätsmoduls aufweisen.
-
Nachstehend wird das elektromechanische Filter nach der Erfindung
an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Bei der durch F ig. 1 gezeigten Ausführungsforni des elektromechanischen
Filters nach der Erfindung sind drei Längsschwinger 1, 2, 3 vorgesehen,
die über brückenartige Kopplungsstücke 4 und 5 mechanisch starr miteinander
verbunden sind. Die Kopplungsstücke 4 und 5 liegen dabei auf der durch die
neutralen Zonen der Längsschwinger 1, 2 und 3 bestimmten Geraden.
Sie übertragen die mechanischen Schwingungen von dem einen Resonator auf den darauffolgenden
durch Scherung und sind aus diesem Grunde relativ kurz bemessen, so daß sich ein
geringer Abstand der einzelnen Längsschwinger ergibt. Die Längsschwinger selbst
und die beiden Kopplungsbrücken bilden ein Ganzes und bestehen vorzugsweise aus
Stahl. An den Endresonatoren ist jeweils ein Übergang von dem rein mechanischen
Schwingungssystem auf die elektrischen Anschlüsse erforderlich. Hierfür ist eine
auf elektrostriktiver Grundlage arbeitende Kopplungsanordnung an den beiden Endresonatoren
1 und 3 vorgesehen. Sie besteht aus elektrostriktiv aktiver Keramik,
beispielsweise mit der Zusammensetzung BaTiO., die in Form von Endplatten
6, 6' und 7, 7' auf die Resonatoren 1 und 3
aufgebracht
ist. Die Befestigung dieser Keramikplatten auf den Endresonatoren kann beispielsweise
durch Klebung erfolgen; besser ist es jedoch, hierfür eine der bekannten Metall-Keramik-Verbindungen
vorzusehen, die für sich aus der Technik der Keramik-Elektronen-Röhre her allgemein
bekannt sind. An ihren dem Resonator abgewandten Breitseiten sind die die gleichen
Querschnittsabmessungen wie die Resonatoren aufweisenden Keramikstreifen6,6' bzw.
7, 7' jeweils mit einem leitenden Belag, vorzugsweise einem aufgedampften
Goldbelag, versehen, der als Anregungselektrode dient. Dieser leitende Belag ist
jeweils mit einer Zuführung 8, 9 bzw. 8' und 9' verbunden.
-
In der F i g. 2 ist ein gemäß dem Vorangehenden ausgebildeter
Endresonator für sich dargestellt. Die beiden Anschlüsse 8 und
9 führen zu den leitenden Belägen, während der Anschluß 10 mit dem
vorzugsweise aus Stahl bestehenden restlichen Teil des Resonators leitend verbunden
ist. Es ergibt sich hierfür ein Ersatzschaltbild, wie es die F i g. 3 veranschaulicht.
Zwischen den Anschlüssen 8 und 10 bzw. 9 und 10 liegt
demzufolge jeweils die Parallelschaltung eines Serienresonanzkreises mit einer Parallelkapazität,
wobei die Induktivitäten der Serienresonanzkreise miteinander gekoppelt sind. Physikalisch
betrachtet erfolgt die Anregung des zu einem Kopplungsorgan ergänzten Endschwingers
durch die Dickenänderung des elektrostriktiven Materials in Richtung der Längsachse
des Resonators. Dabei ist zu berücksichtigen, daß das elektromechanisch aktive Material
mit dem nichtaktiven Material gleichsam belastet ist, wodurch der elektromechanische
Kopplungsfaktor zurückgeht. Da jedoch bei Verwendung elektrostriktiver Keramik die
Kopplungsfaktoren sehr hoch sind und für Filterzwecke je nach der Bandbreite
nur relativ geringe Kopplungswerte benötigt werden, kann der Keramikanteil gering
gehalten werden, wodurch sich der niedrige Temperaturkoeffizient der Eigenfrequenz
erreichen läßt. Vor allem bei Verwendung von Stahl für den mechanisch nichtaktiven
Teil wird so wegen des günstigen Temperaturkoeffizienten von Stahl und des nur geringen
Keramikanteils eine nur sehr geringe Abhängigkeit der Resonatorfrequenz von der
Temperatur erhalten. Prinzipiell ist auch eine in einem gewissen Bereich wenigstens
nahezu völlige Temperaturkompensation in der Weise möglich, daß für das elektrostriktive
Material eines mit einem zum verwendeten Resonatormetall gerade gegensätzlichen
Temperaturkoeffizienten vorgesehen wird und daß die Querschnitte und Anteile dieser
beiden Materialien derart aufeinander abgestimmt werden, daß praktisch Temperaturunabhängigkeit
erreicht wird.