DE1221738B - Elektromechanisches Filter - Google Patents

Elektromechanisches Filter

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DE1221738B
DE1221738B DES67296A DES0067296A DE1221738B DE 1221738 B DE1221738 B DE 1221738B DE S67296 A DES67296 A DE S67296A DE S0067296 A DES0067296 A DE S0067296A DE 1221738 B DE1221738 B DE 1221738B
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Germany
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resonator
vol
resonators
coupling
electrostrictive
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DES67296A
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Hans Albsmeier
Dipl-Ing Erich Freystedt
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Siemens AG
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Siemens AG
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46Filters
    • H03H9/48Coupling means therefor
    • H03H9/50Mechanical coupling means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

  • 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.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Elektromechanisches Filter, bei welchem mehrere, zu Längsschwingungen anregbare, achsparallel nebeneinander angeordnete Resonatoren und im Bereich der Resonator-Knotenebenen angeordnete, brückenartige, vorzugsweise auf Scherung beanspruchte Kopplungsstücke das mechanische Schwingsystern bilden, dessen metallische Endresonatoren nfit Kopplungsanordnungen zur Umsetzung der elektrischen Schwingungen in mechanische sowie zur Rückumsetzung versehen sind, gekennzeichnet durch die Verwendung von Schwingkörpern mit Kopplungsanordnungen als Endresonatoren, bei welchen die Kopplungsanordnungen durch an jeder Schwingkörperstirnfläche angeordnete dünne Platten aus elektrostriktivem Material verwirklicht sind, welche Dickenschwingungen in Richtung der Resonatorlängsachse 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.
  2. 2. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Endresonatoren, 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. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 490 085; schweizerische Patentschrift Nr. 277467; britische Patentschrift Nr. 822 536; USA.-Patentschriften Nr. 2 001132, 2 271200, 2 596 460, 2 759 102, 2 875 353; Cady, W. G., »Piezoelectricity«, 1. Auflage, 2. Nachdruck, New York und London, 1946, S. 676; »Proceedings of the National Electronics Conference«, Bd. IX, 1953, S. 353 bis 362; »Physical, Review«, Bd. 58, Nr. 4 (15. August 1940), S. 371 bis 380; »RCA-Review«, Bd. X, Nr. 3 (Sept. 1949), S. 348 bis 365; »Revue G6n6rale de l'Electricit6«, Bd. 59, Nr. 1 (Januar 1950), S. 33 bis 45; »The Journal of the Institute of Electrical Communication Engineers of Japan«, Bd. 40, Nr. 1 (Januar 1957), S. 44 bis 51; »Bulletin of the Yamagata University«, Engineering Edition, Bd. 5, Nr. 2 (März 1959), S. 335 bis 372.
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