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Elektromechanisches Filter Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches
Filter, bestehend aus wenigstens einem mechanischen Schwinger und Wandlern zum Übergang
von elektrischen auf mechanische Schwingungen bzw. zum Übergang von den mechanischen
auf die elektrischen Schwingungen, bei dem dieAbmessungen des mechanischen Schwingers
derart gewählt sind, daß mehrere durch wenigstens eine Unsymmetrie miteinander gekoppelte
Eigenschwingungen wenigstens nahezu bei der gleichen Frequenz auftreten und bei
dem der Schwinger das Verhalten eines mehrkreisigen Filters zeigt, dessen Kreiszahl
gleich ist der Anzahl der im Schwinger angeregten Eigenschwingungen.
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Elektromechanische Filter bestehen aus einem oder mehreren miteinander
gekoppelten mechanischen Schwingern, von denen zumindest die Endresonatoren mit
Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen bzw.
zum Übergang von den mechanischen auf die elektrischen Schwingungen versehen sind.
Bekanntlich können bei derartigen mechanischen Schwingern mehrere Schwingungsformen,
wie z. B. Längsschwingungen, Biegeschwingungen oder Torsionsschwingungen, auftreten,
deren Eigenresonanzfrequenzen im wesentlichen von den mechanischen Abmessungen der
Schwinger abhängig sind. Beim Aufbau mechanischer Filter wird jeweils nur ,eine
Schwingungsform ausgenutzt, deren Eigenresonanzfrequenz die Lage des Filterdurchlaßbereiches
bestimmt. Die Vielzahl der übrigen Eigenschwingungen wird hierbei zumeist als außerordentlich
störend empfunden, da die ungewollten Schwingungsformen an den sogenannten Nebenresonanzstellen
Dämpfungseinbrüche im Sperrbereich des Filters hervorrufen und somit die Selektionswirkung
des Filters erheblich in Frage stellen. Bei mechanischen Filtern werden deshalb
häufig Maßnahmen zur Unterdrückung dieser störenden Eigenresonanzen angewendet.
Es werden dadurch zwar im Durchlaßbereich relativ eindeutige Filter erhalten, jedoch
ist der räumliche Aufwand relativ hoch.
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Es ist bereits ein elektrisches Filter unter Verwendung eines mechanischen
Schwingers bekanntgeworden, der so bemessen ist, daß eine seiner Biegeeigenfrequenzen
mit einer seiner Dreheigenfrequenzen zusammenfällt bzw. ihr dicht benachbart ist
und sich so eine gemeinsame Durchlaßkurve ergibt. Zur Anregung der Eigenschwingungen
ist dabei ein Anregungssystem verwendet, das in der Art von magnetomechanischen
Wandlersystemen wirkt. Gleichermaßen ist das die mechanischen Schwingungen abnehmende
Wandlersystem in der Art eines magnetomechanischen Wandlers ausgebildet. Bei derartigen
Filtern läßt sich in der Regel ein bestimmter Wert der Sperrdämpfung nicht überschreiten,
da eine unmittelbare Überkopplung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Filters
auftritt. Zur Beseitigung der Überkopplung sind relativ aufwendige konstruktive
Maßnahmen für die Schirmung der Ein- und Ausgangswandler erforderlich.
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Es ist ferner bekannt, zur Realisierung eines mechanischen Filters
in einem Resonanzkörper durch eine besondere Wahl der Lage der Anregungselektroden
zwei frequenzbenachbarte Scherungsschwingungen anzuregen. Um die Wirkung eines zweikreisigen
Bandfilters zu erzielen, ist der Resonanzkörper mit einem Dämpfungsbelag versehen,
wodurch gleichzeitig die Güte des schwingenden Elements verschlechtert und damit
die Grunddämpfung des Filters erhöht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend geschilderten
Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu vermeiden. Außerdem soll der
räumliche Aufwand bei .derartigen Filtern reduziert und dabei gleichzeitig sichergestellt
werden, daß eine Filtercharakteristik erhalten wird, die mindestens so gut ist hinsichtlich
der Unterdrückung störender Resonanzen, wie die hierfür besonders ausgebildeten
bekannten Filter.
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Ausgehend von einem elektromechanischen Filter, bestehend aus wenigistens
einem mechanischen Schwinger und Wandlern zum Übergang von elektrischen auf mechanische
Schwingungen bzw. zum Übergang von den mechanischen auf :die .elektrischen Schwingungen,
bei dem dieAbmessungen des mechanischen Schwingers derart gewählt sind, daß mehrere
durch wenigstens eine Unsymmetrie miteinander gekoppelte Eigenschwingungen wenigstens
nahezu bei der gleichen Frequenz auftreten und bei dem der Schwinger das Verhalten
eines mehrkreisigen Filters
zeigt, dessen Kreiszahl gleich ist der
Anzahl der im Schwinger angeregten Eigenschwingungen, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
.dadurch gelöst, daß zur Erzielung zweier senkrecht zueinander orientierter, wenigstens
nahezu gleichfrequenter Biegeschwingungen der Schwinger quadratischen Querschnitt
hat und daß im Bereich maximaler Auslenkung wenigstens eine unter einem Winkel von
etwa 45° zu den seitlichen Begrenzungsflächen stehende, halbmondförmige Aussparung
oder Verdickung angebracht ist.
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Vorteilhaft kann auch ein Schwinger kreisförmigen Querschnitts verwendet
werden, wenn im Bereich maximaler Auslenkung eine halbmondförmige Aussparung oder
Verdickung angebracht ist, die im Winkel von etwa 45° zu den beiden Biegeschwingungen
steht.
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Das Verhalten eines Dreikreisfilters mit nur einem Schwinger wird
vorteilhaft dadurch erzielt, daß der Schwinger aus einem Stab mit kreisförmigem
Querschnitt besteht und daß zur Erzielung von zwei senkrecht zueinander orientierten
Biegeschwingungen und einer zumindest näherungsweise gleichfrequenten Torsionsschwingung
am Umfang der Stabenden Zapfen angebracht sind, die etwa um 90° gegeneinander versetzt
sind.
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Es ist hierbei vorteilhaft, wenn mit dem Schwinger ein weiterer Schwinger
rein mechanisch gekoppelt ist oder wenn die Kopplung mechanisch derart ausgebildet
und angeordnet ist, daß sie zumindest bei einem der Resonatoren im wesentlichen
über nur eine Schwingungsart erfolgt.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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Die F i g. 1 zeigt einen Biegeschwinger, der aus drei Stahlstücken
1, 2 und 3 besteht, die quadratischen Querschnitt aufweisen und die durch die Abschnitte
4, 5 und 6, 7 aus einer piezoelektrischen Keramik in an sich bekannter Weise miteinander
verbunden sind. Die Keramikabschnitte 4 und 5 sind durch einen Spalt 8, und die
Keramikabschnitte 6 und 7 durch einen Spalt 9 unterteilt. Am Stahlteil 1 und am
Mittelteil 2 sind Zuführungsleitungen 10 und 11 aufgelötet. Ebenso liegen
am Mittelteil 2 und am Stahlteil 3 die Zuführungsleitungen 12 und 13. Die Drähte
14 und 15, die in Richtung der Diagonalen des Stabquerschnitts verlaufen,
dienen der Befestigung des Schwingers in einem nicht näher dargestellten Gehäuse.
Am mittleren Stahlteil 2 ist eine halbmondförmige Aussparung 16 angebracht, durch
die der quadratische Querschnitt des Schwingers gestört wird. Den Keramikabschnitten
4 und 5, 6 und 7 ist durch eine Gleichstromvorbehandlung eine Polarisation aufgeprägt,
und die Plättchen sind derart im Zuge des Schwingers eingebracht, daß die Polarisationsrichtung
je zweier, ein Plättchenpaar bildender Keramikplättchen entgegengesetzt ist, wie
es durch die Pfeile 17 und 18 bzw. 19 und 20 angedeutet
ist. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Zuführungsdrähte 10 und 11 dehnt
sich beispielsweise das Keramikplättchen 4 unter dem Einfiuß des elektrischen Feldes
aus, während sich das Keramikplättchen 5 wegen der entgegengesetzten Polarisation
zusammenzieht. Wenn sich die Polarität der angelegten Wechselspannung umkehrt, wird
das Plättchen 5 gedehnt, während sich das Plättchen 4 verkürzt. Dadurch führt :der
Schwinger ausgeprägte Biegeschwingungen im Takt der angelegten Wechselspannung aus,
wenn die Frequenz der angelegten Wechselspannung zumindest näherungsweise mit der
Eigenfrequenz des Schwingers übereinstimmt. Durch die Lage des Schlitzes 8, der
parallel zu den oberen und unteren Begrenzungsflächen des Schwingers verläuft, ist
auch die Richtung der Biegeschwingung vorgegeben, die somit in vertikaler Richtung,
d. h. also in Richtung des Doppelpfeiles 21, verlaufen muß. Die Keramikplättchen
6 und 7 sind derart im Zuge des Schwingers angeordnet, daß der sie trennende Spalt
9 senkrecht zum Spalt 8 verläuft. Da für die als Auskoppelsystem dienenden Keramikplättchen
6 und 7 das gleiche Prinzip wie für die als Einkoppelsystem dienenden Plättchen
4 und 5 gilt, kann an den Anschiußieitungen 12 und 13 dann eine Spannung
abgenommen werden, wenn die Keramikplättchen 6 und 7 Dehnungen und Zusammenziehungen
unterworfen werden. Dies ist der Fall, wenn der Schwinger zusätzlich eine Schwingung
in horizontaler Richtung, d. h. in Richtung des Doppelpfeiles 22, ausführt. Die
Anregung dieser horizontalen Biegeschwingung wird durch die halbmondförmige Aussparung
16 am Mittelteil 2 erreicht, durch die die Symmetrie des Schwingers gestört ist.
Da der Schwinger quadratischen Querschnitt hat, sind die Eigenresonanzfrequenzen
der vertikalen und horizontalen Biegeschwingungen praktisch gleich groß. Wird die
Aussparung 16 derart angeordnet, daß sie symmetrisch zu den seitlichen Begrenzungsflächen
liegt, d. h. in Richtung der Diagonalen des Stabquerschnitts, dann ist sie für beide
Biegeschwingungen in gleicher Weise wirksam. Dadurch wird das Verhalten eines symmetrisch
aufgebauten zweikreisigen Bandfilters erreicht.
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Die F i g. 2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild eines gemäß der
F i g. 1 aufgebauten Schwingers. Hierbei sind zwei Serienresonanzkreise 25 und 26
mit der gleichen Eigenresonanzfrequenz fr durch die Koppelinduktivität Lk miteinander
gekoppelt. Am Eingang des Filters liegt im Querzweig die Kapazität C, und am Ausgang
des Filters die Kapazität Ca. Die Kapazitäten C, und C" werden beim Ausführungsbeispiel
gemäß der F i g. 1 durch die Kapazitäten des Ein- und Auskoppelsystems realisiert
und sind bei symmetrischem Aufbau gleich groß. Die Koppelinduktivität Lk ist durch
die halbmondförmige Aussparung 16 gegeben und die Serienresonanzkreise durch die
beiden zueinander senkrecht stehenden, gleich frequenten Biegeschwingungen des in
F i g. 1 dargestellten Schwingers. Die zur Verkopplung der beiden Biegeschwingungen
erforderliche Unsymmetrie am Mittelteil des Schwingers kann auch durch eine Verdickung
erzeugt werden, die in entgegengesetzter Richtung zur Aussparung 16 angeordnet ist.
In diesem Fall ist im Ersatzschaltbild die Koppelinduktivität Lk durch eine Koppelkapazität
zu ersetzen.
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In der F i g. 3 ist das Dämpfungsverhalten eines nach der F i g. 1
im Bereich um 6,6 kHz realisierten Schwingers dargestellt. Hierbei ist auf der Ordinate
die Betriebsdämpfung aD in Nepern und auf der Abszisse die Frequenz in kHz aufgetragen.
Wie der F i g. 3 zu entnehmen ist, zeigt der Schwinger das ausgesprochene Tschebyscheff-Verhalten
eines zweikreisigen Bandfilters mit zwei Anpassungspunkten symmetrisch zur Durehlaßmitte.
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In analoger Weise kann ein derartiges Zweikreisfilter auch mit einem
Schwinger mit kreisförmigem Querschnitt realisiert werden, wenn nur darauf geachtet
wird,
daß durch geeignete Anordnung der Einkoppel- und Auskoppelsysteme und durch eine
entsprechendeAnordnung der die Zwischenkopplung bewirkenden Unsymmetrie die beiden
Biegeschwingungen senkrecht zueinander orientiert sind.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist in der F i g. 4 ein Schwinger
mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt, bei dem die Verkopplung verschiedener
Schwingungsformen nicht durch Querschnittsänderungen, sondern durch zylindrische
Zapfen an den Schwingerenden erfolgt. Der Biegeschwinger gemäß der F i g. 4 besteht
hierbei aus drei Stahlteilen 30, 31 und 32, .die durch Abschnitte 34, 35 und Abschnitte
36 und 37 aus piezoelektrischer Keramik miteinander in an sich bekannter
Weise verbunden sind. Als Piezokeramik wird vorteilhafterweise eine Bleikeramik
(Bieizirkonat) verwendet, wie sie z. B. unter dem Handelsnamen PTZ 6 der Firma Clevite
bekannt ist. Den Keramikplättchen ist wiederum .eine durch die Pfeile 38, 39, 40
und 41 angedeutete Polarisation derart aufgeprägt, daß Je zwei zusammengehörende
Keramikabschnitte entgegengesetzte Polarisation aufweisen. Zwischen den Keramikplättchen
34 und 35 liegt der Spalt 42, und die Keramikplättchen 36 und 37 sind derart angeordnet,
daß zwischen ihnen der Spalt 43 verbleibt. Die Anordnung der Keramikplättchen erfolgt
derart, daß die Spalte 42 und 43 aufeinander senkrecht stehen. An den Stahlteilen
30 und 31 sind die Zuführungsleitunaen 44 und 45 und an den Stahlteilen 31 und 32
die Zuführungsleitungen 46 und 47 durch Lötung befestigt. Am Ende des Stahlteiles
30 sind die zylindrischen Zapfen 48 und 49 und am Ende des Stahlteiles 32 die zylindrischen
Zapfen 50 und 51 in der gezeichneten Weise befestigt. Zur Halterung des Schwingers
in einem nicht näher dargestellten Gehäuse sind noch die Drähte 55 und 56 vorgesehen,
die vorteilhafterweise an der Stelle der Schwingungsknoten unter einem Winkel von
45° zu beiden Biegeschwingungen am Schwinger angebracht sind. Bekanntlich sind die
Biege- undTorsions-Resonanzfrequenzen eines mechanischen Resonators von der Schwingerlänge
abhängig. Die Biege-Resonanzfrequenz des kreisförmigen Schwingers hängt noch vom
Schwingerdurchmesser ab. Aus diesem Grund ist es möglich, einen Schwinger so zu
bemessen, daß er bei derselben Frequenz eine Eigenresonanz sowohl für die beiden
Biegeschwingungen als auch für eine Torsionsschwingung besitzt. Bei dem in der F
i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Schwinger nacheinander zu drei
Eigenschwingungen angeregt. Die Anregung einer Biegeschwingung in vertikaler Richtung,
wie durch den Doppelpfeil 52
angedeutet, erfolgt hierbei durch Anlegen einer
Wechselspannung an die Zuführungsdrähte 44 und 45 in der bereits beim Ausführungsbeispiel
der F i g. 1 beschriebenen Weise. Infolge .dieser vertikalen Biegeschwingung wird
durch .die Massenträgheit der an den Schwingerenden angebrachten Zapfen 49 und
50 eine Torsionsschwingung angeregt, da die Zapfen 49 und 50 die Symmetrie
des Schwingers stören. Eine ebensolche Störung der Symmetrie stellen auch die Zapfen
48 und 51 dar, durch die wegen ihrer Massenträgheit aus der Torsionsschwingung heraus
eine weitere Biegeschwingung in horizontaler Richtung angeregt wird, die durch den
Doppelpfeil 53 angedeutet ist. Durch die horizontale Schwingung werden die Keramikplättchen
36 und 37 Dehnungen und Zusammenziehungen unterworfen, so daß wegen des piezoelektrischen
Effektes an den Zuführungsleitungen 46 und 47 eine Wechselspannung abgenommen werden
kann, deren Frequenz der an den Zuführungsleitungen 44 und 45 angelegten Wechselspannung
entspricht. Bei einem symmetrischen Aufbau des Schwingers, d. h. also bei gleicher
Massenverteilung zu einer Symmetrieebene, die senkrecht zur Mittelachse des Schwingers
steht, ist dadurch das Verhalten eines symmetrischen dreikreisigen Bandfilters zu
erreichen.
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Inder F i g. 5 ist das elektrische Ersatzschaltbild des in der F i
g. 4 dargestellten Schwingers gezeigt. Im Längszweig der Schaltung liegen hierbei
die Serienresonanzkreise 60, 61 und 62, die durch die Koppelinduktivitäten Lh
1 und Lk 2 im Querzweig der Schaltung miteinander gekoppelt sind und
deren Resonanzfrequenz ¢,. gleich groß ist. Am Eingang und Ausgang der Schaltung
liegen dieQuerkapazitäten C, und C". Der Serienresonanzkreis 60 wird im Ausführungsbeispiel
gemäß der F i g. 4 durch die dem Doppelpfeil 52 entsprechende vertikale Biegeschwingung
realisiert, der Serienresonanzkreis 61 durch die durch den halbrunden Pfeil
54 angedeutete Torsionsschwingung, und der Serienresonanzkreis 62 entspricht der
durch den Doppelpfeil 53 angedeuteten horizontalen Biegeschwingung. Die Koppelinduktivität
Lk 1 wird durch die Zapfen 49 und 50 und die Koppelinduktivität Lk
2 durch die Zapfen 48 und 51 realisiert. Die Induktivitäten Lt
1 und Lk 2 sind dann gleich groß, wenn die durch die Massenträgheit
der Zapfen 48, 51 und der Zapfen 49, 50 verursachten Unsymmetrien gleich groß sind.
Die Ein- und Auskoppelkapazitäten C, und Ca entsprechen den durch die piezoelektrischen
Anregungssysteme vorgegebenen statischen Kapazitäten.
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Analog zu dem in der F i g. 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht
bei entsprechender Bemessung der Schwinger die Möglichkeit, eine Torsions-oder Längsresonanz
des Schwingers mit einer Oberwellen-Biegeresonanz der horizontalen und/oder vertikalen
Biegeschwingung zu koppeln.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Schwingers ist vor allem
auch darin zu sehen, mehrere erfindungsgemäße Schwinger beispielsweise mechanisch
miteinander zu koppeln, so daß dann ein vierkreisiges Filter mit nur zwei Resonatoren
gemäß der F i g. 1 oder ein sechskreisiges Filter mit nur zwei Resonatoren gemäß
der F i g. 2 realisierbar ist.