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Bandsperre für elektrische Schwingungen Die Erfindung betrifft eine
Bandsperre für elektrische Schwingungen nach Art einer Brückenschaltung, in deren
Längszweig eine Spule und die Serienschaltung einer weiteren Spule mit einem elektromechanischen
Schwinger, vorzugsweise einem Schwingquarz, parallel geschaltet sind und deren Diagonalzweig
aus der Serienschaltung eines Kondensators mit einem Parallelresonanzkreis besteht.
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Zum Aufbau schmalbandiger Quarzbandsperren wird in der Regel eine
Brückenschaltung bzw. die dazu äquivalente Differential-T-Schaltung verwendet, die
der Dämpfungsklasse a und der Wellenwiderstandsklasse 1 angehört und dementsprechend
den kleinstmöglichen Aufwand erfordert, nämlich einen Quarz im Längszweig und eine
Induktivität im Diagonalzweig der Brückenschaltung. Die Bezeichnung für die Dämpfungs-
und Wellenwiderstandsklassen ist identisch mit der von C a u e r in dem Buch »Theorie
der linearen Wechselstromschaltungen«, Leipzig 1941, gegebenen Klassifizierung.
Zur praktischen Realisierung wird zumeist die Differential-T-Schaltung verwendet.
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Die Dif%rentialdrossel wird üblicherweise hierbei als Differentialübertrager
ausgebildet, der zur Anpassung der Quarzimpedanz an die üblichen Abschlußwiderstände
dient. Zur Berechnung derartiger Schaltungen wird hierbei der Differentialübertrager
als ideal angenommen. Die endlichen Impedanzen eines realen Übertragers - d. h.
die Tatsache, daß die Hauptinduktivität nicht den Wert Unendlich hat und die Streuinduktivität
nicht den Wert Null - haben zur Folge, daß bei tiefen und bei hohen Frequenzen weitere
mehr oder weniger ausgeprägte Sperrbereiche entstehen, die sich in der Betriebs-
und Reflexionsdämpfung dann störend bemerkbar machen, wenn die Durchlaßbereiche
der Bandsperre sehr breit sein müssen.
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Es sind ferner Schaltungen bekannt, die der Dämpfungsklasse b und
der Wellenwiderstandsklasse 2 angehören und die bei Betrachtung als Brückenschaltung
in ihrem Längszweig die Parallelschaltung eines Quarzes mit einer Induktivität und
in ihrem Diagonalzweig einen Serienresonanzkreis aufweisen. Diese Schaltungen haben
jedoch den Nachteil, daß sie praktisch nur schwer realisierbar sind, da die Induktivität
des im Diagonalzweig angeordneten Serienschwingkreises ungefähr die gleiche Größe
haben muß wie die ersatzschaltbildmäßige Induktivität des Schwingquarzes. Derartig
große Induktivitätswerte lassen sich in der Praxis in Form von Spulen kaum realisieren.
Außerdem sind die Konstanz und die Güte der im Diagonalzweig angeordneten Schaltelemente
im Vergleich zum Schwingquarz wesentlich geringer, so daß die Realisierung derartiger
Bandsperren der Klasse b 2 auch in dieser Hinsicht erhebliche Schwierigkeiten bereitet.
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Durch einen Aufsatz von Z o b e 1 in der Zeitschrift »The Bell System
Technical Journal«, Juli 1928, ist es an sich bekannt, durch die Kettenschaltung
einfacherer Allpaßglieder Allpässe höherer Ordnung zu gewinnen. Dieser Aufsatz befaßt
sich jedoch lediglich mit der Ausgestaltung von Allpässen, so daß sich ein Hinweis
auf die besondere Ausbildung von Bandsperrenschaltungen dort nicht findet. Es sind
ferner durch die Zeitschrift »Cäbles et Transmission«, Juli 1955, Bandsperrenschaltungen
höherer Ordnung bekanntgeworden, bei denen jedoch eine andersartige Abstimmung als
beim Erfindungsgegenstand vorliegt. Für schmale Quarzbandsperren sind diese bekannten
Schaltungen überdies aus folgenden Gründen praktisch unbrauchbar. Es ist nämlich
im allgemeinen kein besonderes Problem, Bandsperrenschaltungen zu finden, in denen
eine dem elektrischen Ersatzschaltbild eines Schwingquarzes entsprechende Schaltungsstruktur
auftritt. Eine erhebliche Schwierigkeit ist jedoch darin zu sehen, eine solche Schaltung
zu finden, in der das für Schwingquarze erforderliche Kapazitätsverhältnis vorliegt
und bei der darüber hinaus noch die weitere wichtige Forderung erfüllt wird, daß
die Spulen und Kondensatoren in ihren Induktivitäts- bzw. Kapazitätswerten so dimensioniert
sind, daß ihre gegenüber dem Schwingquarz wesentlich schlechtere Konstanz,
Toleranz
und Güte die praktische Verwendbarkeit der Schaltung nicht gefährden oder gegebenenfalls
sogar unmöglich machen.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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Die F i g. 1 zeigt eine bekannte Bandsperrenschaltung in den drei
möglichen äquivalenten Formen. Die Brückenschaltung gemäß der F i g. 1 a hat in
ihrem Längszweig eine Induktivität L1, der - ein Schwingquarz parallel geschaltet
ist. Der Schwingquarz ist hierbei durch sein Ersatzschaltbild, nämlich durch die
Elemente Lq, Cq und Cl, dargestellt. Im Diagonalzweig ist ein Serienschwingkreis
mit den Elementen L, und CZ angeordnet. Für den Reaktanzverlauf der einzelnen Brückenzweige
ergeben sich unter anderem die in den F i g. 2 und 3 dargestellten Möglichkeiten.
Der Reaktanzverlauf des Längszweiges ist mit XI, der des Diagonalzweiges ist mit
X2 bezeichnet und gestrichelt dargestellt. Für den Reaktanzverlauf X2 des Diagonalzweiges
besteht die Möglichkeit, die Serienresonanzfrequenz gleich oder annähernd gleich
mit einer oberhalb des Sperrbereiches gelegenen Parallelresonanzfrequenz «)+a des
Längszweiges zu wählen (F i g. 2). In ähnlicher Weise kann die Serienresonanzfrequenz
des Diagonalzweiges mit einer unterhalb des Sperrbereiches gelegenen Parallelresonanzfrequenz
c)_« des Längszweiges genau oder annähernd zusammenfallen (F i g. 3). Der Sperrbereich
liegt zwischen den beiden Grenzfrequenzen co-, und o% in dem Bereich des Reaktanzdiagramms,
in dem die Blindwiderstände des Längs- und des Diagonalzweiges gleiches Vorzeichen
aufweisen. An der Stelle a)". tritt ein Dämpfungspol auf.
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Wie bereits erwähnt, ist die Schaltung nach F i g. 1 mit der in den
F i g. 2 und 3 gezeigten Bemessung an sich zwar bekannt. Wie sich zeigt, hat diese
Schaltung eine Reihe von Vorteilen, die bislang offensichtlich nicht erkannt wurden
und demzufolge in der Literatur nicht erwähnt sind.
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Für die Praxis ist es nämlich günstig, die Resonanzpunkte co+a und
a)-" in einer geeigneten Entfernung vom Sperrbereich vorzusehen. Hierdurch läßt
sich die Induktivität L2 des Diagonalzweiges, die ebenso wie die übrigen Schaltelemente
eine Funktion von co+a und co-" ist, in handlicher Form technisch verwirklichen.
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Außerdem ist durch die Wahl der Resonanzpunkte co+a bzw.co_a die Möglichkeit
gegeben, dasVerhältnis von dynamischer Quarzkapazität Cq zur statischen Kapazität
Cl besonders günstig zu wählen.
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Die Bandsperrenschaltung nach der F i g. 1 ist außerdem verhältnismäßig
unempfindlich gegenüber Nebenresonanzen der Quarze. Fällt nämlich eine solche Nebenresonanzfrequenz
in den Durchlaßbereich der Bandsperre, so entsteht nochmals ein schmaler Sperrbereich,
dessen Dämpfungsspitze den Wert ab@nax hat, wobei folgende Beziehung gilt:
Hierbei bedeutet '. X2 den Blindwiderstand des Brückendiagonalzweiges bei der Nebenresonanzfrequenz
con, Rn den Nebenresonanzwiderstand des Quarzes und R den Abschlußwiderstand der
Sperre. Um abmax möglichst klein zu halten, müssen also Rn und X. möglichst groß
sein. Für die bisher üblichen Schaltungen kann diese Nebenresonanzspitze nur unschädlich
gemacht werden, wenn es gelingt, R.. genügend groß zu machen, d.h. die Quarznebenresonanz
genügend stark zu bedämpfen, ohne dabei gleichzeitig die Hauptresonanz zu beeinträchtigen.
Bei der erfindungsgemäßen Bandsperre hingegen besteht die Möglichkeit, allein durch
geeignete Wahl des Blindwiderstandes X2 die Nebenresonanz weitgehend unschädlich
zu machen.
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Ein Vorteil dieser Dimensionierung ist vor allem darin zu sehen, daß
die zum Quarz parallelliegende Induktivität L,. (s. F i g. l a) die Möglichkeit
gibt, bei der Umformung der Brückenschaltung in die äquivalente Differential-T-Schaltung
gemäß den F i g. 1 b bzw. 1 c die endliche Hauptinduktivität der Differentialdrossel
bzw. des Differentialübertragers exakt zu berücksichtigen. Der Differentialübertrager
D, der gegebenenfalls zugleich zur Anpassung der Impedanz des Quarzes Q an die Abschlußwiderstände
dient, braucht nunmehr kein idealer Übertrager zu sein, sondern kann die endlichen
Induktivitäten
L1 zu beiden Seiten des Anzapfungspunktes A und die endliche Induktivität
auf der hochohmigen Seite haben. Durch die Einbeziehung der endlichen Hauptinduktivitäten
ist somit der Frequenzgang des Differentialübertragers bereits beim theoretischen
Entwurf der Schaltung berücksichtigt, und es können daher breitere Durchlaßbereiche
beherrscht werden. Beim praktischen Aufbau der Bandsperre ist es wie üblich zweckmäßig,
dem Quarz Q einen Abgleichkondensator Ct parallel zu schalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs bei Bandsperren
der Dämpfungsklasse a und der Wellenwiderstandsklasse 1 bzw. der Dämpfungsklasse
b und der Wellenwiderstandsklasse 2 bereits geschilderten Schwierigkeiten in verhältnismäßig
einfacher Weise zu umgehen und andererseits die Vorteile, die die Schaltung nach
den F i g. 1 bis 3 bietet, auch solchen Quarzbandsperren zugänglich zu machen, bei
denen der Grad der Brückenreaktanzen gegenüber der Schaltung nach F i g. 1 je um
Eins erhöht ist.
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Ausgehend von einer Bandsperre für elektrische Schwingungen nach Art
einer Brückenschaltung, in deren Längszweig eine Spule und die Serienschaltung einer
weiteren Spule mit einem elektromechanischen Schwinger, vorzugsweise einem Schwingquarz,
parallel geschaltet- sind und deren Diagonalzweig aus der Serienschaltung eines
Kondensators mit einem Parallelresönanzkreis besteht, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Schaltelemente des Längszweiges sowie die Schaltelemente
des Diagonalzweiges derart bemessen sind, daß eineParallelresonanz des Längszweiges
und eine Serienresonanz des Diagonalzweiges zumindest näherungsweise bei einer gleichen
Frequenz auftreten, daß eine Serienresonanz des Längszweiges und eine Parallelresonanz
des Diagonalzweiges zumindest näherungsweise bei einer gleichen Frequenz auftreten
und daß diese Frequenzen außerhalb des Sperrbereiches der Bandsperre liegen.
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In der Praxis ist insbesondere daran gedacht, an Stelle der Brückenschaltung
die äquivalente Differential-
T-Schaltung zu verwenden. Hierbei
ist es vorteilhaft, wenn der Streugrad des Differentialübertragers gleich ist dem
Verhältnis L,' : (L, +L,'), wenn L1' die dem mechanischen Schwinger in Serie
vorgeschaltete und L, die dieser Serienschaltung parallelgeschaltete Induktivität
der der Differential-T-Schaltung äquivalenten Brückenschaltung bedeutet.
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Die F i g. 4 zeigt eine Fortbildung der Schaltung nach F i g.1, die
es gestattet, auch die Streuinduktivität des Differentialübertragers exakt zu berücksichtigen.
Gegenüber der Schaltung nach der F i g. 1 ist hierbei der Grad der Brückenreaktanzen
je um Eins erhöht, d. h., im Längszweig der Brückenschaltung (F i g. 4a) kommt eine
weitere Induktivität L1' hinzu, die in Serie zum Schwingquarz liegt. Der Diagonalzweig
der Brücke wird um die Kapazität C2' erweitert, so daß der Diagonalzweig aus der
Serienschaltung einer Kapazität C2 und eines Parallelresonanzkreises mit den Schaltelementen
Lz und C2 besteht. Die zur Brückenschaltung der F i g. 4a äquivalenten Differential-T-Glieder
sind in den F i g. 4b und 4c dargestellt.
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Der Reaktanzverlauf der Brückenzweige ist in den F i g. 5 bis 7 gezeichnet,
wobei X, den Reaktanzverlauf des Längszweiges, X2 den Reaktanzverlauf des Diagonalzweiges
darstellt. Entsprechend der erfindungsgemäßen Dimensionierung sind drei verschiedene
vorteilhafte Möglichkeiten gegeben, zwei Paare komplementärer Resonanzfrequenzen
im Reaktanzdiagramm anzuordnen, d. h. Serien- bzw. Parallelresonanzpunkte des Längszweiges
mit Parallel- bzw. Serienresonanzpunkten des Diagonalzweiges zumindest näherungsweise
zur Deckung zu bringen.
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In der F i g. 5 liegen bei der Frequenz oja eine Serienresonanz des
Diagonalzweiges und eine Parallelresonanzfrequenz des Längszweiges, bei der Frequenz
coß eine Parallelresonanzfrequenz des Diagonalzweiges und eine Serienresonanz des
Längszweiges. Für die Erfindung ist hierbei wesentlich, daß die beiden Frequenzpunkte
coa und coß außerhalb des Sperrbereiches der Bandsperre liegen, da es erst durch
diese Dimensionierung möglich wird, die Induktivität L2 in einer technisch handlichen
Form durch eine Spule darzustellen. Ähnliche Verhältnisse sind auch bei der Dimensionierung
gemäß den F i g. 6 und 7 gegeben. Bei der F i g. 6 sind die Resonanzpunkte, bei
denen Serien- bzw. Parallelresonanzen der einzelnen Brückenzweige zumindest näherungsweise
zusammenfallen, mit W_ a und «)+a bezeichnet. Wie der F i g. 6 zu entnehmen
ist, liegt die Resonanzstelle co-" unterhalb, die Resonanzstelle o-)+
a oberhalb des Sperrbereiches der Bandsperre. Im keaktanzdiagramm der F i
g. 7 treten ebenfalls zwei Resonanzstellen auf, bei denen Serien- und Parallelresonanzen
der einzelnen Zweige wenigstens näherungsweise zusammenfallen. Diese Frequenzpunkte
sind mit co_ ß und co_ a bezeichnet, und die Dimensionierung der Schaltelemente
ist derart gewählt, daß die beiden Resonanzstellen c)_ ß und «)-" unterhalb des
Sperrbereiches der Bandsperre liegen. Durch die Freiheit in der Wahl der Resonanzpunkte
coa und aoß bzw. &)- " und co_ ß ist die Möglichkeit gegeben, mit geringen Konstanz-
und Güteansprüchen an die Spulen und Kondensatoren auszukommen. Außerdem hat man
die Möglichkeit, ein mit Quarzen günstig zu realisierendes Kapazitätsverhältnis
Cq : Cl zu schaffen und im Gebiet eventuell vorhandener Quarznebenresonanzen
einen hohen Wert des Diagonalblindwiderstandes X2 zu erreichen und damit die Nebenresonanzen
weitgehend unschädlich zu machen. Bei den Ausführungen gemäß den F i g. 5 bis 7
ist durch geeignete Wahl der Punkte co +a , co_ a und a)ß auch dieGröße
der Quarzinduktivität günstig zu beeinflussen. In den F i g. 5 bis 7 ist auf der
Abszisse noch die Lage des Dämpfungspols (c)".) und der Quarzserienresonanz (coq)
angegeben.
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Für die Umformung in die äquivalente Differential-T- Schaltung gemäß
der F i g. 4c ergibt die genannte Wahl der Resonanzstellen co, und a)ß
bzw. o)-. und c)_ ß die Möglichkeit, das Induktivitätsverhältnis L,'
: (L, + L,') gleich dem Streugrad ß des Differentialübertragers zu wählen.
Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn folgende Beziehungen gelten:
Die in der F i g. 4c mit B bezeichnete Induktivität kann dann beim praktischen Aufbau
eingespart werden. Auch die Hauptinduktivitäten können wiederum endliche Werte,
nämlich
zu beiden Seiten des Anzapfungspunktes A und
auf der hochohmigen Seite des Differentialübertragers haben.