DE1265887B

DE1265887B - Elektromechanisches Filter

Info

Publication number: DE1265887B
Application number: DES93268A
Authority: DE
Inventors: Hans Albsmeier; Dipl-Phys Alfhart Guenther
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-01-30
Filing date: 1964-09-21
Publication date: 1968-04-11
Also published as: GB1074292A; NL143393B; DE1236684B; DE1260650B; DE1265888B; DK131360C; NL6501003A; SE330576B; US3369200A; BE659060A; DK131360B; DE1275700B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03h

Deutsche Kl.: 21g-34

Nummer: 1265 887

Aktenzeichen: S 93268IX d/21 g

Anmeldetag: 21. September 1964

Auslegetag: 11. April 1968

Die Erfindung betrifft ein elektromechaniscb.es Filter aus wenigstens zwei, durch ein Koppelorgan miteinander gekoppelten, Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren und Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen bzw. zum Übergang von den mechanischen auf die elektrischen Schwingungen, bei dem die Abmessungen der Resonatoren derart gewählt sind, daß zwei zueinander senkrechte Biege-Eigenschwingungen zumindest näherungsweise bei der gleichen Frequenz auftreten, bei dem die Resonatoren mit einer Unsymmetrie versehen sind, durch die die Kopplung der in dem jeweiligen Resonator auftretenden Biege-Eigenschwingungen in vorgegebenem Maß erfolgt, und bei dem das Koppelorgan im Bereich eines den Biege-Eigenschwingungen entsprechendem Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt ist und zwei voneinander unterschiedliche Schwingungen ausführt, von denen eine in an sich bekannter Weise in der elektrischen Wirkungsweise unmittelbar aufeinanderfolgende Biege-Eigenschwingungen unterschiedlicher Resonatoren koppelt, während die Kopplung der diesen Biege-Eigenschwingungen in der elektrischen Wirkungsweise unmittelbar vorhergehenden bzw. nachfolgenden Biege-Eigenschwingungen unterschiedlicher Resonatoren über die zweite im Koppelorgan auftretende Schwingung erfolgt, nach Patent 1 236 684.

Im Hauptpatent sind mechanische Filter angegeben, die mit Hilfe von Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren aufgebaut sind. Die Schwingungsanregung der Endresonatoren erfolgt durch elektrostriktiv wirkende Wandlerelemente. Die einzelnen Resonatoren sind untereinander durch Koppelstege gekoppelt, die im Bereich eines den Biegeschwingungen entsprechenden Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt sind. Durch eine doppelte Ausnutzung sowohl der einzelnen Resonatoren als auch der Koppelelemente lassen sich mit den im Hauptpatent angegebenen mechanischen Filtern n-kreisige Bandfilter mit nur n/2 Resonatoren aufbauen, wobei gleichzeitig mehrere Dämpfungspole erzielbar sind, deren Frequenzlage in weiten Grenzen frei wählbar ist. Bei solchen mechanischen Filtern, bei denen zumindest ein Dämpfungspol in einem nur sehr geringen Abstand vom Filterdurchlaßbereich liegen soll, sind die im Hauptpatent angegebenen Anordnungen insofern noch nicht völlig befriedigend, als nämlich die Koppelelemente zum Teil verhältnismäßig kleine mechanische Abmessungen annehmen müssen, deren genaue Einhaltung fertigungstechnische Schwierigkeiten mit sich brächte.

Elektromechanisches Filter

Zusatz zum Patent: 1 236 684

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Hans Albsmeier, 8000 München;

Dipl.-Phys. Alfhart Günther, 8013 Haar

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Hauptpatent angegebenen Filteranordnungen vor allen Dingen hinsichtlich der leichten mechanischen Herstellbarkeit der Koppelelemente insbesondere bei solchen mechanischen Filtern noch zu verbessern, bei denen die Dämpfungspole dem Durchlaßbereich verhältnismäßig eng benachbart sind.

Von den im Hauptpatent angegebenen mechanischen Filtern ausgehend, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Koppelorgan aus zwei miteinander zusammenwirkenden, U-förmig ausgebildeten einzelnen Abschnitten besteht und daß das Koppelorgan derart an den einzelnen Resonatoren befestigt ist, daß die, vom U gebildete Ebene senkrecht auf den Schwingungsebenen der Resonatoren steht.

Es ist ferner daran gedacht, das Koppelorgan doppel-U-förmig auszubilden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Koppelorgan aus einem Draht mit kreisförmiger Querschnittsfläche besteht oder wenn das Koppelorgan aus mehreren Drähten mit unterschiedlicher kreisförmiger Querschnittsfläche besteht und wenn je zwei zueinander parallellaufende Drähte die gleiche Querschnittsfläche haben. Vorteilhaft lassen sich die einzelnen Abschnitte des Koppelorgans mit rechteckförmiger Querschnittsfläche ausbilden. Das Koppelorgan kann auf die Resonatoren aufgesetzt sein, oder es kann rahmenartig ausgebildet und vorzugsweise an einander zugewandten Oberflächen zweier benachbarter Resonatoren befestigt sein.

An Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachstehend noch näher erläutert.

809 538/431

In der F i g. 1 ist ein mechanisches Filter gezeigt, das aus zwei mechanischen Resonatoren 5 und 6 besteht, die über die Koppelorgane 7 und 7' miteinander gekoppelt sind. Die Koppelorgane 7 und T sind beispielsweise durch Lötung unmittelbar auf die Oberflächen der Resonatoren 5 und 6 aufgesetzt. Die Resonatoren haben im wesentlichen quadratischen Querschnitt und sind entlang einer Längskante mit den Abplattungen 10 versehen. Die Koppelorgane 7 und 7' bestehen aus einem Draht mit kreisförmigem Querschnitt, der in Form eines U gebogen ist. Die Schenkel des U-förmigen Koppelorgans sind mit den Bezugsziffern 8 und die Grundlinien mit den Bezugsziffern 9 versehen. In den den Biegeschwingungen entsprechenden Schwingungsknoten sind Haltedrähte 13 befestigt, die der Verankerung des Filters in einem nicht näher dargestellten Gehäuse dienen.

Im Hauptpatent sind bereits elektrostriktiv wirkende Wandlersysteme angegeben, mit deren Hilfe der sogenannte direkte piezoelektrische Effekt zur Anregung von Biegeschwingungen ausgenutzt werden kann. Es sei angenommen, daß die beiden Resonatoren 5 und 6 mit derartigen Wandlerelementen versehen seien und daß am Wandlerelement des Resonators 5 eine Eingangswechselspannung angelegt sei, so daß am Wandlerelement des Resonators 6 eine Ausgangswechselspannung abgenommen werden kann. Das der Schwingungsanregung dienende Wandlersystem ist derart in den Resonator 5 eingebracht, daß eine Biegeschwingung in Richtung des Doppelpfeiles 1 entsteht. Die als Unsymmetrie wirkende Abplattung 10 hat zur Folge, daß zusätzlich eine in Richtung des Doppelpfeiles 2 verlaufende Biegeschwingung angeregt wird, die senkrecht zu der in Richtung des Doppelpfeiles 1 verlaufende Schwingung steht. Die Abplattung 10 wirkt somit als Koppelelement, das die beiden aufeinander senkrecht stehenden Biegeschwingungen 1 und 2 im Resonator 5 miteinander verkoppelt. Die in Richtung des Doppelpfeiles 2 verlaufende Biegeschwingung wird durch die Koppelorgane 7 und T auf den Resonator 6 übertragen und regt dort die in Richtung des Doppelpfeiles 3 verlaufende Biegeschwingung an. Da der Resonator 6 ebenfalls mit einer seine Symmetrie störenden Abplattung 10 versehen ist, wird in der bereits beschriebenen Weise eine in Richtung des Doppelpfeiles 4 verlaufende Biegeschwingung angeregt, die senkrecht zu der in Richtung des Doppelpfeiles 3 verlaufenden Schwingung steht. Das nicht näher gezeichnete elektrostriktive Wandlersystem ist derart in den Resonator 6 eingebracht, daß die von ihm erzeugte elektrische Wechselspannung durch die in Richtung des Doppelpfeiles 4 verlaufende Biegeschwingung hervorgerufen wird. Bei der Verkopplung der Schwingungsmoden 2 und 3 werden die mit 8 bezeichneten Abschnitte der Koppelorgane im wesentlichen auf Biegung beansprucht, d. h., sie wirken als Biegekoppler, während die mit 9 bezeichneten Abschnitte im wesentlichen auf Zug bzw. Druck beansprucht werden, d. h., sie wirken als Längskoppler.

Gleichzeitig werden auch die Schwingungsmoden 1 und 4 über die Koppelorgane 7 und T miteinander verkoppelt. Dabei werden jedoch die Abschnitte 8 im wesentlichen auf Zug bzw. Druck beansprucht, während die Abschnitte 9 im wesentlichen auf Biegung beansprucht werden, d. h., bei einer Verkopplung der Schwingungsmoden 1 und 4 wirken die Abschnitte 8 als Längskoppler und gleichzeitig wirkea die Abschnitte 9 als Biegekoppler. Bei der Verkopplung der Schwingungsmoden 1 und 4 werden die Schwingungsmoden 2 und 3 übersprungen. Diese zusätzliche Verkopplung zweier nicht unmittelbar aufeinanderfolgender Schwingungen hat zwei Dämpffungspole im Sperrbereich des Filters zur Folge, von denen der eine unterhalb und der andere oberhalb des Filterdurchlaßbereiches liegt. Das Zustandekommen der Dämpfungspole sowie das elektrische Ersatzschaltbild eines derartigen Filters sind im Hauptpatent bereits eingehend erläutert worden.

Die Bandbreite des Filters wird erheblich von der Größe des Koppelfaktors beeinflußt, mit dem die aufeinanderfolgenden Schwingungen 2 und 3 miteinander gekoppelt sind. Dieser Koppelfaktor sei mit Ar₂₃ bezeichnet. Der Abstand der Dämpfungspole vom Durchlaßbereich des Filters wird im wesentlichen von der Größe des Koppelfaktors bestimmt, mit dein die Schwingungsmoden 1 und 4 miteinander gekoppelt sind. Dieser Koppelfaktor sei mit k_u bezeichnet Da die Größe des Koppelfaktors k_2S von der Längskopplung der Abschnitte 9 und der Biegekopplung der Abschnitte 8 bestimmt wird, während der Koppel- faktork_u von der Längskopplung der Abschnittes und der Biegekopplung der Abschnitte 9 bestimmt wird, läßt sich die Größe dieser beiden Koppelfaktoren in weiten Grenzen durch die Wahl der Länge und der Querschnittsfläche der einzelnen A^bschnitte 8 und 9 variieren. Da die Koppelorgane 7 und T im Bereich des Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt sind, sind sowohl die Biegeais auch die Längskopplung außerordentlich wirksam, so daß schon bei kleinen Querschnittsflächen der Koppelorgane ausreichende Kopplungen zu erzielen sind.

Die elektrische Wirkungsweise des in der Fig: 2 gezeichneten Filters stimmt im wesentlichen mit der des in der F i g. 1 dargestellten Filters überein. Hinsichtlich des mechanischen Aufbaus unterscheiden sie sich lediglich durch die Ausbildung der Koppelorgane 7 und T, die beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 aus mehreren Drähten mit unterschiedliclier kreisförmiger Querschnittsfläche bestehen. Dabei haben beispielsweise jeweils zwei zueinander parallel verlaufende Drähte die gleiche Querschnittsfläche. Zweckmäßig werden die unmittelbar auf die Resonatoren aufgesetzten Abschnitte 8 und 8' mit dem größeren Querschnitt versehen, wodurch gleichzeitig die Biegekomponente im Koppelfaktor k₂₃ vergrößert wird.

Für die fertigungstechnische Herstellung des Koppelorgans ist es besonders einfach, wenn für die einzelnen vom U gebildeten Abschnitte ein rechteckförmiger Querschnitt gewählt wird, da sich ein derartiges Koppelorgan aus einem Blech stanzen läßt. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist hl der F i g. 3 schematisch angedeutet.

Die elektrische Wirkungsweise des in der Fig. 4 dargestellten Filters entspricht ebenfalls der des in der Fig. 1 gezeichneten Filters. Der mechanische Aufbau beim Ausführungsbeispiel der F i g. 4 ist jedoch so gewählt, daß die beiden U-förmigen Abschnitte des Koppelorgans 12 unmittelbar miteinander verbunden sind, so daß ein rahmenartiger Aufbau entsteht. Die Resonatoren 5 und 6 sind z. B. an den einander zugewandten Flächen am Koppelorgan 12 befestigt. Der Abstand der Dämpfungspole sowie

die Filterbandbreite lassen sich ähnlich der Ausführungsbeispiele der F i g. 1 und 2 durch entsprechende Bemessung der einzelnen Abschnitte variieren. Die in den F i g. 1, 2 und 4 gezeigten Koppelorgane sind als Doppel-U ausgebildet. Ähnliche elektrische Verhältnisse lassen sich auch dann erzielen, wenn die einzelnen Resonatoren nur durch ein U-förmig ausgebildetes Koppelorgan miteinander verbunden sind.

Claims

Patentansprüche: IO

1. Elektromechanisches Filter, bestehend aus wenigstens zwei, durch ein Koppelorgan miteinander gekoppelten, Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren und Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen bzw. zum Übergang von den mechanischen auf die elektrischen Schwingungen, bei dem die Abmessungen der Resonatoren derart gewählt sind, daß zwei zueinander senkrechte Biege-Eigenschwingungen zumindest näherungsweise bei der gleichen Frequenz auftreten, bei dem die Resonatoren mit einer Unsymmetrie versehen sind, durch die die Kopplung der in dem jeweiligen Resonator auftretenden Biege-Eigenschwingungen in vorgegebenem Maß erfolgt, und bei dem das Kopplungsorgan im Bereich eines den Biege-Eigenschwingungen entsprechendem Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt ist und zwei voneinander unterschiedliche Schwingungen ausführt, von denen eine in an sich bekannter Weise in der elektrischen Wirkungsweise unmittelbar aufeinanderfolgende Biege-Eigenschwingungen unterschiedlicher Resonatoren koppelt, während die Kopplung der diesen Biege-Eigenschwingungen in der elektrischen Wirkungsweise unmittelbar vorhergehenden bzw. nachfolgenden Biege-Eigenschwingungen unterschiedlicher Resonatoren über die zweite im Koppelorgan auftretende Schwingung erfolgt, nach Patent 1236 684, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelorgan (7) aus zwei miteinander zusammenwirkenden, U-förmig ausgebildeten einzelnen Abschnitten (8, 9) besteht und daß das Koppelorgan (7) derart an den einzelnen Resonatoren (5, 6) befestigt ist, daß die vom U gebildete Ebene senkrecht auf den Schwingungsebenen (1, 2, 3, 4) der Resonatoren (5, 6) steht.

2. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelorgan (7) doppel-U-förmig ausgebildet ist.

3. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelorgan (7) aus einem Draht mit kreisförmiger Querschnittsfläche besteht.

4. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelorgan (7) aus mehreren Drähten (8', 9') mit unterschiedlicher kreisförmiger Querschnittsfläche besteht und daß je zwei zueinander parallellaufende Drähte (8' bzw. 9') die gleiche Querschnittsfläche haben.

5. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Abschnitte des Koppelorgans (7) rechteckförmigen Querschnitt haben (F i g. 3).

6. Elektromechanisches Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelorgan (7) auf die Resonatoren (5, 6) aufgesetzt ist.

7. Elektromechanisches Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelorgan (12) rahmenartig ausgebildet und vorzugsweise an den einander zugewandten Oberflächen zweier benachbarter Resonatoren (S, 6) befestigt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 538/431 4.68

ι Bundesdruckerei Berlin