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Elektromechanisches Bandfilter Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches
Bandfilter, bei dem mehrere Biegeschwingungen ausführende mechanische Resonatoren
über wenigstens ein Längsschwingungen ausführendes Koppelelement miteinander gekoppelt
sind, das im Bereich des der Biegeschwingung entsprechenden Schwingungsbauches an
den einzelnen Resonatoren befestigt ist, und bei dem die Endresonatoren mit elektromechanischen
Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen versehen
sind.
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Zur Realisierung frequenzselektiver Anordnungen werden häufig elektromechanische
Filter verwendet, da sie wegen der hohen mechanischen Güte der einzelnen Resonatoren
und wegen des geringen Raumverbrauches günstige Eigenschaften haben. Es sind deshalb
bereits eine Reihe verschiedenartiger Filtertypen bekanntgeworden, bei denen je
nach Lage des Frequenzbereiches bzw. je nach der Art der Anwendung verschiedenartige
mechanische Schwingungsformen ausgenutzt werden. So ist auch bereits gezeigt worden,
Biegeschwingungen ausführende Resonatoren über Längsschwingungen ausführende Koppelelemente
miteinander zu koppeln. Die Bandbreite derartiger Filter wird dabei im wesentlichen
von der Stärke der Verkopplung der einzelnen Resonatoren bestimmt. Wenn beispielsweise
solche Filter auf Grund der gestellten Anforderungen Bandbreiten von etwa 3 % oder
weniger der Durchlaßmittenfrequenz haben sollen oder wenn die Biegeschwinger zur
Miniaturisierung des Filters mit verhältnismäßig kleinen Abmessungen gewählt werden,
dann werden die Querschnitte der Koppelelemente so gering, daß die zur Ausbildung
einer einwandfreien Längskopplung gestreckte Form des Kopplers nicht mehr gewährleistet
ist, so daß dann die Kopplung beispielsweise durch Knicken oder Ausbiegen des Koppelelements
gestört ist.
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Bei Verwendung stärkerer, gegebenenfalls seitlich gegen das Schwingungsmaximum
am Biegeschwinger versetzter Koppler wird zwar das Knicken oder Ausbiegen weitgehend
vermeiden, doch treten dann zum Teil unerwünschte zusätzliche Kopplungen ein. Ein
ähnliches Problem ist auch für Bandbreiten größer als 3 % gegeben.
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Es ist durch die deutsche Patentschrift 1100 834 bereits ein elektromechanisches
Randfilter mit Biegeschwingungen ausführenden Resonatoren bekannt, die über Längsschwingungen
ausführende Koppelelemente miteinander gekoppelt sind. Es lassen sich dieser Patentschrift
jedoch keine Hinweise darüber entnehmen, wie bei verhältnismäßig dünnen Koppelelementen
die einwandfrei gestreckte Form des Koppelelements erhalten werden kann.
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Ferner ist ein mechanisches Filter bekanntgeworden, das aus zueinander
parallel angeordneten plattenförmigen Resonatoren besteht, die an den Plattenrändern
durch Koppelelemente miteinander verbunden sind. Auch bei diesem Filter sind die
einzelnen Koppeldrähte in sich verhältnismäßig steif, da sie in der Lage sein müssen,
das aktive Filter federnd an inaktiven Endscheiben aufzuhängen, die zwischen dem
schwingenden und dem ruhenden Teil des Filters liegen.
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Durch die USA.-Patentschrift 1933 306 ist weiterhin ein mechanisches
Filter bekanntgeworden, das in einem Frequenzanalysator verwendet wird. Wesentlich
für dieses Filter ist es, daß als schwingende Elemente Torsionsresonatoren verwendet
werden, die über verhältnismäßig dünne, als Längskoppler wirkende Drähte miteinander
verbunden sind. Bei dieser bekannten Anordnung sind jedoch zwei zueinander parallel
verlaufende Koppeldrähte vorgesehen, die jeweils tangential an den Torsionsresonatoren
angreifen. Auf diese Weise braucht beim Schwingungsvorgang der einzelne Kopplungsdraht
keine Druckkomponenten zu übertragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die einleitend geschilderten
Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu umgehen, so daß Längsschwingungen
ausführende Koppelelemente auch dann noch für die Übertragung von Schwingungen eingesetzt
werden können, wenn die Querschnittsfläche dieser Koppelelemente so gering sein
muß, daß die bei der Schwingung auftretenden Druckkomponenten normalerweise nicht
mehr übertragen werden könnten.
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Ausgehend von einem elektromechanischen Bandfilter, bei dem mehrere
Biegeschwingungen ausführende
mechanische Resonatoren über wenigstens
ein Längsschwingungen ausführendes Koppelelement miteinander gekoppelt sind, das
im Bereich des der Biegeschwingung entsprechenden Schwingungsbauches an den einzelnen
Resonatoren befestigt ist, und bei dem die Endresonatoren mit elektromechanischen
Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen versehen
sind, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Koppelelement in
an sich bekannter Weise derart mechanisch vorgespannt ist, daß die mechanische Vorspannung
innerhalb des Elastizitätsbereiches des für das Koppelelement verwendeten Materials
liegt, und daß die mechanische Vorspannung größer ist als die maximal bei der Verkopplung
der Biegeschwingungen im Koppelelement auftretende Druckkomponente.
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Vorteilhaft kann dabei das Koppelelement zwischen den sich in Schwingungsrichtung
erstreckenden, von den Resonatoren gebildeten Begrenzungsebenen an den Resonatoren
befestigt sein, oder es kann das Koppelelement aus wenigstens einem sich in der
Schwingungsebene erstreckenden "durchgehenden Koppeldraht bestehen, der an den in
der Schwingungsebene liegenden Flächen der einzelnen Resonatoren befestigt ist.
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Zur einfachen Befestigung der Koppeldrähte an den Resonatoren ist
es günstig, wenn einzelne Flächen der einzelnen Resonatoren an den für die Verankerung
der Koppelelemente vorgesehenen Stellen mit warzenartigen Vorsprüngen versehen sind.
Dabei können die warzenartigen Vorsprünge vom Stumpf eines Kopfdrahtes gebildet
sein.
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Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die einzelnen Resonatoren
in wenigstens einem der Biegeschwingung entsprechenden Schwingungsknoten durch auf
Torsion beanspruchte, an einem Gehäuse od. dgl. befestigte. Haltedrähte gehaltert
sind, wenn die Resonatoren an den in Schwingungsrichtung liegenden Flächen mit aus
dem Stumpf eines Kopfdrahtes gebildeten warzenartigen Vorsprüngen versehen sind,
an denen ein durchgehender Koppeldraht befestigt ist, und wenn der durchgehende
Koppeldraht über die Endresonatoren herausgeführt und an zwei sich #gegenüberliegenden
federnden Elementen, vorzugsweise Federblechen, befestigt ist.
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Es ist ferner günstig, wenn die einzelnen Resonatoren zwischen einer
als Bodenplatte ausgebildeten Grundplatte und zwei U-förmigen, an der Grundplatte
befestigten Bügeln liegen und wenn die im Schwingungsknoten der Biegeschwingung
an den Resonatoren angebrachten Haltedrähte einerseits an der Grundplatte und andererseits
an den U-förmigen Bügeln befestigt sind.
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Weiterhin ist. hinsichtlich einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung daran gedacht, das Koppelelement als dünnes metallisches Band auszubilden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Die F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf einer metallischen
Grundplatte 1 zwei mechanische Resonatoren 2 und 3 über metallische Haltedrähte
4 befestigt sind.-An den einander abgewandten Stirnflächen der Resonatoren sind
elektrostriktiv wirkende Anregungssysteme in Form von aus elektrostriktivem Material
bestehenden Klötzchen 5 und 6 aufgebracht. Die elektrostriktiven Klötzchen'''" und
6 sind auf der den Schwingern abgewandte Seite mit einer Metallisierung versehen,
an die dz Zuführungsdrähte 7 und 8 angelötet sind. Weiter Zuführungsdrähte 9 und
10 sind direkt mit der metallischen Grundplatte 1 verbunden. Die beiden Resonatoren
2 und 3 sind über einen Koppeldraht 11 miteinander gekoppelt, der im Bereich des
der Biegeschwingung entsprechenden Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt
ist. Beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die Klemmen 7 und 9 wird
das elektrostriktive Klötzchen 5 im Takt der Spannung UI gedehnt und zusammengezogen.
Über den sogenannten Querkontraktionseffekt wird im Resonator 2 immer dann eine
Biegeschwingung in der Richtung des Doppelpfeiles 12 angeregt, wenn die Frequenz
der angelegten Wechselspannung U1 mit der Biegeeigenfrequenz des Resonators 2 übereinstimmt.
Über den als Längskoppler wirkenden Koppeldraht 11 wird diese Biegeschwingung auf
den Resonator 3 übertragen, der somit ebenfalls zu Biegeschwingungen angeregt wird.
Dadurch wird das auf den Resonator 3 aufgebrachte elektrostriktive Klötzehen 6 über
den Querkontraktionseffekt Dehnungen .. und Verkürzungen unterworfen, und es entsteht
zwischen der Metallisierung des Klötzchens 6 und dem Reso= nator 3 eine elektrische
Wechselspannung, die als Ausgangswechselspannung U2 zwischen den Klemmen 8 und
10 abgenommen werden kann. Die Haltedrähte 4 sind in den der Biegeschwingung
entsprechenden Schwingungsknoten an den Resonatoren befestigt, so daß sie beim Schwingungsvorgang
auf Torsion beansprucht werden.
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Wegen der geringen Bandbreite des Filters muß der Koppeldraht 11 beispielsweise
so dünn ausgebildet sein, d. h. also einen derart geringen' Querschnitt aufweisen,
daß er sich nicht mehr in gestreckter Form an den einzelnen Rosonataren befestigen
fäßt. Dadurch kann er die bei der Verkopplung der Biegeschwingungen auftretenden
Zug-und Druckkomponenten nicht mehr in der dem Längskoppler eigenen Weise übertragen.
Aus diesem Grund ist der Koppeldraht 11 über die beiden Resonatoren 2 und 3 herausgeführt
und an, den beiden Federblechen 13 und 14 befestigt. Die beiden Federbleche 13 und
14 sind so vorgespannt, :# daß sie sich in Richtung der Pfeile 15 und 16 zu bewegen
versuchen. Auf diese Weise wird der Koppeldraht 11 mechanisch vorgespannt, wodurch
er eindeutige longitudinale Schwingungen ausführt. Bei der praktischen Ausführung
läßt sich die mechanische Vorspannung des Koppeldrahtes einfach dadurch erreichen,
daß der Koppeldraht 11 zunächst an den beiden Resonatoren 2 und 3 beispielsweise
durch Lötung befestigt wird. Anschließend werden die Federbleche 13 und
14, die mit ihren abgewinkelten Enden an der Grundplatte 1 befestigt sind,
entgegen der durch die Pfeile 15 und 16 angedeuteten Richtung gebogen und die freien
Enden des Koppeldrahtes 11 mit den Federblechen '#verlötet. Es ist dabei lediglich
darauf zu achten, daß die mechanische Vorspannung einerseits innerhalb der Elastizitätsgrenze
des für den Koppeldraht 11 verwendeten Materials bleibt und daß andererseits die
mechanische Vorspannung größer ist als die maximal bei der Verkopplung der Biegeschwingungen
im Koppeldraht auftretende Druckkomponente.
Dadurch verbleibt der
Koppeldraht 11, der beispielsweise beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1
einen Durchmesser von nur 0,12 mm hat, in einem einwandfrei gestreckten Zustand,
wodurch auch Druckkomponenten eindeutig auf die einander benachbarten Biegeschwinger
übertragen werden.
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An Stelle von nur einem Koppeldraht lassen sich in analoger Weise
auch mehrere, beispielsweise seitlich gegen das Schwingungsmaximum versetzte Koppeldrähte
verwenden.
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Zur einfachen Verbindung der einzelnen Resonatoren durch die Koppelelemente
ist es zweckmäßig, auf die dem Koppelelement zugewandten Oberflächen der Resonatoren
kleine warzenartige Vorsprünge an den Stellen aufzubringen, die für die Verankerung
der Koppelelemente vorgesehen sind. Eine diesbezüglich besonders einfache Methode
ist in der F i g. 2 gezeigt. Dort ist ein Abschnitt eines Resonators R für sich
getrennt dargestellt. Der Vorsprung V wird von dem Stumpf eines Kopfdrahtes gebildet,
der mittels Punktschweißung derart in den Resonator eingeschweißt ist, daß der Sattel
S des Kopfdrahtes satt auf der Resonatoroberfläche aufliegt. Für die praktische
Herstellung ist es dabei zweckmäßig, die einzelnen Resonatoren eines Filters zunächst
mit Kopfdrähten zu versehen. Danach werden die Resonatoren R auf eine ebene Grundplatte
aufgelegt und die dem Resonator abgewandten Enden des Kopfdrahtes beispielsweise
durch Planschleifen in einem einzigen Arbeitsgang auf gleiche Länge gebracht, so
daß beim späteren Zusammenbau des Filters das Koppelelement in einer durchgehenden
Ebene zu liegen kommt.
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Die F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die für die einzelnen
Schwinger vorgesehenen Haltedrähte gleichzeitig zur Erzeugung der für den Koppeldraht
erforderlichen mechanischen Vorspannung herangezogen werden. An einer metallischen
Grundplatte 1 sind die beiden U-förmig gebogenen Bügel 20 beispielsweise durch Lötung
befestigt. Die drei Biegeresonatoren 21, 22 und 23 liegen zwischen der Grundplatte
l und den parallel zur Grundplatte verlaufenden Abschnitten der Büge120. In den
der Biegeschwingung entsprechenden Schwingungsknoten 24 sind metallische Haltedrähte
25 und 26 derart befestigt, daß die Haltedrähte 25 von den U-förmigen Bügeln zu
den Resonatoren und die Haltedrähte 26 von den Resonatoren zur Grundplatte l verlaufen.
Die einzelnen Resonatoren sind über den durchgehenden, auf Zug und Druck beanspruchten
Koppeldraht 30 miteinander gekoppelt. An den Endresonatoren 21 und 23 sind die mit
einer Metallisierung versehenen, aus elektrostriktivem Material bestehenden Klötzchen
5 und 6 befestigt. Von der Metallisierung des Klötzchens 5 führt ein Zuführungsdraht
7 zu einer Anschlußklemme 27, von der Metallisierung des Klötzchens 6 führt ein
Zuführungsdraht 8 zu einer Anschlußklemme 28. Außerdem sind noch weitere Anschlußdrähte
9 und 10 vorgesehen, die von der Grundplatte des Filters zu den Anschlußklemmen
29 führen. Die Umwandlung der elektrischen in die mechanischen Schwingungen bzw.
der mechanischen in die elektrischen Schwingungen erfolgt in der bereits beim Ausführungsbeispiel
der F i g. 1 beschriebenen Weise. Die Schwingungsrichtung der Biegeresonatoren 21
bis 23 ist durch den Doppel-, pfei112 gekennzeichnet. Beim praktischen Aufbau werden
zweckmäßig zunächst die einzelnen Resonatoren in dem jeweils für die Kopplerlänge
erforderlichen Abstand an den U-förmigen Bügeln und an der Grundplatte befestigt.
Danach- wird der Koppeldraht 30 am mittleren Resonator 22 festgelötet. Werden nun
die beiden äußeren Resonatoren 21 und 23 beispielsweise durch Spannvorrichtungen
in Richtung zum mittleren Resonator verschoben, so spannen sich die für die äußeren
Resonatoren vorgesehenen Haltedrähte. Lötet man in diesem Zustand den Koppeldraht
30 an den Endresonatoren fest, dann gehen die Haltedrähte nach Wegnahme der Spannvorrichtungen
nahezu in ihre Ausgangslage zurück, wodurch gleichzeitig der Koppeldraht 30 mechanisch
vorgespannt wird. Es ist auch hierbei zu beachten, daß die mechanische Vorspannung
innerhalb der Elastizitätsgrenze des für den Koppeldraht 30 verwendeten Materials
liegt. Zur einfachen Herstellung ist es auch bei dem in der F i g. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
zweckmäßig, die Resonatoren an den Stellen, an denen der Koppeldraht bzw. die Haltedrähte
befestigt sind, mit einem gemäß der F i g. 2 ausgebildeten Stumpf eines Kopfdrahtes
zu versehen. Bei einer Ausbildung gemäß der F i g. 3 ist es weiterhin als vorteilhaft
anzusehen, daß mechanische Erschütterungen weitgehend von den Haltedrähten 25 und
26 aufgenommen und somit nicht auf die Resonatoren übertragen werden. An Stelle
des durchgehenden Koppeldrahtes 30 könnten in gleicher Weise auch einzelne
Koppeldrähte verwendet werden, die zwischen den sich in Schwingungsrichtung erstreckenden,
von den Resonatoren gebildeten Begrenzungsebenen an den Resonatoren befestigt sind.
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In der F i g. 4 ist die Dämpfungskurve eines gemäß der F i g. 3 realisierten
Bandfilters gezeigt, das mit sechs mechanischen Resonatoren aufgebaut ist, und zwar
ist die Betriebsdämpfung ab in Abhängigkeit von der Frequenz f aufgetragen.
Die Mittenfrequenz des Filterdurchlaßbereiches liegt bei etwa 16,5 kHz, die Bandbreite
beträgt etwa 2,51/o, die Grunddämpfung ab a liegt bei etwa 0,1 Np.
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Für die in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Filter wurden Resonatoren
mit rechteckförmigem Querschnitt verwendet. In gleicher Weise läßt sich der Erfindungsgedanke
auch auf Resonatoren mit einer von der Rechteckform abweichenden Querschnittsform
anwenden. An Stelle des Koppeldrahtes bzw. der Koppeldrähte lassen sich auch dünne
metallische Bänder als Koppelelemente verwenden.
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Darüber hinaus ergibt sich durch die erfindungsgemäße Anwendung vorgespannter
Koppelelemente ein außerordentlich nebenwellenarmes Filter, da nämlich die Koppelelemente
gegenüber den gewollten Längsschwingungen die größtmögliche Steifigkeit haben, während
sie gegenüber anderen, ungewollten Schwingungsformen, wie z. B. der Biege- oder
Torsionsschwingung, praktisch keinerlei Steifigkeit aufweisen. Aus diesem Grund
werden solche Schwingungen, die eventuell in dem dem Filtereingang zugekehrten Endresonator
angeregt werden und die eine von der gewollten Biegeschwingung abweichende Schwingungsform
haben, vom Filter praktisch nicht übertragen.