DE1276240B

DE1276240B - Band filter made of polycrystalline, piezoelectric ceramic

Info

Publication number: DE1276240B
Application number: DE1966S0102330
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans-Werner Schulz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-03-03
Filing date: 1966-03-03
Publication date: 1968-08-29

Description

Bandfilter aus polykristalliner, piezoelektrischer Keramik Die Erfindung bezieht sich auf ein Bandfilter aus polykristalliner, piezoelektrischer Keramik für zwei Zwischenfrequenzen, bei dem zwei rechteckförmige Keramikscheiben, die auf ihren Scheibenflächen mit mechanisch fest aufgebrachten Metallbelegungen versehen sind, übereinander und parallel zueinander angeordnet und miteinander fest und elektrisch leitend gekoppelt sind, und bei bei dem die jeweiligen außenliegenden Gegenelektroden etwa in der Mitte der Flächen mit Anschlußdrähten versehen sind und durch die Abmessungen der Scheiben (Länge und Dicke) in Abhängigkeit von den Materialkonstanten die gewünschten Resonanzfrequenzen für Längsschwingungen und Dickenschwingungen eingestellt sind.Band filter made of polycrystalline, piezoelectric ceramic The invention refers to a band filter made of polycrystalline, piezoelectric ceramic for two intermediate frequencies, in which two rectangular ceramic disks, which on their disc surfaces are provided with mechanically fixed metal coatings are arranged one above the other and parallel to one another and firmly and electrically with one another are conductively coupled, and in which the respective external counter-electrodes are provided with connecting wires approximately in the middle of the surfaces and by the dimensions of the discs (length and thickness) depending on the material constants Resonance frequencies for longitudinal vibrations and thickness vibrations are set.

Es sind piezoelektrischeund auch elektromechanische Bandfilter für eine Zwischenfrequenz, beispielsweise für 460 kHz, bekannt.There are piezoelectric and also electromechanical band filters for an intermediate frequency, for example 460 kHz, is known.

Es ist auch ein auf piezoelektrischer Grundlage arbeitendes Bandfilter für zwei Frequenzbereiche, die auch Zwischenfrequenzen sein können, bekannt, bei dem zwei recheckförmige Scheiben parallel zueinander angeordnet und auf ihren Scheibenflächen mit mechanisch fest aufgebrachten Metallbelegungen versehen sind. Diese Scheiben sind durch eine Metallwand mechanisch fest und elektrisch leitend miteinander verbunden.It is also a piezoelectric-based bandpass filter for two frequency ranges, which can also be intermediate frequencies, known at where two rectangular panes are arranged parallel to one another and on their pane surfaces are provided with mechanically fixed metal coverings. These discs are mechanically solid and electrically conductive connected by a metal wall.

Andererseits ist ein mechanisches, Dickenscherungsschwingungen ausführendes Filter bekannt, bei dem die einzelnen Schwingungselemente am Außenrand miteinander verbunden sind.On the other hand, it is mechanical, thickness-shear vibrations Known filter in which the individual vibration elements on the outer edge with one another are connected.

Die Kopplung zweier piezoelektrischer Scheiben durch einen mittig angeordneten Koppelsteg vorzunehmen, ist ebenfalls bekannt.The coupling of two piezoelectric disks through a central one Make arranged coupling web is also known.

Außer dem zuerst genannten Filter, das für zwei Zwischenfrequenzen dienen kann, sind die anderen bekannten Filter entweder nur für eine Zwischenfrequenz geeignet, oder die Kopplung ist so vorzunehmen, daß die Koppelstege in einem Schwingungsknotenpunkt angeordnet sind.Except for the first mentioned filter, the one for two intermediate frequencies can serve, the other known filters are either only for an intermediate frequency suitable, or the coupling is to be carried out in such a way that the coupling webs are in a vibration node are arranged.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bandfilter zu schaffen, das einen geringen Temperaturkoeffizienten aufweist, einfach in der Herstellung und im Abgleich ist und vor allen Dingen für zwei Zwischenfrequenzen als Sollfrequenzen verwendet werden kann. Insbesondere soll das Bandfilter für eine erste Zwischenfrequenz (ZF,) von etwa 460kHz und für eine zweite Zwischenfrequenz (ZFZ) von etwa 6,75 bzw. 10,7 MHz zur Anwendung gelangen.The present invention is based on the object of creating a band filter which has a low temperature coefficient, is simple to manufacture and to adjust and, above all, can be used as target frequencies for two intermediate frequencies. In particular, the band filter should be used for a first intermediate frequency (IF) of approximately 460 kHz and for a second intermediate frequency (IF) of approximately 6.75 and 10.7 MHz, respectively.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Bandfilter aus polykristalliner, piezoelektrischer Keramik der eingangs genannten Art für zwei Zwischenfrequenzen erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die beiden rechteckförmigen Keramikscheiben etwa in der Mitte durch zwei zueinander parallele, senkrecht zur Längsachse L der Anordnung und in Richtung der Breitseiten B der Scheiben verlaufende und im Abstand voneinander stehende metallische Drähte oder Bänder mechanisch fest und elektrisch leitend miteinander gekoppelt sind, daß das Produkt aus Resonanzfrequenz für Längsschwingungen und der Länge der Keramikscheiben etwa den Wert von 1800 kHz -mm beträgt und daß das Produkt aus Resonanzfrequenzen für Dickenschwingungen und der Dicke der Keramikscheiben etwa denselben Wert hat. Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die oben angegebenen Zwischenfrequenzen wird ein Bandfilter vorgeschlagen, deren Länge 1 der Scheiben 3,9 mm, deren Dicke d der Scheiben 0,2 mm, der durch die beiden Kopplungsdrähte gegebene Abstand s der Scheiben voneinander 0,6 mm und der Abstand der Kopplungsdrähte voneinander 0,4 mm betragen.To solve this problem, the band filter made of polycrystalline, piezoelectric ceramic of the type mentioned for two intermediate frequencies according to the invention is characterized in that the two rectangular ceramic discs approximately in the middle by two mutually parallel, perpendicular to the longitudinal axis L of the arrangement and in the direction of the broad sides B of the Discs running and spaced apart metallic wires or bands are mechanically fixed and electrically conductively coupled with each other, that the product of the resonance frequency for longitudinal vibrations and the length of the ceramic disks is approximately the value of 1800 kHz - mm and that the product of resonance frequencies for thickness vibrations and the thickness of the ceramic discs has approximately the same value. A band filter is proposed as a preferred embodiment for the intermediate frequencies specified above, the length of which 1 of the disks 3.9 mm, the thickness d of the disks 0.2 mm, the spacing s of the disks from one another 0.6 mm and the Distance between the coupling wires should be 0.4 mm.

An Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, die als bevorzugt zu betrachten sind, sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Bandfilters, F i g. 2 eine Seitenansicht des Bandfilters, wobei die Richtungen der Längsschwingungen der Scheiben angegeben sind, und F i g. 3 eine Seitenansicht eines Bandfilters, wobei die Dickenschwingungen, gegebenenfalls auch Dickenscherungsschwingungen, der Keramikscheiben eingezeichnet sind.With reference to the embodiments shown in the drawing, which are to be regarded as preferred, the invention is explained in more detail. It shows F i g. 1 is a perspective view of a belt filter, FIG. 2 is a side view of the belt filter, the directions of the longitudinal vibrations of the discs being indicated are, and F i g. 3 a side view of a belt filter, the thickness vibrations, if necessary, thickness shear vibrations of the ceramic disks are also shown are.

In F i g. 1 sind mit 11 und 12 die beiden rechteckförmigen Keramikscheiben aus piezoelektrischem Material bezeichnet. Jede dieser Scheiben 11 und 12 ist mit auf den gegenüberliegenden großen Flächen fest angebrachten Metallbelegungen 10 versehen. (Die Metallbelegungen 10 sind durch die Schraffierung angedeutet.) Zum äußeren Anschluß des Bandfilters sind auf den nach außen stehenden Belegungen 10 der beiden Keramikscheiben 11 und 12 Anschlußelemente 13 und 15 in der Mitte der Flächen angebracht. Beim Anbringen der äußeren Anschlußelemente ist zu berücksichtigen, daß durch die Anschlußelemente und die zur Befestigung verwendete Lötung eine gewisse Beschwerung der Scheiben erfolgt, wodurch die Schwingungsamplitude und/oder die Schwingungsfrequenz verändertwerden können. Dieser Einfluß der äußeren Anschlußelemente ist bei der Herstellung eines Bandfilters nach der Erfindung zu beachten, bereitet jedoch keine wesentlichen Schwierigkeiten, denn es ist durch einfache Probemuster möglich, die Abweichung von der Normalschwingung der Scheibe festzustellen.In Fig. 1, 11 and 12 denote the two rectangular ceramic disks made of piezoelectric material. Each of these disks 11 and 12 is provided with metal coverings 10 firmly attached to the opposite large surfaces. (The metal coverings 10 are indicated by the hatching.) For the external connection of the band filter, connection elements 13 and 15 are attached in the middle of the surfaces to the external coverings 10 of the two ceramic disks 11 and 12. When attaching the external connection elements, it must be taken into account that the connection elements and the soldering used for fastening cause a certain weighting of the panes, whereby the oscillation amplitude and / or the oscillation frequency can be changed. This influence of the external connection elements must be taken into account in the production of a band filter according to the invention, but does not cause any significant difficulties, because it is possible to determine the deviation from the normal vibration of the disk by means of simple test samples.

Die beiden rechteckförmigen Scheiben 11 und 12 aus piezoelektrischem Material sind parallel zueinander und übereinander angeordnet. Die Kopplung der beiden Scheiben miteinander erfolgt durch die beiden Drähte 14, deren Dicke bzw. Durchmesser den Abstands der beiden Scheiben 11 und 12 voneinander bestimmen. Die beiden Kopplungsdrähte 14 sind zwischen den beiden Scheiben und in etwa in der Mitte angeordnet und haben voneinander den Abstand r. Die Kopplungselemente 14 sind so angebracht, daß sie eine elektrisch leitende und mechanisch feste Verbindung der beiden Scheiben bewirken. Die Kopplungsdrähte 14 stehen senkrecht zur Längsachse L des Gebildes (hier als Pfeil eingetragen) und verlaufen in Richtung der Breitseiten B der Keramikscheiben.The two rectangular disks 11 and 12 made of piezoelectric material are arranged parallel to one another and one above the other. The two disks are coupled to one another by the two wires 14, the thickness or diameter of which determine the distance between the two disks 11 and 12 from one another. The two coupling wires 14 are arranged between the two disks and approximately in the middle and have a distance r from one another. The coupling elements 14 are attached so that they bring about an electrically conductive and mechanically firm connection of the two panes. The coupling wires 14 are perpendicular to the longitudinal axis L of the structure (shown here as an arrow) and run in the direction of the broad sides B of the ceramic disks.

Unter Berücksichtigung der die Schwingungseigenschaften der Scheiben beeinflussenden Materialkonstanten bestimmt die Länge l der Scheiben die Resonanzfrequenz bei Längsschwingungen (nach mit f, = Grundschwingung, 1 = Länge, E .= Elastizitätsmodul und g = Dichte des Materials) und die Dicke d der Scheiben die Resonanzfrequenz bei Dicken- bzw. Dickenscherungsschwingungen (nach mit d = Dicke; bzw. mit G =Schubmodul). Das Produkt aus der jeweiligen Resonanzfrequenz und der Länge 1 bzw. und der Dicke d soll den Wert von etwa 1800 kHz - mm besitzen.Taking into account the material constants that influence the vibration properties of the panes, the length l of the panes determines the resonance frequency for longitudinal vibrations (according to with f, = fundamental oscillation, 1 = length, E. = modulus of elasticity and g = density of the material) and the thickness d of the panes is the resonance frequency for thickness or thickness shear vibrations (according to with d = thickness; respectively. with G = shear modulus). The product of the respective resonance frequency and the length 1 or and the thickness d should have the value of about 1800 kHz - mm.

Zur Erklärung der elektrischen Funktion des Bandfilters diene die F i g. 2.To explain the electrical function of the belt filter, the F i g. 2.

Das Keramikplättchen 11 sei der Anregungsschwinger, das Plättchen 12 der Abnahmeschwinger. Wenn das Plättchen 11 über die Drähte 13 und 14 in seiner Resonanzfrequenz angeregt sird, so daß es als Längsschwinger schwingt, dann übertragen sich die Auslenkungen mechanisch über die Drähte 14 auf das Plättchen 12, zwischen deren Belegungen ein Wechselfeld entsteht. Die Drähte 14 und 15 dienen als Abnahmeorgane. Die Schwingungen der Scheiben 11 und 12 sind gleichphasig, wie im Bild durch die Pfeile angedeutet. Im wesentlichen bestimmt die Länge 1 der Keramikplättchen (bei gleichbleibenden mechanischen und elektrischen Kenndaten) die Größe der Resonanzfrequenz. Bei gleichbleibender Masse der Anschlußdrähte 12 wird die Kopplung zwischen den Schwingern 11 und 12 durch den Abstand r der Drähte bestimmt. Auf diese Weise entsteht ein Bandfilter, das gegenüber elektromechanischen Bandfiltern in der Form von H-Schnitten gerade bei Frequenzen um 500 kHz folgende Vorteile aufweist: 1. Der Temperaturkoeffizient ist geringer, da er lediglich von dem Temperaturkoeffizienten der piezoelektrischen Keramik abhängt und nicht, wie bei elektromechanischen Filtern mit Metallschwingern, von dem Temperaturkoeffizienten des Metalls, der Keramik und den Verbindungsmitteln zwischen Metall und Keramik, z. B. Lötzinn oder Kleber; nach Messungen ist der Temperaturkoeffizient etwa halb so groß wie bei elektromechanischen Schwingern.The ceramic plate 11 is the excitation oscillator, the plate 12 the acceptance oscillator. When the plate 11 is excited in its resonance frequency via the wires 13 and 14, so that it oscillates as a longitudinal oscillator, the deflections are mechanically transmitted via the wires 14 to the plate 12, between whose assignments an alternating field is created. The wires 14 and 15 serve as removal organs. The vibrations of the disks 11 and 12 are in phase, as indicated in the picture by the arrows. Essentially, the length 1 of the ceramic platelets (with constant mechanical and electrical characteristics) determines the size of the resonance frequency. If the mass of the connecting wires 12 remains the same, the coupling between the oscillators 11 and 12 is determined by the distance r between the wires. This creates a band filter that has the following advantages over electromechanical band filters in the form of H-cuts, especially at frequencies around 500 kHz: 1. The temperature coefficient is lower because it only depends on the temperature coefficient of the piezoelectric ceramic and not, as in electromechanical filters with metal oscillators, the temperature coefficient of the metal, the ceramic and the connecting means between metal and ceramic, e.g. B. solder or glue; according to measurements, the temperature coefficient is about half that of electromechanical transducers.

2. Abgleicharbeiten sind einfacher als bei elektromechanischen Bandfiltern.2. Adjustment work is easier than with electromechanical belt filters.

3. Die Herstellung ist wesentlich vereinfacht.3. The production is considerably simplified.

4. Das Bandfilter ist kleiner als das elektromechanische Filter.4. The band filter is smaller than the electromechanical filter.

Mit dem Bandfilter kann noch zusätzlich eine zweite, höhere Frequenz selektiert werden. Dabei werden die Schwinger als Dickenschwinger bzw. Dickenscherungsschwinger betrieben. Maßgeblich für die Resonanzfrequenz ist die Dicke d des Schwingers (s. F i g. 3). Wenn sich in der Resonanzfrequenz die obere Scheibe 11 verdickt, dann wird mechanisch über die Kopplungsdrähte 14 die untere Scheibe 12 angeregt, sie wird dünner. Wird die Scheibe 11 dünner, dann verdickt sich die Scheibe 12. Die beiden Scheiben schwingen also bei der mechanischen Resonanz gegenphasig. Dies ist durch die Pfeile angedeutet. Der Kopplungsgrad ist im wesentlichen einstellbar durch die Masse der Verbindungsstege. Mithin kann das piezoelektrische Bandfilter für zwei Frequenzen ausgelegt werden, was bei elektromechanischen H-Bandfiltern nicht möglich ist.A second, higher frequency can also be selected with the band filter. The oscillators are operated as thickness oscillators or thickness shear oscillators. The thickness d of the oscillator is decisive for the resonance frequency (see Fig. 3). If the upper disk 11 thickens in the resonance frequency, then the lower disk 12 is mechanically excited via the coupling wires 14 and it becomes thinner. If the disk 11 becomes thinner, then the disk 12 thickens. The two disks therefore vibrate in phase opposition to the mechanical resonance. This is indicated by the arrows. The degree of coupling is essentially adjustable through the mass of the connecting webs. The piezoelectric band filter can therefore be designed for two frequencies, which is not possible with electromechanical H band filters.

Bandfilter nach der Erfindung eignen sich zur Verwendung für die Zwischenfrequenz von Mittel- und Ultrakurzwellen.Band filters according to the invention are suitable for use for the intermediate frequency of medium and ultra short waves.

Claims

Claims: 1. Band filter made of polycrystalline, piezoelectric ceramic for two intermediate frequencies, in which two rectangular ceramic discs, which are provided with mechanically fixed metal coatings on their disc surfaces, are arranged one above the other and parallel to one another and are firmly and electrically conductively coupled to one another and in which the respective external counter-electrodes are provided with connecting wires approximately in the middle of the surfaces and the desired resonance frequencies for longitudinal vibrations and thickness vibrations are set by the dimensions of the disks (length and thickness) depending on the material constants, characterized in that the two rectangular ceramic disks (11, 12 ) approximately in the middle by two mutually parallel, perpendicular to the longitudinal axis L of the arrangement and in the direction of the broad sides B of the panes and spaced apart metallic wires or bands (14) mechanically fixed and are electrically conductively coupled to one another so that the product of the resonance frequency for longitudinal vibrations and the length of the ceramic disks is approximately 1800 kHz - and that the product of the resonance frequency for thickness vibrations and the thickness of the ceramic disks has about the same value. z. Band filter according to claim 1, characterized in that the length 1 of the disks (11, 12) 3.9 mm, the thickness d of the disks (11, 12) 0.2 mm, the distance s given by the two coupling wires (14) of the disks (11, 12) from each other 0.6 mm and the distance between the coupling wires (14) from each other 0.4 mm. Documents considered: German Patent No. 928 969; British Patent No. 758,631; U.S. Patent Nos. 2,965,861, 3,074,034, 3078427.