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Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Bandfilter, bestehend
aus mehreren, Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren, die über
Längsschwingungen ausführende mechanische Koppelelemente miteinander gekoppelt sind
und dessen Endresonatoren mit elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen Wandlerelementen
zur Umwandlung der elektrischen Schwingungen in mechanische Biegeschwingungen versehen
sind und bei dem die mechanischen Resonatoren einschließlich der Endresonatoren
derart ausgebildet sind, daß sie in einer Ebene verlaufende Biegeschwingungen ausführen,
bei dem weiterhin die elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen Wandlerelemente
derart in die Endresonatoren eingebracht sind, daß die Anregung der Biegeschwingungen
über den direkten piezoelektrischen Effekt erfolgt, bei dem ferner zumindest einer
der Resonatoren über in den Schwingungsknoten angreifende Halteelemente im Filtergehäuse
od. dgl. verankert ist, und bei dem an den Resonatoren in Bereichen außerhalb der
Schwingungsknoten zusätzliche Koppelelemente angebracht sind, die einander in der
mechanischen Wirkungsweise unmittelbar aufeinanderfolgende Resonatoren überbrücken
und die als Längsschwingungen oder als Längs- und Biegeschwingungen ausführende
Koppelelemente ausgebildet sind, nach Patent 1257992.
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Im Hauptpatent sind bereits mechanische Filter beschrieben, die aus
mehreren Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren bestehen. Die einzelnen
Resonatoren sind dabei über auf Zug und Druck beanspruchte, d. h. also Längsschwingungen
ausführende mechanische Koppelelemente miteinander gekoppelt. Die jeweiligen Endresonatoren
dieser Filter sind vorzugsweise mit elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen
Wandlerelementen zur Umwandlung der elektrischen Schwingungen in mechanische Biegeschwingungen
versehen. Zur Erzeugung von Dämpfungspolen in den Sperrbereichen des Filters sind
dabei an den Resonatoren in Bereichen außerhalb der Schwingungsknoten zusätzliche
Koppelelemente angebracht, die einander in der mechanischen Wirkungsweise unmittelbar
aufeinanderfolgende Resonatoren überbrücken. In der Fig. 1 ist ein typisches
Ausführungsbeispiel eines derartigen Filters gezeigt, das beispielsweise aus vier
mechanischen Biegeresonatoren 1, 2, 3 und 4 besteht, die über die
Längsschwingungen ausführenden KoppelelementeH miteinander gekoppelt sind. Da diese
Koppelelemente in der mechanischen Wirkungsweise unmittelbar aufeinanderfolgende
Resonatoren miteinander verbinden, werden sie im folgenden auch als Hauptkoppler
bezeichnet. Zur Erzeugung beispielsweise zweier Dämpfungspole sind die Resonatoren
1 und 4 über ein zusätzliches Koppelelement gekoppelt, und zwar derart, daß
das Koppelelement K am Resonator 1 zwischen den mit 5 bezeichneten
Schwingungsknoten und am Resonator 4 außerhalb des durch die Schwingungsknoten
5 fest-,gelegten Bereiches befestigt ist. Das der Erzeugung von Dämpfungspolen
dienende zusätzliche Koppelelement K, das einen oder mehrere in der mechanischen
Wirkungsweise unmittelbar aufeinanderfolgende Resonatoren überbrückt, wird im folgenden
auch als Zusatzkoppler bezeichnet. Durch elektrostriktiv wirkende Wandlersysteme,
die beispielsweise am Resonator 1 befestigt sind, werden die einzelnen Resonatoren
in Richtung der Doppelpfeile S zu Biegeschwingungen angeregt. Ebensolche
Wandlersysteme, die beispielsweise am Resonator 4 befestigt sind, können dann der
RückumwandIung der mechanischen in elektrische Schwingungen dienen. Die einzelnen
Resonatoren bzw. auch nur die Endresonatoren eines derartigen Filters können beispielsweise
mit Hilfe von Haltedrähten in einem nicht näher gezeichneten Gehäuse befestigt werden.
Zweckmäßig greifen diese Haltedrähte in den Schwingungsknoten 5 an den Resonatoren
an, da sie dann praktisch keinerlei schädliche Nebenwirkung auf die Biegeeigenschwingungen
der einzelnen Resonatoren ausüben. Wie im Hauptpatent bereits eingehend ausgeführt
ist, entstehen bei dem in der F i g. 1
gezeichneten Filter je ein Dämpfungspol
zu beiden Seiten des Durchlaßbereiches. Das Zustandekommen dieser Dämpfungspole
läßt sich dadurch erklären, daß durch den Zusatzkoppler K eine gerade Anzahl von
Resonatoren überbrückt ist und daß der Zusatzkoppler zwei in Gegenphase schwingende
Abschnitte der durch ihn verbundenen Resonatoren miteinander koppelt. Zum Erzeugen
eines Dämpfungspoles wird in analoger Weise nur ein mechanischer Resonator (allgemein:
eine ungerade Anzahl) durch ein zusätzliches Koppelelement gekoppelt. Je nachdem,
ob das zusätzliche Koppelelement zwei gleichphasig oder gegenphasig schwingende
Punkte koppelt, ergibt sich ein Dämpfungspol im oberen oder unteren Sperrbereich.
Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, lassen sich mechanische
Filter mit Biegeresonatoren selbst bei großen Bandbreiten sehr nebenwellenarm aufbauen,
wenn die Hauptkoppler als Längsschwingungen ausführende Koppelelemente ausgebildet
sind, die an solchen Stellen der Resonatoren befestigt sind, an denen möglichst
große Schwingungsamplituden auftreten und an denen außer der der Längskopplung dienenden
Längsschwingung keine weiteren Schwingungen .b C
in den Koppelelementen angeregt
werden. Für das Ausführungsbeispiel der F i g. 1 sind diese Bedingungen dadurch
erfüllt, daß die Längsachsen der stabförmigen Hauptkoppler H mit der mit
S bezeichneten Schwingungsrichtung der Resonatoren zusammenfallen und daß
die Hauptkoppler H an solchen Stellen der Resonatoren befestigt sind, an denen die
neutrale Faser stets verdrehungsfrei bleibt. Solche ausgezeichneten Stellen sind
sämtliche Schwingungsbäuche der Resonatoren mit Ausnahme der an ihren Enden Orel
, egenen. Für den der Erzeugung von Dämpfungspolen dienenden Zusatzkoppler
K sind die angegebenen Bedingungen wegen der zur Phasenumkehr erforderlichen Schräglage
nicht mehr eindeutig erfüllt. Es wird deshalb im Zusatzkoppler K eine Biegeschwingung
mit angeregt, die unter Umständen einen Dämpfungseinbruch im Sperrbereich oder eine
Dämpfungsverzerrung im Durchlaßbereich des Filters zur Folge haben kann. Wie sich
ferner zeigt, besteht eine gewisse Schwierigkeit in der Anbringung des Zusatzkopplers
dadurch, daß er an einer Stelle befestigt werden muß, in deren Umgebung sich die
Amplitude des Resonators rasch ändert, so daß zur Erzielung vorgegebener Werte die
Anschlußstelle des Zusatzkopplers verhältnismäßig genau eingehalten werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten
in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen und die im Hauptpatent
bereits
angegebenen Filteranordnungen noch zu verbessern.
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Ausgehend von den im Hauptpatent beschriebenen mechanischen Filtern
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein Resonator
als Stimmgabelresonator ausgebildet ist, der in der zweiten oder einer höheren Eigenschwingung
schwingt, und daß das zusätzliche Koppelelement als Längskoppler ausgebildet und
im Bereich eines sich zwischen zwei Schwingungsknoten hinsichtlich Biegeschwingungen
ausbildenden Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt ist.
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Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die dem Stimmgabelresonator
zu beiden Seiten unmittelbar benachbarten Biegeresonatoren mit dem ihnen jeweils
abgewandten Arm des Stimmgabelresonators gekoppelt sind oder wenn die dem Stimmgabelresonator
zu beiden Seiten unmittelbar benachbarten Resonatoren mit dem gleichen Arm des Stimmgabelresonators
gekoppelt sind.
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Je nach der gewünschten Lage der Dämpfungspole kann dabei eine geradzahlige
oder eine ungeradzahlige Anzahl von Resonatoren durch das zusätzliche Koppelelement
überbrückt sein.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, statt eines der geraden
Resonatoren einen stimmgabelförmigen Resonator zu verwenden, der in der zweiten
oder in einer höheren Eigenschwingung betrieben wird, weil bei einer in der zweiten
oder einer höheren Eigenfrequenz schwingenden Stimmgabel einander gegenüberliegendeSchwingungsbäuche
auftreten, welche ohne Verdrehung der neutralen Faser gegenphasig schwingen. An
diesen Schwingungsbäuchen, deren Abstand voneinander wesentlich geringer ist als
eine halbe Wellenlänge einer Longitudinalschwingung in Metall, können Haupt-und
Zusatzkoppler angekoppelt werden, so daß sich die erforderliche Phasenumkehr ohne
die sonst notwendige Schräglage eines Kopplers ergibt. Ein weiterer Vorteil ist,
daß nun auch für den Zusatzkoppler die genaue Einhaltung des Anschlußpunktes am
Biegeschwinger weniger kritisch ist, da sich die Schwingungsamplitude in der Umgebung
eines Schwingungsbauches wenig ändert.
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Die F i g. 2 zeigt schematisch einen stimmgabelförmigen Biegeresonator,
der in der zweiten Eigenschwingung betrieben wird. Derartige Stimmgabeln können
beispielsweise durch einen Haltedraht gehalten werden, der im Fußpunkt oder einem
Schwingungsknoten an der Stimmgabel angreift und der bei entsprechender Ausbildung
der Verankerung in einem Gehäuse dienen kann. Die einzelnen Stimmgabelarme schwingen
dabei in der durch den DoppelpfeilS angedeuteten Richtung, und es ist die Auslenkung
der einzelnen Arme durch die gestrichelt gezeichneten Kurven 10 und
11 angedeutet. Die Kurve 10 zeigt dabei die Auslenkung der einzelnen
Stimmgabelarme während der einen Halbperiode der Schwingung, und die Kurve
11 zeigt die Auslenkung der Stimmgabelarme während der anderen Halbperiode
der Schwingung. Die Kurven 10 und 11
lassen eindeutig erkennen, daß
die beiden Stimmgabelarme in Gegenphase schwingen. Die Fig. 3
zeigt die Durchbiegung
eines in der dritten Eigenschwingung betriebenen Stimmgabelresonators, wobei die
Kurven 10' die Durchbiegung während der einen Halbperiode und die Kurve
11' die Durchbiegung während der anderen Halbperiode zeigen. Es ist dabei
angenommen, daß in den PunktenE und A bzw. bei der F i g. 3 in den
Punkten E, und A #, oder in den PunktenE, und Al' in denen
jeweils Schwingungsbäuche auftreten, mechanische Koppeleleinente zur Anregung bzw.
zur Abnahme der Biegeschwingungen angebracht sind. Unter diesen Voraussetzungen
ergibt sich für den in der F i g. 2 gezeichneten Stimmgabelresonator das in der
F i g. 4 gezeichnete elektrische Ersatzschaltbild, das im wesentlichen für
die Umgebung der Resonanzfrequenz Gültigkeit hat. Dieses Ersatzschaltbild läßt sich
durch einen Resonanzkreis R darstellen, der im Querzweig eines elektrischen Vierpoles
liegt und dem ein übertrager U mit dem übersetzungsverhältnis 1 : - 1
nachgeschallet
ist. In Analogie zur F i g. 2 sind der Eingang und der Ausgang dieses Vierpoles
mit E'
und A' bezeichnet. Die Anschlußklemmen der im Vierpol durchgehenden
Leitung sind mit 0 bezeichnet. Wenn, wie in der F i g. 3 gezeichnet,
der Stimmgabelresonator in der dritten Eigenschwingung betrieben wird, dann ergibt
sich das in der F i g. 5 gezeichnete elektrische Ersatzschaltbild. Nimmt
man dabei an, daß die der Schwingungsanregung bzw. der Schwingungsabnahme dienenden
Koppelelemente in den Punkten E, und A, an den Stimmgabelarmen befestigt
sind, dann wird das elektrische Ersatzschaltbild von einem im Querzweig eines elektrischen
Vierpols liegenden Resonanzkreis R gebildet, dem ein übertrager U mit dem
übersetzungsverhältnis 1 : - 1
nachgeschaltet ist. Sind hingegen die der Schwingungsanregung
dienenden Koppelelemente in den Punkten E" und A, an den Stimmgabelarmen
befestigt, dann hat eine an den Klemmen E,' und 0
anliegende
Wechselspannung zunächst einen übertrager U' mit dem übersetzungsverhältnis
u: 1 sowie den übertrager U mit dem übersetzungsverhältnis
1. : - 1 zu durchlaufen. Anschließend folgt im Querzweig der Schaltung ein
Resonanzkreis R, dem der Cbertrager U, mit dem übersetzungsverhältnis
1 : u
nachgeschaltet ist. In der elektrischen Wirkungsweise
hat dies zur Folge, daß sich die Wirkungen der übertrager U, und U2' aufheben. In
jedem Fall bleibt der übertrager mit dem übersetzungsverhältnis 1 : - 1 erhalten,
was einer um 1801 gegenüber der Eingangsspannung verschobenen Ausgangsspannung
entspricht. Diese Eigenschaft des Stimmgabelresonators läßt sich in mechanischen
Filtern zur Erzeugung von Dämpfungspolen heranziehen.
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In der F i g. 6 ist ein mechanisches Filter gezeigt, dessen
Aufbau im wesentlichen dem der F i g. 1 entspricht. Die Resonatoren
1 bis 4 sind dabei über die Hauptkoppelelemente H miteinander gekoppelt.
Der Resonator 3 ist als Stimmgabelresonator ausgebildet und derart mit den
Resonatoren 2 und 4 verbunden, daß die Resonatoren 2 und 4 mit den ihnen jeweils
abgewandten Stimmgabelarmen gekoppelt sind. Durch diese Maßnahme läßt sich erreichen,
daß der Resonator 4 in Gegenphase gegenüber den Resonatoren 1 und 2 schwingt.
Durch den Zusatzkoppler K werden somit in Gegenphase schwingende Resonatoren eines
mechanischen Filters miteinander gekoppelt. Der Zusatzkoppler K ist als reiner Längskoppler
ausgebildet und wie die Hauptkoppler H an solchen Stellen der Resonatoren
1 und 4 befestigt, an denen möglichst große Amplituden auftreten und an denen
außer der der Längskopplung dienenden Längsschwingung keine weiteren Schwingungen
im Zusatzkoppler K angeregt werden. Diese Stellen sind
die zwischen
zwei Schwingungsknoten 5 auftretenden Schwingungsbäuche. Die Schwingungsrichtung
der einzelnen Resonatoren ist durch den Doppelpfeil S
gekennzeichnet. Da durch
den Zusatzkoppler K eine gerade Anzahl von Resonatoren überbrückt wird und da in
Gegenphase schwingende einzelne Elemente eines mechanischen Filters durch den Zusatzkoppler
K miteinander verbunden sind, treten je ein Dämpfungspol zu beiden Seiten
des Filterdurchlaßbereiches auf. Die Bandbreite des Filters ist dabei durch die
Stärke der Hauptkoppler H bestimmt, der Abstand der Dämpfungspole vom Durchlaßbereich
durch die Stärke des Zusatzkopplers K, und zwar nimmt der Abstand der Dämpfungspole
vom Durchlaßbereich mit stärker werdender Kopplung des Zusatzkopplers K ab.
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In den F i g. 7 und 8 sind mögliche Ausführungsformen
von Stimmgabelresonatoren gezeigt. Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 7
ist der Stimmgabelresonator aus Flachmaterial gebogen, beim Ausführungsbeispiel
der F i g. 8 ist der Stimmgabelresonator aus einem flachen Material, beispielsweise
durch Stanzen, herausgearbeitet.
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Die F i g. 9 und 10 zeigen weitere erfindungsgemäße
Ausführungsbeispiele, in denen Stimmgabelresonatoren in ein mechanisches Filter
eingebaut sind.
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Im Ausführungsbeispiel der F i g. 9 sind sieben mechanische
Resonatoren 21 bis 27 durch die Hauptkoppler H miteinander gekoppelt. Der
Resonator 24 ist in Form eines Stimmgabelresonators ausgebildet, und es ist dabei
der dem Resonator 23 zugewandte Stimmgabelarm unmittelbar mit dem Resonator
23
und dem Resonator 25 durch den Hauptkoppler B verbunden. In diesem
Fall schwingen auch die Resonatoren 25, 26 und 27 in Phase mit den
Resonatoren 21, 22 und 23. Die Schwingungsrichtung ist durch den Doppelpfeil
S gekennzeichnet. Der Zusatzkoppler K, verbindet den Resonator 21 und den
dem Resonator 25 zugewandten Stimmgabelarm des Stimmgabelresonators 24. Der
Zusatzkoppler K, verbindet den dem Resonator 25 zugewandten Stimmgabelarm
und den Resonator 27. Auch in diesem Fäll sind die Zusatzkoppler an einem
zwischen zwei Schwingungsknoten 5 auftretenden Schwingung ,sbauch an den
einzelnen Resonatoren befestigt.
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In der F i g. 10 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen
elektrische Wirkungsweise mit dem Ausführungsbeispiel der F i g. 9 übereinstimmt,
das jedoch hinsichtlich der räumlichen Gestaltung außerordentlich raumsparend aufgebaut
ist. Die F i g. 10 a zeigt dabei einen Querschnitt durch das in der F i g.
10 b
perspektivisch dargestellte Filter. Die Resonatoren 21 bis
23 und die Resonatoren 25 bis 27 liegen hierzu in zwei parallelen
Reihen und sind gegenüber dem Stimmgabelresonator 24 so angeordnet, daß dieser eine
Faltungslinie des Filters bildet. In den Resonatoren 21 und 27 sind zur Anregung
bzw. zur Abnahme der mechanischen Biege-Schwingungen elektrostriktiv wirkende Wandlerelemente
W vorgesehen, bei denen der sogenannte direkte piezoelektrische Effekt auserenutzt
wird. Derartige Wandlerelemente sind bereits im älteren deutschen Patent
1203 321 beschrieben, und es läuft ihre Wirkung darauf hinaus, daß sich die
auf der einen Seite der sich hinsichtlich Biegeschwingungen ausbildenden neutralen
Faser liegenden Wandlerelemente unter dem Einfluß eines elektrischen Wechselfeldes
in Richtung der Längsachse des Biegeschwingers ausdehnen, wählend sich die auf der
anderen Seite der neutralen Faser liegenden Wandlerelemente gleichzeitig zusammenziehen.
Entsprechend der Filterwirkung kann eine zwischen den Eingangsklemmen
15 und 0 anliegende elektrische Wechselspannung nur dann an den Ausgangsklemmen
16
und 0 abgenommen werden, wenn deren Frequenz mit der Frequenz der
Biegeeigenschwingung der Resonatoren 21 bis 27 zumindest näherungsweise übereinstimmt.
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Das elektrische Ersatzschaltbild der in den F i g. 9
und
10 gezeigten mechanischen Filter ist in der F i g. 11 dargestellt.
Die Resonatoren 21 bis 27 werden dabei durch die Resonanzkreise 21' bis
27' nach-,gebildet. Die Kapazitäten C, sind die statischen Kapazitäten
der piezoelektrischen Wandlerelemente in den Endresonatoren. Dem Resonanzkreis 24'
ist der Übertrager U mit dem übersetzungsverhältnis 1 : - 1
nachgeschaltet,
dessen dem Resonanzkreis 25' benachbarte Wicklung mit der die zusätzlichen
Koppelelemente K,' und K.,' verbindenden Leitung verbunden ist. Das Koppefelement
K,' verbindet die Resonanzkreise 21' und 24' und überbrückt die Kreise 22' und
23'. Analog überbrückt das Koppeleleinent Kj die Kreise 25' und
26'. Jede überbrückung erzjugt im Zusammenwirken mit dem übertrager
U,
der das übersetzungsverhältnis 1 : - 1 hat, je einen Dämpfungspol
rechts und links vom Durchlaßbereich, so daß sich auf diese Weise ein Filter mit
vier Dämpfungspolen realisieren läßt.
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Durch die Anbringung sowohl der Hauptkoppler H als auch der Zusatzkoppler
K an solchen Stellen der Resonatoren, an denen die neutrale Faser stets verdrehungsfrei
bleibt, läßt sich auch für Filter mit einer relativ großen Durchlaßbandbreite in
einem breiten Frequenzbereich ein nebenwellenfreier Sperrbereich erzielen.