DE1416650A1 - Electric wave filter - Google Patents

Electric wave filter

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DE1416650A1
DE1416650A1 DE19601416650 DE1416650A DE1416650A1 DE 1416650 A1 DE1416650 A1 DE 1416650A1 DE 19601416650 DE19601416650 DE 19601416650 DE 1416650 A DE1416650 A DE 1416650A DE 1416650 A1 DE1416650 A1 DE 1416650A1
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Antonio Lungo
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46Filters
    • H03H9/54Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/542Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material including passive elements

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
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Description

Elektrisches Wellenfilter Die Erfindung betrifft elektrische Wellenfilter und insbesondere Bandpassfilter oder Siebketten, die elektrische Resonatorelemente verwenden. Filter dieser allgemeinen Art sind seit langem bekannt, aber ihre Verwendung wird durch gewisse Mängel eingeschränkt,zu denen die relativ hohen Kosten, ihre Verwickeltheit, Zerbrechlichkeit und ihr großer Umfang gehören. Diese Filter enthalten Resonatoren, die aus Teilen eines piezoelektrischen Kristalls bestehen und mit einem Satz Spulen und/oder Kondensatoren kombiniert sind; wenn eine veränderliche Bandbreite erwünscht ist, werden ein Sortiment vor. Kristallen mit verschiedenen Frequenzeigenschaften und Hilfsmittel benutzt, mit denen wahlweise zwischen diesen Kristallen geschaltet werden kann: Andererseits sind Vorrichtungen zur Auswechselung der Z-ristalle vorgesehen. Bei den zuerst genannten Filtern ist ein Sortiment von relativ teuren Kristallen notwendig, die die Kosten und den Umfang der Einheit vergröpern; bei der letzteren Art ist eine .Änderung der Bandbreite unangenehm, wozu noch Kristalle mit unterschiedlichem Frequenzverhalten benötigt werden. Gemäß der Erfindung enthält ein elektrisches Zellenfilter einen Satz im wesentlichen identischer, polarisierter, ferroelektrischer Keramikresonatorelemente, bei denen die mechanische Resonanz bei etwa derselben Fiequenz auftritt; zwei Elektroden befinden sich an der einen Breitseite und mindestens eine Gegenelektrode an der entgegengesetzten Breitseite der-Reson@.torelemente; weiterhin verbinden Leiter die betreffenden Gegenelektroden aller Resonatorelemente miteinander, und außerdem ist eine Vorrichtung vorhanden, die abwechselnd je eine Elektrode aller Resonatorelemente an die entsprechende Elektrode des nächsten Elementes ankoppelt; ein Kondensator ist dabei zwischen allen benachbarten Resonatorelementen eingeschaltet. Das Bandpassfilter gemäß der Erfindung ist stabil, gedrungen und billig und weist einen geringen Einfügungsverlust und einen stark symmetrischen Durchlässigkeitsbereich auf. Die Bandbreite kann leicht in einem weiten Bereich ohne wesentliche Änderung der Mittelfrequenz oder des Formfaktors verändert werden. Zum besseren Verständnis des Erfindungsgegenstandes seieh die beigefügten Figuren näher erläutert. Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines elektromechanischen Resonatorelementes, das in Wellenfiltern gemäß der Erfindung Anwendung findet. Fig. 2 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform des Bandpassfilters gemäß der Erfindung. Die Fig. 3 und 4 sind der Fig. 2 ähnliche Schaltbilder von anderen Ausführungsformen der Erfindung. Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild für den Resonator nach Fig. 1. Die Fig. 6 und 7 zeigen andere Ausführungsformen des Ersatzschaltbildes nach Fig. 5. Fig. 8 ist ein Ersatzschaltbild für das Filter gemäß Figo 2. Fig. 9 ist ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform des Bandbreitenfilters gemäß der Erfindung. Fig. 10 ist eine graphische Darstellung der Durchlässigkeitseigenschaften der Wellenfilter gemäß der Erfindung. Die Grundkortiponente der iiellenfilter gemäß der Erfindung ist ein ferroelektrisches Keramikresonatorelement 10, dessen bevorzugte Ausführungsform vergrößert in Fig. 1 wiedergegeben ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Resonator 10 aus einer dünnen Scheibe 12 eines Imlarisierbaren, ferroelektrischen Keramikmaterials, z.B. Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat oder einer anderen polykristallinen ferroelektrischen Keramikverbindung, die an sich bekannt ist. Allgemein gesehen, sind die ferroelektrischen Keramiken polykristalline, bis zur Reife gebrannte, keramische Stoffe, die durch Anlegung eines elektrostatischen Feldes in einen bestimmten Zustand gebracht (also polarisiert) sind, so dap ihnen die piezoelektrischen Eigenschaften erteilt sind, die in hohem idaße beibehalten werden, nachdem das Feld entfernt ist. Derartige keramische Stoffe sind gewöhnlich durch eine Perowskit-Kristallstruktur ausgezeichnet und weisen eine bedeutend höhere piezoelektrische Empfindlichkeit als die meisten natürlichen piezoelektrischen Kristalle auf; wenn sie richtig polarisiert sind, ist bei einigen ferroelektrischen Keramiken, insbesondere bei den Bleititanatzirkonaten,eine beibehaltene elektromechanische Kopplung in planer oder radialer Richtung in der Größenordnung von 50 j oder mehr recht ungewöhnlich. Im Gegensatz zu den meisten piezoelektrischen Kristallen sind alle ferroelektrischen polykristallinen Keramiken in einer Ebene senkrecht zur Achse oder durch die Polarisationsrichtung isotrop. Scheiben aus derartigen Keramiken.schwingen daher sowohl axial (oder in der Dicke) als auch wirklich radial (oder mit einer Dehnung in Umfangsrichtung). Der radiale Schwingungszustand existiert nicht isoliert in Quarz oder selbst in Einkristallen aus ferroelektrischen Stoffen. Eine weitere Besonderheit der polarisierten ferroelektrischen Keramiken ist das langsame Abklingen oder "Altern" der elektromechanischen lopplung und die Änderung anderer Eigenschaften, z.B. der dielektrischen Konstante und der Frequenzkonstante mit der Zeit und/oder Temperatur. Falls einige Keramikstoffe eine stärkere Alterung und Temperaturabhängigkeit iher Eigenschaften zeigen als andere, so seien die stabileren Stoffe, z.B. Bleititanatzirkonat-Keramiken für eine Verwendung gemäß der Erfindung bevorzugt. Die Resonatorscheibe 12 kann nach einem gängigen keramischen Verfahren, z.B. durch Pressen, Strangpressen oder Gießen grob mit größeren Abmessungen angefertigt werden; nach dem anschließenden Brennen werden durch Schleifen und Polieren die endgültigen Abmessungen hergestellt. Andererseits kann die rohe Scheibe aus einem Stück eines Zylinders aus der reifen Keramik herausgeschnitten werden.Electric Wave Filter The invention relates to electric wave filters and in particular bandpass filters or sieve chains, the electrical resonator elements use. Filters of this general type have long been known, but their uses is limited by certain shortcomings, including the relatively high cost of their Entanglement, fragility, and their large size include. These filters contain Resonators, which consist of parts of a piezoelectric crystal and with a Set of coils and / or capacitors are combined; if a variable bandwidth is desired, an assortment will be available before. Crystals with different frequency properties and tools used to selectively switch between these crystals can be: On the other hand, devices for replacing the Z-crystals are provided. The first mentioned filters are an assortment of relatively expensive crystals necessary, which add to the cost and size of the unit; in the latter Art is a change in the range unpleasant, plus crystals with different Frequency response are needed. According to the invention includes an electrical Cell filters a set of essentially identical, polarized, ferroelectric Ceramic resonator elements in which the mechanical resonance is approximately the same Frequency occurs; two electrodes are on one broad side and at least one counter electrode on the opposite broad side of the reson @ .torelemente; furthermore, conductors connect the relevant counter-electrodes of all resonator elements with each other, and there is also a device that alternates one Electrode of all resonator elements to the corresponding electrode of the next element couples; a capacitor is between all adjacent resonator elements switched on. The band pass filter according to the invention is stable, compact and cheap and has a low insertion loss and a highly symmetrical one Permeability range. The bandwidth can easily be in a wide range can be changed without significantly changing the center frequency or the form factor. For a better understanding of the subject matter of the invention, see the attached figures explained in more detail. Fig. 1 is a partially sectioned perspective view a preferred embodiment of an electromechanical resonator element, which is used in wave filters according to the invention. Fig. 2 is a circuit diagram an embodiment of the band pass filter according to the invention. Figs. 3 and 4 are circuit diagrams similar to FIG. 2 of other embodiments of the invention. FIG. 5 is an equivalent circuit diagram for the resonator according to FIG. 1. the FIGS. 6 and 7 show other embodiments of the equivalent circuit diagram according to FIG. 5. Fig. 8 is an equivalent circuit diagram for the filter of Fig. 2. Fig. 9 is a circuit diagram another embodiment of the bandwidth filter according to the invention. Fig. 10 Figure 13 is a graph of the transmission characteristics of the wave filters according to the invention. The basic component of the iiellefilter according to the invention is a ferroelectric ceramic resonator element 10, its preferred embodiment is shown enlarged in Fig. 1. In a preferred embodiment, there is the resonator 10 consists of a thin disk 12 of an implementable, ferroelectric Ceramic material, e.g. barium titanate, lead zirconate titanate or another polycrystalline ferroelectric ceramic compound, which is known per se. Generally speaking, ferroelectric ceramics are polycrystalline, ceramic ones fired to maturity Substances that are brought into a certain state by the application of an electrostatic field are brought (i.e. polarized), so dap them the piezoelectric properties which are largely retained after the field is removed. Such ceramics are usually characterized by a perovskite crystal structure excellent and have a significantly higher piezoelectric sensitivity than most natural piezoelectric crystals; if she Properly polarized is common with some ferroelectric ceramics, in particular In the case of the lead titanate zirconates, an electromechanical coupling retained in planer or radial direction on the order of 50 j or more is quite unusual. Unlike most piezoelectric crystals, all are ferroelectric polycrystalline ceramics in a plane perpendicular to the axis or through the direction of polarization isotropic. Disks made from ceramics of this type therefore vibrate axially (or in the thickness) as well as really radial (or with an expansion in the circumferential direction). The radial vibrational state does not exist in isolation in quartz or even in Single crystals made from ferroelectric materials. Another peculiarity of the polarized Ferroelectric ceramics is the slow decay or "aging" of the electromechanical coupling and the change in other properties, e.g. the dielectric constant and the frequency constant with time and / or temperature. If some ceramics show a stronger aging and temperature dependence of their properties than others, say the more stable materials, e.g. lead titanate zirconate ceramics for one Use according to the invention preferred. The resonator disc 12 can after a common ceramic processes, e.g. by pressing, extrusion or coarse casting be made with larger dimensions; after the subsequent firing the final dimensions are produced by grinding and polishing. on the other hand the raw disc can be cut out of a piece of a cylinder from the mature ceramic will.

Das Resonatorelement 10 weist Kondensatorelektroden auf, die vier Anschlüsse darstellen. Bei der dargestellten Ausführungsform bestehen sie aus einer k)-eisrunden Mittelpunktselektrode 14 auf der einen Breitseite der Scheibe 12, aus einer Ringelektrode 16, die auf derselben Scheibenfläche konzentrisch angeordnet ist, und aus mindestens einer Gegen elektrode 18 auf der entgegengesetzten Breitseite der Scheibe. Die Gegenelektrode 18 kann auch in Form gesonderter kreisrunder Ringelektroden vorliegen, die entgegengesetzt zu den Elektroden 12 und 14 angebracht sind. Die Scheibe 12 ist durch Anlegung eines elektrostatischen Feldes zwischen ihren Breitseiten in ihrer Dickenrichtung polarisiert. Die Polarisation kann sich auf den gesamten Querschnittsbereich der Scheibe erstrecken oder auf die Beräiche begrenzt sein, die unter den Elektroden 14 und 16 liegen. Die Scheibe 12 kann zweckmäßigerweise in der letzteren Form dadurch polarisiert werden, daß die Elektroden 14 und 16 an. dem einen Pol einer Gleichspannungsguelle und die Elektrode 18 an dem anderen Pol angeschlossen werden. Verschiedene spezielle bekannte Polarisationsverfahren können hierbei angewendet werden. Die in dieser Wise polarisierte und mit Elektroden versehene Scheibe 12 schwingt radial bei Anlegung eines rechselstromsignals in der Polarisationsrichtung. Bei einer vorgegebenen Frequenz zeigt der Resonator 10 eine machanische Resonanz in der Grund- oder einer Oberschwingung. Bei der dargestellten Ausführungsform wird dies durch eine geeignete Bemessung der Scheibe 12 erreicht. Die Dickenausdehnung det Scheibe 12 ist sehr gering im Vergleich zum Durchmesser; folglich ist die Resonanzfrequenz fast gänzlich durch den Scheibendurchmesser festgelegt, und die Schwingung erfolgt, wie zuvor erklärt, radial. Bei einem Zwischenfrequenz-Bandpassfilter fällt die Resonanzfrequenz der Grundschwingung oder Oberschwingung im wesentlichen mit der gewünschten Mittelfrequenz des Durchlässigkeitsbereiches von z.B. 455 kHz zusammen. Die Frequenz der ersten Oberschwingung wird bevorzugt, weil die Elektroden 14 und 16 dann in dem Bereich einer maximalen radialen Beanspruchung angebracht werden können und ein unechtes Ansprechen in starkem Maße vermieden wird. Ein weiterer Vorteil der Resonanz in der ersten Oberschwingung von Zwischenfrequenzfiltern besteht darin, daß der Durchmesser der Scheibe so groß sein kann; daß eine leichte Handhabung möglich ist. Die Resonatorelemente für die hier beschriebenen Filter haben folgende ungefähre Konstruktoonshilfsgrößen: Modifiziertes Bleizirkonattitanat: Pb0995Sr0105(Zr0,53Ti0,47)03 + 0,7 Gewichtsprozente Cr 203 Durchmesser der Scheibe 12: 17/32 Zoll (13,1 mm) Dicke der Scheibe 12: 30 mil (0,76 mm) Äußerer Durchmesser der Elektrode 16: 17/32 Zoll (13,1 mm) Innerer Durchmesser der Elektrode 16: 1/4 Zoll (6,4 mm) Äußerer Durchmesser der Elektrode 14: 11/64 Zoll (4,4 mm) Impedanz an der Elektrode 14: 1500 Ohm (genähert) Impedanz an der Elektrode 16: 270 Ohm (genähert) Resonanzfrequenz der ersten Oberschwingung: 455 kHz. In Fig. 2 ist schematisch ein Zwischenfrequenz-Bandpassfilter 20 zu sehen, das mehrere elektromechanische Resonatorelemente mit@vjr Anschlüssen enthält, die in Reihe oder Kaskade geschaltet sind. Es sind vier Resonatorelemente 10a-10d in der speziellen Form des Resoantorelementes 10 dargestellt. Diese Elemente 10a-10d sind in jeder Hinsicht etwa einander identisch. Im Filter 20 sind entsprechende Gegenelektroden 18e-18d aller Resonatorelemente unmittelbar durch einen Leiter 22 miteinerander verbunden. Das Eingangswignal wird zwischen einer Anschlußklemme 24 am Leiter 22 und einer Anschlußklemme 26 eines Leiters 28 angelegt, der mit einer Mittelelektrode 14a der Scheibe 10a in Verbindung steht. Auf diese Weise wird das Eingangssignal an die Mittelelektrode der ersten Scheibe angelegt; stattdessen kann jedoch das Eingangssignal auch der Ringelektrode zugeführt werden. Nie sich aus der weiteren :Beschreibung erkennen lässt, verhalten sich die Resonatorelemente wie Impedanzwandler, deren :Tittelelektrode die Anschlußklemme mit der hohen Impedanz und deren Ringelektrode die Anschlußklemme mit der niedrigen Impedanz ist. Um eine gute Impedanzanpassung und foglich eine maximale Energieübertragung zwischen den Stufen der Siebkette zu erreichen, wird die eine Elektrode (Die Mittel- oder. Ringelektrode) der betreffenden Elemente mit der entsprechenden Elektrode des nächsten Elementes verbunden. In der wchaltung nach Fig. 2 verbindet ein Leiter 30 eine Ringelektrode 16a des Resonators 10a mit einer Ringelektrode 16b des Resonators 10b; ein Leiter 32 stellt eine Verbindung einer Elektrode 14b des Resonators 10b mit einer Mittelelektrode 14c des Resonators 10c her; ein Leiter 34 schließt eine Ringelektrode 16c des Resonators 10c an eine Ringelektrode 16d des Resonators 10d an. Das Ausgangssignal erscheint zwischen einer Anschlußklemme 36, die mit einer --:Jittelelektrode 14d des Resonators/1Od in Verbindung steht, und einem gemeinsamen Erdanschluß 38 des Leiters 22. Jie hervorgehoben sei, ist die Impedanz an den Eingangsklemmen 24, 28 und an den Ausgangsklemmen 36, 38 dieselbe.The resonator element 10 has capacitor electrodes which represent four connections. In the embodiment shown, they consist of a k) -eisrunden center electrode 14 on one broad side of the disk 12, of a ring electrode 16 which is concentrically arranged on the same disk surface, and of at least one counter electrode 18 on the opposite broad side of the disk. The counter electrode 18 can also be in the form of separate circular ring electrodes which are attached opposite the electrodes 12 and 14. The pane 12 is polarized in its thickness direction by the application of an electrostatic field between its broad sides. The polarization can extend over the entire cross-sectional area of the disk or be limited to the areas which lie under the electrodes 14 and 16. The disk 12 can expediently be polarized in the latter form in that the electrodes 14 and 16 are attached. one pole of a DC voltage source and the electrode 18 are connected to the other pole. Various specific known polarization methods can be used here. The disk 12 polarized in this way and provided with electrodes vibrates radially in the direction of polarization when a current signal is applied. At a given frequency, the resonator 10 exhibits a mechanical resonance in the fundamental or a harmonic. In the embodiment shown, this is achieved by suitable dimensioning of the disk 12. The thickness extension of the disk 12 is very small compared to the diameter; consequently, the resonance frequency is almost entirely determined by the disk diameter, and the oscillation is radial, as explained above. In the case of an intermediate frequency bandpass filter, the resonance frequency of the fundamental or harmonic essentially coincides with the desired center frequency of the transmission range of, for example, 455 kHz. The frequency of the first harmonic is preferred because the electrodes 14 and 16 can then be placed in the region of maximum radial stress and spurious response is greatly avoided. Another advantage of resonance in the first harmonic of intermediate frequency filters is that the diameter of the disk can be so large; that easy handling is possible. The resonator elements for the filters described here have the following approximate constructive auxiliary sizes: Modified lead zirconate titanate: Pb0995Sr0105 (Zr0.53Ti0.47) 03 + 0.7 percent by weight Cr 203 Disk 12 diameter: 17/32 in. (13.1 mm) Thickness of the disc 12: 30 mil (0.76 mm) External diameter of the Electrode 16: 17/32 in. (13.1 mm) Inner diameter of the electrode 16: 1/4 inch (6.4 mm) External diameter of the Electrode 14: 11/64 in. (4.4 mm) Impedance at electrode 14: 1500 Ohm (approximate) Impedance at electrode 16: 270 Ohm (approximate) Resonance frequency of the first Harmonics: 455 kHz. An intermediate frequency bandpass filter 20 can be seen schematically in FIG. 2, which contains a plurality of electromechanical resonator elements with connections which are connected in series or in cascade. Four resonator elements 10a-10d in the special shape of the resonator element 10 are shown. These elements 10a-10d are approximately identical to one another in all respects. In the filter 20, corresponding counter-electrodes 18e-18d of all resonator elements are directly connected to one another by a conductor 22. The input signal is applied between a connection terminal 24 on conductor 22 and a connection terminal 26 of a conductor 28 which is connected to a center electrode 14a of the disk 10a. In this way the input signal is applied to the center electrode of the first disc; instead, however, the input signal can also be fed to the ring electrode. As can never be seen from the further description, the resonator elements behave like impedance converters, whose: center electrode is the connection terminal with the high impedance and whose ring electrode is the connection terminal with the low impedance. In order to achieve a good impedance matching and consequently a maximum energy transfer between the stages of the sieve chain, one electrode (the central or ring electrode) of the relevant elements is connected to the corresponding electrode of the next element. In the circuit according to FIG. 2, a conductor 30 connects a ring electrode 16a of the resonator 10a with a ring electrode 16b of the resonator 10b; a conductor 32 connects an electrode 14b of the resonator 10b to a center electrode 14c of the resonator 10c; a conductor 34 connects a ring electrode 16c of the resonator 10c to a ring electrode 16d of the resonator 10d. The output signal appears between a connection terminal 36, which is connected to a -: Jittelelectrode 14d of the resonator / 10d, and a common ground connection 38 of the conductor 22. It should be emphasized that the impedance is at the input terminals 24, 28 and at the output terminals 36, 38 the same.

Gemäß der Erfindung ist ein Kondensator zwischen mindestens zwei Elemente der Kette eingeschaltet. "'lie in Figo 2 zu sehen ist, sind diese Kondensatoren abwechselnd parallel und in Reihe angeschlossen; also ist ein Kondensator zwischen wechselweise aufeinanderfolgenden Resonatorpaaren parallel und eine weiterer Kondensator zwischen den dazwischenliegenden Paaren in Reihe angeschlossen. Auf diese :Heise liegt ein Überbrückungskondensator C1 an den Leitern 30 und 22 zwischen den Resonatorelementen 10a und 10b; ein weiterer Überbrückungskondensator C3 ist in ähnlicher Weise zwischen den Resonatorelementen 10c und 10d angeschlossen; ein Reihenkondensator C2 ist im Leiter 32 eingeschaltet, der die Mittelelektroden 14b und 14c der Elemente 10b bezw. 10c verbindet. Wie bemerkt sei, liegen die Überbrückungskondensatoren C1 und C3 an den Ringelektroden der betreffenden benachbarten Resonatorelemente, während der Reihenkondensator zwischen den l;,Tittelelektroden der benachbarten Resonatorelemente eingeschaltet ist. Wenn auch diese Anordnung bevorzugt wird, so ist doch die umgekehrte Anordnung auch arbeitsfähig. Wie hervorgehoben sei, kann eine beliebige Anzwhl Resonatorelemente in der beschriebenen Art und Weise angeschlossen werden; zwei ist dabei die kleinste Zahl, während vier die bevorzugte Zahl für die meisten praktischen Fälle ist. Vienn eine gerade Anzahl Resonatoren verwendet wird, werden die Eingangs- und Ausgangssignale derselben Elektrode, also der Mittel- oder Ringelektrode,zugeführt und an dieser abgenommen; daher ist, wie zuvor ausgeführt,'die Impedanz die gleiche; bei einer ungeraden Anzahl Resonatorelemente werden die Eingangs- und Ausgangssignale Elektroden mit unterschiedlicher Impedanzgröße zugeordnet, was AnlaB zu einer Impedanzwandlung über das Filternetzwerk gibt. Die Figo 4 und 3 zeigen Schaltungen 40 und 42, in denen die Kopplungskondensatoren alle in Reihe bzw. alle parallel angeschlossen sind.According to the invention, a capacitor is between at least two elements the chain switched on. "'allowed in Figo 2 see is these Capacitors connected alternately in parallel and in series; so is a capacitor between alternately successive pairs of resonators in parallel and one more Capacitor connected in series between the intermediate pairs. on this: Heise there is a bypass capacitor C1 on the conductors 30 and 22 between the resonator elements 10a and 10b; another bypass capacitor is C3 similarly connected between resonator elements 10c and 10d; a Series capacitor C2 is turned on in conductor 32, which has center electrodes 14b and 14c of the elements 10b respectively. 10c connects. As noted, the bypass capacitors are in place C1 and C3 on the ring electrodes of the relevant neighboring resonator elements, while the series capacitor between the l;, center electrodes of the neighboring Resonator is switched on. If this arrangement is also preferred, then so the reverse arrangement is also able to work. As pointed out, can any number of resonator elements connected in the manner described will; two is the smallest number, while four is the preferred number for the most practical cases is. If an even number of resonators is used, the input and output signals of the same electrode, i.e. the central or Ring electrode, supplied and removed from this; hence, as stated earlier, 'the Impedance the same; with an odd number of resonator elements, the input and output signals associated with electrodes with different impedance magnitudes, what There is an occasion for an impedance conversion via the filter network. Figures 4 and 3 show Circuits 40 and 42 in which the coupling capacitors are all in series and all connected in parallel.

Die Bandbreite der Filter gemäß der Erfindung wird durch den Wert und das Verhältnis der Kopplungskondensatoren beeinfluß, wie sich aus der nachfolgenden Berechnung erkennen läßt, die anhand der Figuren 5-9 ausgeführt wird. Die Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild für das Resonatorelement 10 mit vier Anschlüssen, wobei die Verluste vernachlässigt sind. In dieser Schaltung ist: Im die Masse der Scheibe 12, Cm die Nachgiebigkeit des Materials der Scheibe 12, CD die elektrische Kapazität an der i;Tittelelektrode 14, CR die elektrische Kapazität an der Ringelektrode 16, N ein idealer Wandler, dessen Wandlungsverhältnis im wesentlichen gleich ist. Fig. 6 zeigt ein der Figo 5 entsprechendes Ersatzschaltbild, das durch Ersatz der Größe CR durch die Größe C111 (= CR/NL) und Hinzufügung einer Belastungsimpedanz R, abgeändert ist. Wenn in Fig. 6 die Belastungsimpedanz RZ kleiner als der Kapazitive Wirkwiderstand von CR1 ist, kann angenommen werden, daß C R1 = 0 ist und sich die Schaltung auf das Schaltbild nach Fig. 7 reduziert. Falls der Gütefaktor Q des Netzwerkes größer als 10 ist, ist die Gleichung für eine Parallel-Resonanzfrequenz fa der Schaltung nach Fig. 7: Aus der Gleichung (1) erkennt man, daß diese Frequenz der Gegenresonanzfrequenz der Mittelelektrode bei kurzgeschlossener Ringelektrode entspricht; sie entspricht ebenfalls der Resonanzfrequenz der Ringelektrode bei isolierter Irlittelelektrode. Wie man also erkennen kann, ergibt sich ein die Impedanz wandelndes Netzwerk, das eine sehr geringe Impdanz an der Ringelektrode und eine sehr hohe Impedanz an der Mittelelektrode aufweist. Wenn man eine Analogie zwischen der Schaltung nach Fig. 7 und einem üblichen, die Impedanz wandelnden Z-Abschnitt zieht, lassen sich folgende Beziehungen anwenden: Eingangsimpedanz Zl = w LmQ Q = w Lm/RZ ZiRZ= (w Lm)2 Für eine gegebene Induktivität Lm wird eine Konstante hergestellt, die dem Produkt aus Eingangs- und Ausgangsimpedanz gleich ist. Ein großer Viertebereich besteht für Zi und RZ,_da der Gütefaktor Q des Netzwerkes sich unmittelbar mit dem Verhältnis Zi/RZ ändert. Aus Fig. 8, in der ein Ersatzschaltbild für das in Fig. 2 dargestellte Filter wiedergegeben ist, läßt sich erkennen, daß bei Zunahme der Kapazitäten C1 und C2 (die natürlich gleich sind) und bei Abnahme der Kapazität C2 der Gütefaktor Q und somit die Bandbreite des Filters niedriger werden. Allgemein :ausgedrückt, wird dann die Bandbreite dadurch geändert, daß das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsimpedanz verändert wird, während das Produkt von Eingangs- und Ausgangsimpedanz gleich einer Konstanten beibehalten wird, Bevor die Ergebnisse beschrieben werden, die durch Anwendung dieser Prinzipien erhältlich sind, sei ein Filter 44 mit einer veränderbaren Bandbreite gemäß Fig. 9 erläutert. Das Filter 44 enthält die Resonatorelemente 10a und 10b und 10e, die, wie zuvor beschrieben, als Kette geschaltet und in Fig. 2 dargestellt sind. Anstelle der einzelnen Kondensatoren C1 und C2 enthält das Filter 44 Kondensatorbänke 46 und 48, die aus mehreren einzelnen Kondensatoren aufgebaut sind und zwischen den Resonatorelementen parallel oder in Reihe eingeschaltet sein können. In der dargestellten Ausführungsform enthält die Kondensatorbank 46 vier Kondensatoren 46a-46d, deren einer Anschluß mit dem Leiter 30 in Verbindung steht, der zwischen den beiden Ringelektroden 16a und 16b der Resonätorelemente 10a und 10b verläuft. Die anderen Anschlüsse der Kondensatoren 46g-46t( sind an Kontaktpunkten A-D eines Wählschalters 50 angeschlossen. Ein sich bewegender Kontakt 52 des Schalters 50 ist mit dem Leiter 24 verbunden, so daß ein beliebiger Kondensator 46a-46d ausgewählt und parallel zwischen den Resonatorelementen 10a und 10b eingeschaltet werden kann. Eine beliebige .Anzahl Kondensatoren können in Ab: ängigkeit von den gewünschten Teilen der Bandbreite verwendet werden. Außerdem können die Kondensatoren und der !T;i@ilschalter so angeordnet sein, daß die einzelnen Kondensatoren überlagert, also zusammengerechnet werden können; wefin auch ein Drehw-.hlschalter angegeben ist, so ist diese Darstellung aus Zweckmäßigkeits- und Einfachheitsgründen gewählt; es kann auch ein beliebiger anderer Wählschalter Anwendung finden. In gleicher Weise enthält die Kondensatorbank 48 vier Kondensatoren 48a-48d, deren einer Anschluß mit dem Leiter 34 und deren anderer Anschluß mit einem Kontakt A'-D' eines Wählschalters 54 in Verbindung steht. Der sich bewegende Kontaktteil 56 des Schalters 54 ist mit der Mittelelektrode 14e des Resonatorelementes loc verbunden; auf diese Weise kann ein beliebiger Kondensator 48a - 48d ausgewählt und in Reihe zwischen den Resonatorelementen 10b und 16c eingeschaltet werden. Die Anzahl der Kondensatoren der Bank 48 entspricht der Anzahl der Kondensatorbank 46; die sich bewegenden Kontakte 52 und 56 der Schalter 50 und 54 sind mechanisch miteinander verbunden, wie durch eine unterbrochene Linie 56 angegeben ist, so daß die Auswahl der Kondensatoren in den betreffenden Bänken koordiniert ist.The bandwidth of the filters according to the invention is influenced by the value and the ratio of the coupling capacitors, as can be seen from the following calculation, which is carried out with reference to FIGS. 5-9. FIG. 5 is an equivalent circuit diagram for the resonator element 10 with four connections, the losses being neglected. In this circuit: Im the mass of the disk 12, Cm the flexibility of the material of the disk 12, CD the electrical capacitance at the i; center electrode 14, CR the electrical capacitance at the ring electrode 16, N an ideal converter, its conversion ratio essentially same is. FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram corresponding to FIG. 5, which is modified by replacing the variable CR with the variable C111 (= CR / NL) and adding a load impedance R. If the load impedance RZ in FIG. 6 is less than the capacitive effective resistance of CR1, it can be assumed that C R1 = 0 and the circuit is reduced to the circuit diagram according to FIG. If the quality factor Q of the network is greater than 10, the equation for a parallel resonance frequency fa of the circuit according to FIG. 7 is: From equation (1) it can be seen that this frequency corresponds to the counter-resonance frequency of the center electrode when the ring electrode is short-circuited; it also corresponds to the resonance frequency of the ring electrode with an isolated Irlittelelectrode. As can be seen, the result is an impedance-converting network that has a very low impedance at the ring electrode and a very high impedance at the center electrode. If one draws an analogy between the circuit according to FIG. 7 and a conventional Z-section which converts the impedance, the following relationships can be used: input impedance Zl = w LmQ Q = w Lm / RZ ZiRZ = (w Lm) 2 For a given inductance Lm, a constant is established which is equal to the product of the input and output impedance. There is a large fourth range for Zi and RZ, as the quality factor Q of the network changes directly with the ratio Zi / RZ. From FIG. 8, which shows an equivalent circuit diagram for the filter shown in FIG Bandwidth of the filter become lower. Generally speaking, the bandwidth is then changed by changing the ratio of input to output impedance while keeping the product of input and output impedance equal to a constant. Before describing the results obtained by applying these principles, a filter 44 with a variable bandwidth according to FIG. 9 is explained. The filter 44 contains the resonator elements 10a and 10b and 10e, which, as previously described, are connected as a chain and are shown in FIG. Instead of the individual capacitors C1 and C2, the filter 44 contains capacitor banks 46 and 48, which are constructed from a plurality of individual capacitors and can be connected in parallel or in series between the resonator elements. In the embodiment shown, the capacitor bank 46 contains four capacitors 46a-46d, one terminal of which is connected to the conductor 30 which runs between the two ring electrodes 16a and 16b of the resonator elements 10a and 10b. The other terminals of capacitors 46g-46t (are connected to contact points AD of a selector switch 50. A moving contact 52 of switch 50 is connected to conductor 24 so that any capacitor 46a-46d is selected and in parallel between resonator elements 10a and 10b Any number of capacitors can be used, depending on the desired parts of the bandwidth. In addition, the capacitors and the switch can be arranged in such a way that the individual capacitors can be superimposed, ie added together; If a rotary selector switch is also specified, this representation is chosen for reasons of convenience and simplicity; any other selector switch can also be used.In the same way, the capacitor bank 48 contains four capacitors 48a-48d, one of which is connected to the conductor 34 and its other connection to a contact A'-D 'of a selector switch 54 in Connection. The moving contact portion 56 of the switch 54 is connected to the center electrode 14e of the resonator element loc; in this way, any capacitor 48a-48d can be selected and connected in series between resonator elements 10b and 16c. The number of capacitors in bank 48 corresponds to the number of capacitor bank 46; the moving contacts 52 and 56 of switches 50 and 54 are mechanically linked as indicated by broken line 56 so that the selection of capacitors in the respective banks is coordinated.

Die Werte der betreffenden einzelnen Kondensatoren 46a - 46b und 48a - 48b sind derart ausgewählt, daß das Verhältnis von Eingangs- zur Ausgangsimpedanz zunehmend geändert werden kann, während das Produkt dieser Impedanzen im wesentlichen konstant bleibt. In Fig. 10 ist eine Schar von Kurven I-V aufgetragen, die die typischen Durchlässigkeitseigenschaften und Bandbreitenänderungen wiedergibt, die mit dem Filter gemäß der Erfindung erhältlich sind. Diese Kurven werden mit einem Filter aus vier Resonatoren erhalten, das in Fig. 2 gezeigt ist. Die Resonatorelemente weisen eine Resonanzfrequenz bei der ersten Oberschwingung von 455 kHz auf; die übrigen Konstanten der Schaltung gehen aus folgender Tabelle hervor: Kurve i Cl, C3 ' C2 Bandbreite Bandbreite Formfaktor Nr. bei 60db bei 6 db 60 db ddb I 0 0 105 kHz 24 kRz 4,37 1I 150 pYF 750 ,UIV F 77 kHz 16 kHz 4,81 III 130 ppF 1462 eF 62 kHz 13 kHz 4,77 IV j 75 p wF 2000 eF 5795 kHz 10 kHz 5975 V 22 @;,VF 0, 01 @/F 24,5 kHz 4 kHz 6,1 Aus den zuvor angegebenen Jerten und den in Fig. 10 dargestellten Kurven läßt sich erkennen, d,ß die Filter gemäß der Erfindung einen beträchtlichen Bandbreitenbereich , äußez-st symmetrische Durchlässigkeitseigenschaften bei einem relativ gleichförmigen Formfaktor und eine im wesentlichen konstante Mittelfrequenz aufweisen. Der Erfindungsgegenstand kann auch auf veränderbare Bandbreitenfilter gemäß Fig. 9 angewendet werden; er kann auch bei der Anfertigung von Filtern mit fester Bandbreite in einem großen Bandbreitenbereich Verwendung finden.The values of the respective individual capacitors 46a-46b and 48a-48b are selected such that the ratio of input to output impedance can be progressively changed while the product of these impedances remains essentially constant. A family of curves IV is plotted in FIG. 10 which shows the typical transmission properties and bandwidth changes which are obtainable with the filter according to the invention. These curves are obtained with a four resonator filter shown in FIG. The resonator elements have a resonance frequency at the first harmonic of 455 kHz; the other constants of the circuit are shown in the following table: Curve i Cl, C3 'C2 bandwidth bandwidth form factor No. at 60db at 6 db 60 db ddb I 0 0 105 kHz 24 kRz 4.37 1I 150 pYF 750 , UIV F 77 kHz 16 kHz 4.81 III 130 ppF 1462 e F 62 kHz 13 kHz 4.77 IV j 75 p wF 2000 eF 5795 kHz 10 kHz 5975 V 22 @; , V F 0.01 @ / F 24.5 kHz 4 kHz 6.1 From the values given above and the curves shown in FIG. 10 it can be seen that the filters according to the invention have a considerable bandwidth range, extremely symmetrical transmission properties with a relatively uniform form factor and an essentially constant center frequency. The subject matter of the invention can also be applied to variable bandwidth filters according to FIG. 9; it can also be used in the manufacture of fixed bandwidth filters over a wide range of bandwidths.

Claims (7)

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Elektrisches Wellenfilter, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Reihe im wesentlichen identisch polarisierter ferroelektrischer Keramikresonatorelemente, deren mechanische Resonanz im wesentlichen bei derselben Resonanzfrequenz auftritt, durch zwei Elektroden auf der einen Breitseite und mindestens einer Gegenelektrode auf der entgegengesetzten Breitseite der Resonatorelemente, durch elektrische Leiter, die die betreffenden Gegenelektroden aller Resonatorelemente verbinden, durch Kopplungsvorrichtungen, die abwechselnd die eine Elektrode aller Resondtorelemente mit der entsprechenden Elektrode des nächst nachfolgenden Elementes verbinden, und durch einen Kondensator, der zwischen allen benachbarten Resonatorelementeh angeschlossen ist. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Electric wave filter, g e k A number of essentially identically polarized elements are shown ferroelectric ceramic resonator elements whose mechanical resonance is essentially occurs at the same resonance frequency, through two electrodes on one broad side and at least one counter electrode on the opposite broad side of the resonator elements, by electrical conductors that form the relevant counter electrodes of all resonator elements connect, by coupling devices, which alternate one electrode of all Resondtorelemente with the corresponding electrode of the next following element connect, and through a capacitor which is placed between all adjacent resonator elements connected. 2. Wellenfilter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kondensatoren abwechselnd parallel und abwechselnd in Reihe mit den gekoppelten Elektroden verbunden sind. 2. Wave filter according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z E i c h n e t that the capacitors alternate in parallel and alternately in series are connected to the coupled electrodes. 3. Wellenfilter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kondensatoren parallel mit den gekoppelten Elektroden verbunden sind. 3. wave filter according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the capacitors are in parallel with the coupled electrodes are connected. 4. Wellenfilter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kondensatoren in Reihe mit den gekoppelten Elektroden liegen. 4. wave filter according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the capacitors are in series with the coupled Electrodes. 5. Wellenfilter nach .Ansprüchen 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Resonatorelemente dünne, in der Dickenrichtung polarisierte Scheiben sind, die so bemessen sind, daß sie in radialer Richtung in der ersten Oberschwingung bei einer vorgegebenen Frequenz schwingen. 5. Wave filter according to. Claims 1 - 4, d a it is noted that the resonator elements are thin in the thickness direction are polarized disks that are sized so that they are in the radial direction of the first harmonic oscillate at a given frequency. 6. Wellenfilter nach .Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die eine Elektrode im Mittelpunkt der einen Breitseite angeordnet ist und die andere Elektrode ringförmig und Konzentrisch zu der ersten liegt. 6. Wave filter According to .Anspruch 5, that the one electrode is arranged in the center of one broad side and the other electrode is ring-shaped and is concentric to the first. 7. Wellenfilter nach Ansprüchen 1 - 6, g e k e n n z e i c h n etl d u r c h eine Verstellvorrichtung, mit der die Kondensatoren einstellbar sind,, die zwischen den Resonatorelementen angeschlossen sind, so daß das Verhältnis von Eingangszu Ausgan#-;sinipedanz des betreffenden Filterabschnittes veränderbar ist, während das Produkt dieser Impedanz im wesentlichen konstant bleibt.7. wave filter according to claims 1-6, g e k e n n z e i c h n etl d u r c h an adjustment device with which the capacitors are adjustable, which are connected between the resonator elements, so that the ratio of input to output # -; sinipedance of the relevant filter section is changeable, while the product of this impedance remains essentially constant.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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