DE1441223C - Elektromechamsches Filter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Filter für den Niederfrequenzbereich, an dessen beiden Enden metallische Schwinger vorgesehen sind, die mit Wandlern zum Übergang von mechanischen auf elektrische Schwingungen und umgekehrt versehen sind und bei dem diese Wandler aus einem piezoelektrischen Material bestehen, dessen Güte wesentlich geringer als die Güte der metallischen Schwinger ist und das auf wenigstens einer der Seiten des jeweiligen Schwingers vorgesehen, insbesondere angeklebt ist.

Bei einem elektromechanischen Filter sind bekanntlich an der Eingangs- und Ausgangsseite Wandler zum Übergang von den elektrischen Schwingungen in die mechanischen Schwingungen und umgekehrt vorgesehen, zwischen denen das eigentliche mechanische Filter eingefügt ist, das aus wenigstens einem eine scharfe Resonanz aufweisenden mechanischen Schwinger besteht (vgl. Fig. 1). Das Filter wandelt also zuerst das elektrische Signal in die mechanischen Schwingungen, die dann das mechanische Filter als Signal durchlaufen und gibt dieses als elektrisches Signal dem Ausgang ab.

Mechanische Schwinger sind vor allem durch ihre hohe Selektivität, die auf der sehr großen Güte Q beruht, ausgezeichnet. Weiterhin haben sie den Vorteil der Stabilität für die Umgebungsbedingungen, der mechanischen Festigkeit, der kleinen Abmessung usw. Im Frequenzbereich von einigen zehn kHz bis zu einigen hundert kHz sind mechanische Filter mit verschiedensten Konstruktionen bereits verwirklicht.

Der Grund, warum trotz der zahlreichen bisher veröffentlichten verschiedenen Konstruktionen das mechanische Filter im Niederfrequenzbereich nicht wie im Hochfrequenzbereich von einigen zehn kHz bis zu einigen hundert kHz zur praktischen Anwendung gekommen ist, liegt anscheinend darin, daß bei dem hauptsächlich im Niederfrequenzbereich verwendeten elektromagnetischen Wandler der genügende elektromechanische Kopplungsgrad und der den Anpassungsbedingungen genügende mechanische oder elektronische Abschluß des mechanischen Filters nicht erreicht wurde. Als ein Beispiel ist in der F i g. 2 ein mechanisches Filter für den Niederfrequenzbereich dargestellt, bei dem zwei aus einer Legierung von 36% Ni und 12% Cre-Fe bestehende Schwinger C, die z. B. eine Breite 10 mm, eine Länge 55 mm und eine Stärke etwa 2,5 mm haben, in der einfachsten Weise durch die aus dem 0,7 0 Pianodraht von Länge 5,5 mm bestehenden Kopplungselemente D an den Knotenpunkten der Schwinger C torsionsgekoppelt sind. Mit E sind die elektromagnetischen Wandler bezeichnet. Die Übertragungskennlinie weist, wie in der Fig. 3 dargestellt ist, den Durchlaßbereich bei etwa 12 kHz auf, bei einer relativen Bandbreite von etwa 0,31%. Das Verhältnis zwischen dem Maximal- und Minimalwert im Durchlaßbereich beträgt etwa 9 db und ist somit in der Regel zu groß. Da es beim Filter in der Regel erwünscht ist, daß der Verlust im Durchlaßbereich klein ist und relativ konstant ist, kann man nicht verneinen, daß derartige Filter industriell kaum anwendbar sein dürften. Soll das Filter der Übertragung einer im Takte eines Unterbrechungssignals modulierten Schwingung im Niederfrequenzbereich dienen, so erfordert dies einen der Unterbrechungsfrequenz entsprechenden Durchlaßbereich. Ist dieser zu schmal, so worden die Verzerrungen des übertragenen Wellentyps zu groß. Wird, wie bei einer Mittenfrequenz von einigen kHz eine Breite des Durchlaßbereichs von einigen 10 kHz gefordert, ist es noch schwieriger, innerhalb des Durchlaßbereichs eine ebene Kennlinie zu erreichen.

Es sind bereits'mechanische Filter nach der Art der sogenannten Kompaktbauweise bekanntgeworden, die insbesondere für den Zwischenfrequenzbereich um 455 kHz geeignet sind. Für diese Filter ist es wesentlich, daß die einzelnen Resonatoren eine möglichst hohe Güte haben, wobei als Endresonatoren Halbwellenresonatoren aus einem piezoelektrischen oder einem magnetostriktiven Material verwendet sind. Die Verwendung von Resonatoren hoher Güte bedeutet, im Gegensatz zur Erfindung, eine möglichst hohe Güte bei allen Resonatoren anzustreben, so daß die für die Anpassungsbedingungen erforderliche Dämpfung auf elektrischem Weg erreicht werden muß. Zur Erzielung hoher Güten ist es ferner bereits bekanntgeworden, sogenannte zusammengesetzte Resonatoren aufzubauen. Die Resonatoren bestehen dabei überwiegend beispielsweise aus einem metallischen Material, so daß ihre Güte im wesentlichen von der Güte des metallischen Materials bestimmt wird. Zur Schwingungsanregung sind elektrostriktiv aktive Plättchen vorgesehen, die im Zuge des Resonators beispielsweise durch ein Lötverfahren eingebracht sind. Die Resonatoren können dabei als schlanke Stäbe oder in der Art von Stimmgabeln ausgebildet sein. In der Beschreibung dieser bekannten Anordnungen wird zwar darauf hingewiesen, daß sich die Schwingungsgüte des zusammengesetzten Resonators je nach dem Anteil des verwendeten elektrostriktiven Materials ändert, jedoch finden sich keine Hinweise darüber, wie mit einem derartigen Resonator eine besonders niedrige Güte zu erreichen ist, zumal bei den bekannten Anordnungen eine möglichst hohe Schwingungsgüte des zusammengesetzten Resonators angestrebt wird.

Bei einem weiteren bekannten Filter bestehen die Endschwinger aus einem magnetostriktiven Material. Zur Umwandlung der mechanischen in die elektrischen Schwingungen sind dabei zwangläufig Spulen erforderlich, um die Kopplung des mechanischen Teils des Filters mit dem elektrischen Teil zu bewirken. Abgesehen davon, daß die Spulen einen verhältnismäßig hohen Raumverbrauch zur Folge haben, lassen sich bei derartigen Filtern vorgegebene Dämpfungsforderungen nur bis zu einem gewissen Grad erfüllen, da wegen der Überkopplung der magnetostriktiven Eingangs- und Ausgangswandler eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Filters hergestellt wird. Zur Vermeidung dieses Effektes ist dann im allgemeinen eine verhältnismäßig aufwendige Schirmung zwischen den magnetostriktiven Wandlerelementen erforderlich.

Weiterhin sind mechanische Filter bekanntgeworden, bei denen die Güte einzelner Resonatoren bewußt vermindert wird. Die für diese Güteverminderung erforderliche Dämpfung wird jedoch durch ein zusätzliches dämpfendes Material bewirkt, z.B. durch einen natürlichen oder einen synthetischen Gummi, durch plastische Substanzen, wie Vaseline, Silikonöl od. dgl. Darüber hinaus kann die Güteverminderung auch durch einen zusätzlichen mechanischen Widerstand bewirkt werden, der beispielsweise in Form eines zusätzlichen langen Stabes verlustbehafteten Materials ausgebildet ist. Die Anbringung eines zu-

sätzlichen mechanischen Widerstandes hat jedoch zwangläufig zur Folge, daß der hierfür erforderliche Bauraum vorgesehen werden muß, so daß eine verhältnismäßig kleine und raumsparende Aufbauweise des Filters nicht mehr zu erreichen ist. Andererseits hat die Verwendung eines viskosen Materials, wie z. B. Vaseline, als zusätzliches dämpfendes Material den Nachteil, daß die mechanischen Eigenschaften und damit die elektrischen Eigenschaften des Filters außerordentlich unstabil werden, da derartige Materialien verhältnismäßig stark temperaturabhängig sind und ihre Eigenschaften auch über einen längeren Zeitraum nicht beibehalten. Wenn die Entwurfsregeln, die beispielsweise bei der Realisierung mechanischer Filter mit piezoelektrischen Wandlerelementen im Bereich höherer Frequenzen bekannt sind und die darauf abgestellt sind, möglichst gute Übertragungsverhältnisse durch einen piezoelektrischen Wandler mit definierten elektrischen Abschlußwiderständen herzustellen, angewendet werden auf solche mechanische Filter, deren Durchlaßbereich im Niederfrequenzbereich liegen soll, dann zeigt sich, daß für das im Niederfrequenzbereich arbeitende Filter sich ein ausreichender elektromechanischer Kopplungsgrad und ausreichende Anpassungsbedingungen nicht erreichen lassen, wodurch andererseits die Bandbreite außerordentlich klein wird. Verwendet man zur Verbesserung der Anpassungsbedingungen aus Spulen und Kondensatoren bestehende Transformationsnetzwerke, dann verbrauchen insbesondere die Spulen verhältnismäßig viel Raum im Vergleich zum gesamten Filter. Darüber hinaus lassen sich Spulen in Form von integrierten Schaltungen nur schwer realisieren, so daß man bestrebt sein wird, mechanische Filter möglichst ohne Transformationsnetzwerke zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mittel anzugeben, um obengenannte Nachteile zu beheben, insbesondere soll ein mechanisches Filter mit kleinen Abmessungen realisierbar gemacht werden, dessen Durchlaßbereich im Niederfrequenzbereich liegt, z. B. unter 10 kHz, und bei dem unter anderem eine größere Bandbreite als bei den bisher in diesem Frequenzgebiet bekannten elektromechanischen Filtern erreichbar ist.

Ausgehend von einem elektromechanischen Filter für den Niederfrequenzbereich, an dessen beiden Enden metallische Schwinger vorgesehen sind, die mit Wandlern zum Übergang von mechanischen auf elektrische Schwingungen und umgekehrt versehen sind und bei dem diese Wandler aus einem piezoelektrischen Material bestehen, dessen Güte wesentlich geringer als die Güte der metallischen Schwinger ist und das auf wenigstens einer der Seiten des jeweiligen Schwingers vorgesehen, insbesondere angeklebt ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß bei den mit Wandlern versehenen Schwingern das Mengenverhältnis von metallischem Material zu Wandlermaterial derart gewählt ist, daß der den Anpassungsbedingungen genügende, für das mechanische Filter jeweils geforderte Abschlußwiderstand im wesentlichen durch die mechanischen Verluste des piezoelektrischen Materials der Wandler gebildet wird.

Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, ist das Auftreten des obenerwähnten Verhältnisses zwischen dem Maximal- und Minimalwert im Durchlaßbereich auf den den Anpassungsbedingungen nicht genügenden Abschluß zurückzuführen. Es kann nämlich der elektrisch-mechanische Abschluß hierbei, aus der Leistungsfähigkeit des Wandlers gesehen, nicht vorgenommen werden.

Der Abschluß muß somit mechanisch ausgeführt werden. Dies hat zur Folge, daß der Schwinger den mechanischen Verlusten unterworfen wird, das bedeutet, daß die Güte Q verkleinert wird. Da der erforderliche mechanische Verlust für den den Anpassungsbedingungen genügenden Abschluß um so größer wird, je mehr das relative Band zunimmt, so wird auch das Verhältnis für die Verkleinerung der Güte Q vergrößert, so daß ein wirksames Mittel zur Verkleinerung der Güte Q erforderlich ist. Die Güte Q des Schwingers wird im wesentlichen durch die Wahl des Materials bestimmt und beträgt in der Regel über einige Tausend. Bisher ging das Bestreben dahin, die Güte Q zu vergrößern. Als Mittel zur weiteren Verkleinerung der Güte Q wird gemäß der Erfindung auf der einen Seite oder auf beiden Seiten des metallischen Schwingers das piezoelektrische keramische Material angeklebt, damit dieser als Wandler verwendet werden kann.

Dieser Effekt wird an Hand von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert.

Der Biegungsschwinger wird zunächst dadurch gebildet, daß, wie in der F i g. 4 dargestellt, auf der einen Seite des Schwingers C mit der Länge 40 mm, Breite 5 mm und Stärke 1 mm, der aus Bariumtitan at BaTiO₃ bestehende piezoelektrische Streifen E mit der Länge 40 mm, Breite 5 mm und Stärke 0,5 mm angeklebt wird, der auf seinen beiden Seiten die eingebrannten Silberelektroden F aufweist. Das einfachste mechanische Filter wird aus zwei derartigen Schwingern dadurch gebildet, daß die Schwinger durch die aus Pianodraht bestehenden, einen Durchmesser von 0,6 mm und eine Länge von 7 mm aufweisenden Kopplungselemente D an ihren Knotenpunkten torsionsgekoppelt werden. Mit S ist der Trä-

ger dargestellt. Die Güte Q jedes Wandlers (Schwingers) beträgt hierbei etwa 200, der äquivalente mechanische Widerstand etwa 76 mech. Ω und der Nennwiderstand in diesem mechanischen Filterteil etwa 100 mech. Ω. Hieraus ergibt sich, daß der gerechte Abschluß fast vorgenommen ist.

Aus der in der F i g. 5 gezeigten Übertragungskennlinie dieses mechanischen Filters ist erkennbar, daß der Verlust im Durchlaßbereich klein und verhältnismäßig eben ist und somit die praktische Anwendbarkeit des mechanischen Filters erreicht werden kann. Während bei den üblichen mechanischen Filtern eine Spule, ein Kondensator, ein Widerstand usw. als Abschlußkunstschaltung vorgesehen werden müssen, kann beim Erfindungsgegenstand der Ab-Schluß ohne diese Bauelemente vorgenommen werden. Es ergibt sich auf diese Weise für den gesamten Aufbau eine Verkleinerung, und das erfindungsgemäße Filter kann somit vorteilhafterweise bei der »Module Circuit«-Technik und bei der »Solid Circuit«-Technik mit verwendet werden.

Wenn zur Verkleinerung der Güte Q das piezoelektrische keramische Material, wie aus dem Gesagten ersichtlich ist, an den mechanischen Schwinger angeklebt wird und dieses als Schwinger an den bei-

den Enden des mechanischen Filters verwendet wird, wird auch im breiten Band ein den Anpassungsbedingungen genügender Abschluß im Filterteil verhältnismäßig leicht durch den mechanischen Verlust inner-

halb des Schwingers ermöglicht, so daß das bisher schwer verwirklichbare, breitbandige mechanische Filter auch im Niederfrequenzbereich verwirklicht werden kann. Die Güte Q des Schwingers ist bei demselben Schwinger durch die Änderung der Stärke des keramischen Materials regulierbar, und dieses kann auch auf beiden Seiten des metallischen Materials angeklebt werden.

Die Lehre nach der Erfindung ist nicht nur bei Biegungsschwingern als mechanische Filter anwendbar, sondern auch bei anderen Schwingern, wie Längsschwinger u. dgl.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektromechanisches Filter für den Niederfrequenzbereich, an dessen beiden Enden metallische Schwinger vorgesehen sind, die mit Wandler zum Übergang von mechanischen auf elektrisch Schwingungen und umgekehrt versehen sind un bei dem diese Wandler aus einem piezoelektri sehen Material bestehen, dessen Güte wesentlich geringer als die Güte der metallischen Schwinge ist und das auf wenigstens einer der Seiten de. jeweiligen Schwingers vorgesehen, insbesondere angeklebt ist, dadurch gekennzeichnet daß bei den mit Wandlern (E) versehenen Schwin gern (C) das Mengenverhältnis von metallischen Material zu Wandlermaterial derart gewählt ist daß der den Anpassungsbedingungen genügende für das mechanische Filter jeweils geforderte Ab schlußwiderstand im wesentlichen * durch die mechanischen Verluste des piezoelektrischei: Materials der Wandler (E) gebildet wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen