DE1616671C2 - Elektromechanisches Filter - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft elektromechanische Filter, wie sie in Zwischenfrequenzübertragern von Radioempfängern und in anderen Übermittlungseinrichuingen und -kreisen Verwendung finden.

Meist bestehen elektromechanische Filter im wesentlichen aus einer Kette von Resonatoren mit kreisscheibenförmiger Gestalt und von Kopplungsgliedern, welche die Resonatoren miteinander verbinden. Aus der Zeitschrift »Bulletin of the Yamagata University — Engineering Edition« Vol. 5 (März 1959), No. 2, S. 335 bis 372, ist ferner ein elektromechanisches Filter bekannt, das durch ein aus Metall gefertigtes Schwingsystem verwirklicht ist, bei welchem auf der Oberfläche dünne Platten aus elektrostriktivem oder piezoelektrischein Material aufgebracht sind, die ihrerseits Elektrodenplatten tragen und bei welchem ferner zumindest zwei Resonatoren gleicher Abmessung vorgesehen sind, zwischen denen jeweils ein Kopplungssteg quer zu den Resonatoren-Langseiten verläuft. Schließlich sind aus der USA.-Patentschrift 26 83 856 Resonatoren vorbekannt, die durch Rechteckplatten aus Metall verwirklicht sind, auf welchen eine Keramikplatte wenigstens annähernd deckungsgleich aufgebracht ist. Alle diese bekannten elektromechanischen Resonatoren und FiI-ter zeichnen sich durch hohe Frequenzsehktivilät aus. Andererseits jedoch neigen sie zu Nebenschwingungen, hervorgerufen vor allem durch die Kopplung von elastischen Schwingungen unterschiedlicher Schwineungsart innerhalb der Resonatoren. Da diese elastischen Schwingungen als Überlagerung von Schwingungen unterschiedlicher Richtung und unterschiedlicher Schwingungsart auftreten und sowohl von den verwendeten Materialien und deren Anordnung als auch den Abmessungen des Schwingsystems abhängen, bereitet es in der Praxis beträchtliche Schwierigkeiten, das Schwingsystem so auszulegen, daß die erwähnten unerwünschten Nebenschwingungen unterdrückt werden Außerdem sind die bekannten Filter meist infolge ihrer langgestreckten Bauart unhandlich und nur unter Schwierigkeiten in vorgegebene Schaltungen einzubau-

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb die Schaffung eines elektromechanischen Filters, das im wesentlichen frei von Nebenschwingungen ist und das derartige Abmessungen aufweist, daß es leicht in vorgegebene Schaltungen eingebaut werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Mencmale gelöst:

a) Verwendung eines Filter-Schwingsystems, bei welchem zwei oder mehr achsparallel nebeneinander angeordnete Resonatoren gleicher Abmessung aus Metall mit rechteckförmigen Hauptflächen sowie rechteckförmigem Querschnitt in der Mitte ihrer einander zugewandten Schmalseiten jeweils durch einen quer zur Langseite der Resonatoren verlaufenden Kopplungssteg verbunden sind und bei welchem ferner die zugleich als Wandler dienenden Endresonatoren an ihrer Oberfläche mit plattenförmigen! piezoelektrischen oder elektrostriktivem keramischen Material verschen sind:

b) Verwendung eines plattenförmigen Filter-Schwingsystems, bei welchem das Verhältnis zwischen Länge und Breite der Hauptflächen der Resonatoren zwischen (> 2): 1 und (S 3): 1 liegt;

c) Verwendung von Schwingkörpern als Endresonatoren, bei welchen das jeweils auf einer der zwei Resonator-Hauptflächen aufgebrachte piezoelektrische oder elektrostriktive plattenförmige Wandlermaterial wenigstens annähernd deckungsgleich bemessen und auf seiner dem Resonator abgewandten Hauptfläche mit einer Elektrodenplatte versehen ist, während als zweite Elektrodenplatte jeweils der Resonator dient.

Das erfindungsgemäße Filter ist im wesentlichen frei von Nebenschwingungen, da die Resonatoren in Schwingungsrichtung eine völlig gleichförmige Massenverteilung aufweisen. Darüber hinaus ist es bei dem erfindungsgemäßen Filter möglich, durch auf einfache Weise festlegbare Bemessung der Dicke und der Materialkonstanten der Keramikplatten die Kenndaten des Filters vorab exakt festzulegen. Außerdem zeichnet sich das Filter durch eine geringe Baulänge aus.

Es waren zwar bereits elektromechanische Filter bekannt, die aus zwei oder mehr plattenförmigen rechteckigen Resonatoren mit dazwischenliegendem Kopplungssteg aufgebaut sind, und bei denen die Resonatoren ein Seitenverhältnis ihrer Hauptflächen zeigen, das entweder 2 : 1 oder größer als 3 : 1 mit der Maßgabe ist, daß die Langseite quer zum Kopplungssteg verläuft. Diese aus dem Tagungsbericht »1957 IRE National Convention Record« Part 9, bekannten Filter werden jedoch auf andere Weise, nämlich magnetostriktiv, angeregt und weisen folglich keine Beläge aus keramischem Material auf.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der

Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Filter in perspektivischer Ansicht und

Fig.2 und 3 Kurven der Filtereigenschaften des erfindungsgeinäßen Filters.

In Fig. 1 ist ein Platten-Schwingsystem in Gestalt eines H dargestellt, das aus zwei voneinander in Abstand befindlichen identischen, rechteckigen Resonatoren 1 und 2 sowie einem Kopplungsglied 3 besteht, das die beiden Resonatoren miteinander verbindet und mit diesen einstückig ist. Die erwähnten Resonatoren entstehen durch Herausschneiden aus einer einzigen Metallplatte rechteckiger Gestalt. Auf die eine Seite der Resonatoren 1 und 2 sind dünne Platten 4 und 5 aus elektrostriktivem oder piezoelektrischem Material (die Platten werden im folgenden lediglich Keramikplatten genannt) aufgebracht. Diese Keramikplatten sind zwischen Paaren von Elektrodenplatten 1 und 6 bzw. 2 und 7 eingeschlossen (Sandwich-Anordnung). Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform dienen nämlich die Resonatoren 1, 2 zusätzlich als Elektrodenplatten. Die elektrische Verbindung ist nicht dargestellt, es ist jedoch verständlich, daß eine Seite der Resonatoren 1,2 geerdet ist, während die Elektrodenplatten 6 und 7 an die Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen angeschlossen sind. Aufgrund der Lehren nach der Erfindung werden Filtereigenschaften hoher Güte für derartige plattenförmige Schaltelementsysteme erzielt, und zwar durch geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen der Länge und der Breite der Resonatoren. Wird gemäß F i g. 1 die Länge der Resonatoren 1 und 2 mit a, ihre Breite mit b. ihre Dicke mit t sowie die Breite des Kopplungsgliedes 3 mit c und dessen Länge mit d bezeichnet, so hat sich gezeigt, daß von diesen verschiedenen Dimensionen das Verhältnis zwischen a und öden wesentlichsten Einfluß auf die Eigenschaften der Nebenwellenanregung aufweist. Obwohl die Mittenfrequenz des Filters im allgemeinen durch die Länge a der Resonatoren bestimmt wird, hat sich gezeigt, daß selbst mit konstanten Werten der Dimensionen a, c, d und t der Grad der wirksamen Kopplung zwischen den mechanischen Schwingungen der Resonatoren 1 und 2 die Tendenz zeigt, mit dem Anstieg der Breite b dieser Elemente ebenfalls anzusteigen, wodurch der Zwischenraum zwischen zwei Scheitelwerten der Amplitudenkurven der Filter sich vergrößert und damit das Filterband verbreitert wird, wobei sich die Trenneigenschaft des Filters verschlechtert. In F i g. 2 ist die Amplitudenkurve für genügend großen Gütewert Q durch die Kurve M und für kleinen Gütewert Q durch die Kurve N dargestellt, woraus zu ersehen ist, daß bei kleinen Gütewerten Q das Band sich verbreitert, die Trenneigenschaft sich jedoch verschlechtert. Die Ergebnisse von Experimenten zeigen darüber hinaus, daß, wenn der Wert der Breite b des Resonators a/2 erreicht oder diesen Wert überschreitet, zusätzlich zur normalen Grundschwingung eine unerwünschte Nebenwellenanregung auftritt. Es hat sich außerdem gezeigt, daß, wenn der

linkt, die

Wert von b unter a/2 absinkt, diese Nebenwellenanregung fortlaufend abnimmt und bei etwa 6= a/3 zu im wesentlichen Null wird Diese Beziehungen sind durch Kurven in F i g. 3 dargestellt. Auf dem oberen Teil von Fig. 3 sind drei Resonatoren A, B und Ba mit den verschiedenen, angegebenen Abmessungen dargestellt, während die Kurven A. B und Ba die entsprechenden Filterkurven darstellen. Die Kurve A gilt Tür die folgenden Bedingungen. Abmessungen des Resonators A:

a = 5,3 mm
b = 1,9 mm
t" = 0,5 mm
d = 1,2 mm
/ = 0,6 mm

Abmessungen der Keramikplatten 4 und 5:
5,1 χ 1,9 χ 0,2 mm

Metallplatte: Duraluminiumplatte höchster Festigkeit.

Eingan^sspannung = 100 mV,

Ausgangsspannung = 38,8 mV (bei 19⁰C).

Abschlußwiderstände: 1 kO.

In diesem Fall beträgt das Verhältnis bin = 0,36, und es zeigte sich keinerlei Nebenwellenanregung. Wenn jedoch

a = 5,3 mm
b = 2,65 mm
bla = 0,5

so ergibt sich eine bestimmte Nebenwellenanregung, wie in den Kurven ßund Bagezeigt.

Bezüglich der Abmessung des Kopplungsclernents 3 kann gesagt werden, daß seine Länge d gemäß der Herstellung und Bearbeitung geeignet gewählt werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es vorteilhaft ist, die Länge d kleiner als b und die Breite c im Bereich zwischen a/8 bis a/12 zu wählen.

Ferner hat es sich als wünschenswert erwiesen, das Produkt aus de Resonanzfrequenz und der Länge des Resonators, d. h. die effektive Frequenzkonstante, auf einem Wert zwischen den Resonanzfrequenzen der Metallplatte und der keramischen Platten zu halten, und zwar durch geeignete Bemessung des Verhältnisses zwischen der Dicke dieser Platten und der Bindung zwischen diesen. Aus diesem Grund soll die Dicke t der Metallplatte vorzugsweise kleiner als ο gewählt werden.

Wenn auch im obigen der Fall eines mechanischen Filters mit zwei Resonatoren und einem Kopplungsglied beschrieben worden ist, so kann offensichtlich die gleiche Wirkung auch bei einem Filter höherer Ordnung erreicht werden, das durch Verbinden von N Resonatoren und (N- 1) Kopplungsgliedern in Form einer Kette gebildet ist, wobei Keramikplatten nur auf die Resonatoren an beiden Enden der Kette aufgebracht sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektromechanisches Filter, gekennzeichnet d u r c h die Kombination folgender Merkmale:

a) Verwendung eines Filter-Schwingsystems, bei welchem zwei oder mehr achsparalle! nebeneinander angeordnete Resonatoren (1, 2) gleicher Abmessung aus Metall mit rechteckiormigen Hauptflächen sowie rechteckförmigem Querschnitt in der Mitte ihrer einander zugewandten Schmalseiten jeweils durch einen quer zur Langseite der Resonatoren (1, 2) verlaufenden Kopplungssteg (3) verbunden sind und bei welchem ferner die zugleich als Wandler dienenden Endresonatoren (1, 2) an ihrer Oberfläche mit plattenförmigen! piezoelektrischen oder elektrostriktivem keramischen Material versehen sind;

b) Verwendung eines plattenförmigen Filter-Schwingsystems, bei welchem das Verhältnis zwischen Länge und Breite der Hauptflächen der Resonatoren (1, 2) zwischen (> 2): 1 und (JS 3): 1 liegt;

c) Verwendung von Schwingkörpern als Endresonatoren, bei welchen das jeweils auf einer der zwei Resonator-Hauptflächen aufgebrachte piezoelektrische oder elektrostriktive plattenförmige Wandlermaterial wenigstens annähernd deckungsgleich bemessen und auf seiner dem Resonator abgewandten Hauptfläche mit einer Elektrodenplatte (6, 7) versehen ist, während als zweite Elektrodenplatte jeweils der Resonator dient.

2. Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Duraluminium für die Resonatoren (1,2).