DE1616918C2

DE1616918C2 - Elektromechanisches Bandfilter

Info

Publication number: DE1616918C2
Application number: DE19611616918
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.-Ing. 8000 München Poschenrieder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1961-09-22
Publication date: 1976-05-13

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Bandfilter mit mehreren in Signalflußrichtung in Kette geschaltete mechanischen Resonatoren, deren erster und letzter mit je zwei elektrischen Anschlüssen versehen sind und bei dem in der Eingangsleitung und der Ausgangsleitung elektrische Resonanzkreise vorgesehen sind und bei dem zur Bildung eines im Sperrbereich liegenden Dämpfungspols vom Filtereingang zum Filterausgang eine kapazitive Überkopplung vorgesehen ist.

Elektromechanische Bandfilter, die beispielsweise aus mehreren mechanisch gekoppelten Quarzresonatoren bestehen oder aus Resonatoren anderen Materials, sind an sich seit längerem bekannt. Derartige filter haben in der Regel eine relativ scharfe Begrenzung des Durchlaßbereiches, doch ist es schwierig, die Dämpfungscharakteristik im Sperrbereich zu verstellen, d. h. also Dämpfungspole im Sperrbereich des Filters zu erzeugen.

Es ist zwar durch die USA.-Patentschrift 27 74 042 bereits eine Lösung dieser Aufgabe für ein mechanisches Filter bekanntgeworden, bei dem Dämpfungspole auf rein mechanische Weise erzeugt werden. Es handeil sich hierbei um ein mechanisches Filter, dessen Filterresonatoren in Torsionsschwingungen erregt werden. Die Gesamtanordnung ist dabei so gewählt, daß auch die den Dämpfungspol erzeugenden Resonatoren, die in Form verhältnismäßig dünner kreisförmiger Scheiben ausgebildet sind, in Torsionsschwingungen erregt werden. Abgesehen davon, daß bei dieser bekannten Anordnung die Erzeugung von Dämpfungspolen praktisch auf Filtei mit Torsionsschwingungen •usführenden Resonatoren beschränkt ist, ist die Frequenzlage des Dämpfungspols durch die Abmessungen des den Dämpfungspol erzeugenden Resonators festgelegt.

In der Praxis wird deshalb meist der Weg beschritten, daß auf derartige Maßnahmen verzichtet und statt dessen die Anzahl der mechanischen Resonatoren wesentlich erhöht wird.

Durch die USA.-Patentschrift 21 15 818 ist es ferner bekannt, bei elektromechanischen Filtern Dämpfungspole unter Zuhilfenahme elektrischer Überbrückungen zu erzeugen. Die elektrische Überbrückung kann dabei als kapazitive Überkopplung ausgebildet sein, die mit einer auf der Gegeninduktivität von Spulen beruhenden zusätzlichen Kopplung zusammenarbeitet. Zur Erzeugung von Dämpfungspolen werden als Hilfsnetzwerke bezeichnete Netzwerke verwendet, die für sich als Vierpolnetzwerke ausgebildet sind und die mit dem mechanischen Netzwerk zusammenarbeiten. Wenn bei dieser Ausgestaltung des Gesamtfilters die erstrebte Wirkung erreicht werden soll, dann müssen das mechanische und elektrische Netzwerk genau aufeinander abgestimmt sein. Insbesondere ist beim Abbau der Schaltelemente aus den Irnpedanzfunkiionen darauf zu achten, daß physikalisch realisierbare Zweipolnetzv.erke entstehen und daß die mechanischen Netzwerke b/w die ihnen zugeordneten Wandlerelemente eine ihrer Natur entsprechende Form erhalten. Die zwangläufige Folge davon ist. daß sowohl das elektrische als auch das mechanische Netzwerk die gesamte Filtercharakteristik, wie z. B. die Breite des Durchlaßbereiches. die Durchlaßdämpfung, die Höhe der Sperrdämpfung und die Frequenzlage der gegebenenfalls auftretenden Dämpfungspole gleichermaßen mitbestimmen, wodurch der Entwurf des mechanischen Filters verhältnismäßig starken Einschränkungen unterworfen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen und einen Dämpfungspol, d. h. ein Maximum der Übenragungsdämpfung wahlweise im oberen oder unteren Sperrbereich bei einem eine ungerade Anzahl Resonatoren aufweisenden elektromechanischen Filter mit einer an sich beliebigen Frequenzlage zu erzwingen.

Ausgehend von einem elektromechanischen Bandfilter mil mehreren mechanischen Resonatoren, deren erster und letzter mit je zwei elektrischen Anschlüssen versehen sind und bei dem in der Eingangsleitung und der Ausgang* leitung elektrische Resonanzkreise vorgesehen sind und bei dem zur Bildung eines im Sperrbereich liegenden Dämpfungspols vom Filiereingang zum Filterausgang eine kapazitive Überkopplung vorgesehen ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß bei einem Filier mit (2n+l) mechanischen Resonatoren (n=\, 2, 3...) die Überkopplung über einen Kondensator erfolgt, der zur Bildung eines im frequenztieferen Sperrbereich gelegenen Dämpfungspols zwischen gegenphasigen oder zur Bildung eines im frequenzhöheren Sperrbereich gelegenen Dämpfungspols zwischen gleichphasigen Anschlüssen vorgesehen ist.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß sich durch eine über einen Kondensator gieich- oder gegenphasig auf den Eingang vom Ausgang eines unversteuerten mechanischen Filters übergekoppelte Spannung auf einfache Weise ein Dämpfungspol erzeugen läßt. Die Polfrequenz hängt dabei vom Kapazitätswert des Kondensators ab. je größer dieser Kapazitätswert gewählt wird, um so näher liegt die Polfrequenz an der Grenze des Durchlaßbereiches im Sperrbereich. Die für die Polbildung erforderliche Phase 0 oder η läßt sich durch einfaches Umpolen, d. h. durch Wahl des entsprechenden Anschlusses des Filterausgangs, einstellen.

Zwei Ausführungsbeispiele sind in den Fig. I und 2 zusammen mit den entsprechenden Durchlaßkurven gezeigt. Bei der Fig. 1 ist ein mechanisches Filter Fmit

einer ungeraden Anzahl Resonatoren vorgesehen. Die Endresonatoren dieses lediglich symbolisch angedeutelen mechanischen Filters sind mit Wandlern vorzugsweise auf elektrostriktiver Basis versehen, und diese Anschlüsse sind eingangs- und ausgangsseitig zu farallelresonanzkreisen EK unc¹ AK ergänzt. An Stelle dieser Parallelresonanzkreise können zumindest eingangsseitig auch Serienresonanzkreise vorgesehen sein. Der Ausgang des Filters ist mit einem Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis 1 : -1 versehen, und von der Sekundärwicklung des Übertragers führt eine kapazitive Überkopplung zum Filtereingang, die bei der F i g. 1 als gegenphasig angenommen ist. Die kapazitive Überkopplung erfolgt über den Kondensator C. Für ein derartiges Filter ergibt sich ein Verlauf der Übertragungsdämpfung a in Abhängigkeit von der Frequenz in der in der F i g. 1 gezeigten Weise, d. h. im frequeoztiefer gelegenen Sperrbereich tritt ein Dämpfungspol auf. Die entsprechende Frequenz ist mit f_p bezeichnet.

Die für die Bildung eines Dämpfungspols im frequenzhöheren Sperrbereich erforderliche Schaltung ist in der Fig. 2 wiedergegeben. Hier hat der Übertrager am Ausgang des Filters das Übersetzungsverhältnis 1 : +1, so daß die kapazitive Überkopplung fiber den Kondensator Cgleichphasig ist. Es ergibt sich ein Übertragungsverhalten, bei dem die Polfrequen/ f_p' im frequenzhöheren Sperrbereich liegt.

In beiden Fällen wird die Lage der Polfrequen/ durch den Kapazitätswert des Kondensators C bestimmt. In beiden Fällen ist der Übertrager am Ausgang des Filters entbehrlich, wenn ein Anschluß des Fiherausgangs mit einem entsprechenden gegenphasigen oder gleichphasigen Anschluß des Filtereingangs über den Kondensator Cund die beiden verbleibenden Anschlüsse unmittelbar durchverbunden werden. Auch durch Umkehrung der Polarisationsrichtung des elektromechanischen Wandlers kann die Phase der Ausgangsspannung umgepolt werden.

Bei der Untersuchung eines derartigen Filters ist vom Bartlcttschen Satz auszugehen, da mechanische Filter sich gewöhnlich durch einen Schnitt in zwei spiegclsymmetrische Hälften zerlegen lassen. Bei gegcnphasiger Überkopplung ist der erweiterte Bartlettsche Satz anzuwenden. Dieser ermöglicht die Umwandlung eines spiegelsymmetrischen Filters in ein Brückenfilter.

Dämpfungspole treten auf, wenn die Brückenzweigireaktanzen gleich werden. Es ist also zu untersuchen, ob und wo die Zweige des in eine Brücke verwandelten Filters gleich werden. Dazu ist in der Fig. 3 das Ersatzbild eines in zwei gleiche Teile zerlegten mechanischen Filters mit zwei Resonatoren aufgezeichnet. Die elektrischen Endkreise UQ, des mechanischen Filters erzeugen keine Dämpfungspole. Sie können daher abgespalten und der Kern des Filters allein nach der Bartlettschen Vorschrift behandelt werden, wobei Cv zunächst außer acht gelassen wird.

Am Reaktanzverlauf der so gewonnenen Brückenzweige erkennt man folgendes:

a) IV₁ läuft stets über W_r. W_k und W, schneiden sich

nichi.

b) Schaltet man CJI W_h so müssen zwei Schnittpunkte mit IV*. einer im oberen und einer im unteren Sperrbereich entstehen.

cj Schaltet man CJI W_k, so entstehen keine Schnittpunkte mit W*

Durch Wahl der Phase der Überkopplung hai man es in der Hand, G entweder an Wi oder an \V_k zu legen. Wird mit der Phase 0 gekoppelt, so ist der einfache Bartlettsche Satz anzuwenden, und G- liegt // V, _k (Fall c). Bei der Phase tc hingegen ist der erweiterte Bartleusche Satz anzuwenden, und G liegt ■-'/ /u W, (Fall b). Sind drei mechanische Resonatoren gegeben, so ist die Sachlage wesentlich anders, wie aus der F i g. 4 /0 sehen ist. Hier tritt im Gegensatz zu oben in jedem Fall ein Schnittpunkt auf, und zwar erhält man bei gleichphasiger Überkopplung einen Pol im frequenzhöheren, bei gegenphasiger Überkopplung einen Pol im frequenzlieferen Sperrbereich.

Daß sich die Fälle Resonatorzahl n = 2 und /;=3 so wesentlich unterscheiden, hat offenbar folgenden Grund: Schreibt man die Bedingung für die Gleichheil der Reaktanzen an. so hat man ein Poiynom in o>² als Bestimmungsgleichung, welches ah höchste Potenz ir)²" enthüll, wobei η die Zahl der Resonatoren bedeutet. Ist nun η eine ungerade Zahl, /?= 1,3,5 usw., so hat nach den Regeln der Algebra dieses Polynom mindestens eine reelle Lösung für o>². Für n = 2. 4, 6 usw. kann der Fall eintreten, daß keine reelle Lösung, d. h. kein Pol existiert. Eine reelle Lösung allein ist nich·. möglich, es müssen mindestens zwei reelle Lösungen, d. h. zwei Pole auftreten. Das bedeutet, daß je nach Phase der Überkopplung bei allen geraden Resonatorzahlen durch G- kein Pol oder (mindestens) zwei Pole entstehen, wahrend bei allen ungeraden Resonatorzahlen in jedem Fall ein Pol auftritt. Für die Verläufe der Zweigreaktanzen im Sperrbereich bei höheren Resonatorzahlen ändert sich gegenüber dem Fall /) = 2 und /7=3 nichts Wesentliches, d. h., die Zahl der Schnittpunkte und ihre Lage im linken bzw. rechten Sperrbereich bleiben erhalten. Die Minimalzahlen der auftretenden Pole, nämlich einer bzw. zwei, werden daher auch bei großer Anzahl von Resonatoren nicht überschritten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Elektromechanisches Bandfilter mit mehreren in Signalflußrichtung in Kette geschaltete mechanisehen Resonatoren, deren erster und letzter mit je zwei elektrischen Anschlüssen versehen sind und bei dem in der Eingangsleitung und der Ausgangsleitung elektrische Resonanzkreise vorgesehen sind und bei dem zur Bildung eines im Sperrbereich liegenden Dämpfungspols vom Filtereingang zum Filterausgang eine kapazitive Überkopplung vorgesehen ist. dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Filter mit (2n + 1) mechanischen Resonatoren (n=\. 2, 3 ...) die Überkopplung über einen Kondensator ^iQ erfolgt, der zur Bildung eines im frequenztieferen Sperrbereich gelegenen Dämpfungspols (f_p) zwischen gegenphasigen oder zur Bildung eines im frequenzhöheren Sperrbereich gelegenen Dämpfungspols (fp) zwischen gleichphasigen Anschlüssen vorgesehen ist.