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Elektrische Filterweiche, bestehend aus zwei elektromechanischen Filtern
mit unterschiedlicher Bandbreite Die Erfindung bezieht sich auf eine oiektrische
Filterweiche, bestehend aus zwei elektromechanischen Filtern mit unterschiedlichen
Durchlaßfrequenzen und unterschiedlicher Bandbreite, bei der beide Filter einen
gemeinsamen elektromechanischen Eingangswandler haben, während jedem Filter ein
eigener elektromechanischer Ausgangswandler zugeordnet ist, und bei der der Eingangs-
bzw. die Ausgangswandler als mit elektrostriktiv aktiven Wandlerelementen versehene
mechanische Resonatoren ausgebildet sind.
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Bei der Übertragung von Nachrichtensignalen tritt bekanntlich häufig
die Aufgabe auf, ein breiteres Frequenzband in zwei Teilbänder zu zerlegen, bzw.
umgekehrt zwei Teilbänder zu einem breiteren Frequenzband zusammenzusetzen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden sogenannte elektrische Filterweichen
verwendet, bei denen zwei auf unterschiedliche Durchlaßfrequenzen abgestimmte Filter
beispielswei se eingangsseitig parallel geschaltet sind. Insbesondere bei Übertragungssystemen
der Trägerfrequenztechnik ist es erforderlich, zwei unterschiedliche Frequenzbänder,
nämlich die Sprachsignale und die Rufsignale, voneinander zu trennen. Die Sprachsignale
erfordern dabei eine wesentlich größere Bandbreite die Rufsiganle, so daß die den
jeweiligen Kanälen zugeordneten Filter auch unterschiedliche Bandbreiten haben müssen.
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Die Bemessung von Filterweichen läßt sich der Literatur an sich entnehmen
und es sei nur beispielsweise auf das Buch von Wilhelm Cauer, "Theorie der linearen
Wechselstromschaltungen
", zweite Auflage, Akademie-Verlag, Berlin,
1954, verwiesen.
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Zum Aufbau von Filtern werden neuerdinge in dem für sie geeigneten
Frequenzbereich gerne elektromechanische Filter verwendet, da sie gegenüber den
aus konzentrierten Schaltelementen bestehenden Filtern eine Reihe von Vorteilen,
wie beispielsweise eine hohe Schwinggüte der einzelnen Resonatoren und einen verhältnismäßig
geringen Raumverbrauch aufzuweisen haben.
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Durch die USA-Patentschrift 2 753 524 ist bereits ein Prequenzanalysator
bekannt geworden, bei dem ein mechanisches Filter verwendet ist, das zwei gegeneinander
geringfügig verstimmte Resonatoren enthält, die an einen gemeinsamen Eingangsresonator
angekoppelt sind. Als Weichenschaltung ist diese Anordnung jedoch nicht geeignet,
da die Resonanzfrequenz der beiden gegeneinander vcrstimmten Resonatoren innerhalb
des Durchlaßbereiches des ihnen gemeinsamen Resonators liegen muß.
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Durch die hollandische Patentanmeldung Nr.6 409 663 ist weiterhin
eine mechanische Vornparallelscbaltung eines breitbandiger und eines schmalbandigen
mechanischen Filters zur Bildung einer Filterweiche bekannt geworden. Bei dieser
bekannten Schaltung ist die Bandbreite der beiden Filters gemeinsamen Eingangsschaltung,
insbesondere des beiden filtern gemeinsamen elektromechanischen Eingangswandlers
derart groß gewählt, daß sie die Übertragungsfrequenzbänder beider Filter umfaßt.
Damit ist für den Eingangswandler zwingend ein größerer elektromechanischer Kopplungsfaktor
als für die übrigen elektromechanischen Wandler erforderlich. Als Folge davon ergibt
sich eine Verschlechterung der Konstanz und der Schwinggüte des den Filtern gemeinsamen
Eingangswandlers gegenüber den übrigen elektree chanisehen Wandlern der 2,cllaLtung.
Da allgemein
die relative Bandbreite eines durch Spulen ergänzten
mechanischen Filters proportional dem physikalisch gegebenen elektromechanischen
Kopplungsfaktor k ist, bzw.
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proportional dem Quadrat des elektromechanischen Kopplungsfaktors
bei einem mechanischen Filter ohne Spulen, ergibt sich als weiterer Nachteil der
bekannten Weichenschaltung eine Verkleingerung der zulässigen relativen Bandbreite
der einzelnen Filter gegenüber einem mechanischen Filter, das nicht in dieser Weichenschaltung
betrieben wird. Abgesehen von den vorerwähnten Schwierigkeiten hat die bekannte
Weichenschaltung ausschließlich mechanische Filter mit längsgekoppelten Longitudinalresonatron
zum Gegenstand und es ist darüberhinaus erforderlich, die jeweiligen mechanischen
Filter durch elektrische Endkrcisc aus Spulen und Kondensatoren zu ergänzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den geschilderten Schwierigkeiten
in verhältnismäßig einfacher Weise abzuhelfen; insbesondere soll der Aufbau einer
aus mechanischen Filtern bestehenden Weichenschaltung angegeben werden, deren Filter
aus an sich beliebig ausgebildeten Resonatoren, wie beispielsweise Biege oder Torsionsresonatoren,
bestehen können und bei denen die Kopplung der einzelnen Rcsonatoren ebenfalls über
an sich beliebige Schwingungsformen, wie beispielsweise die Längs-, die Torsions-
oder die Biegekopplung, erfolgen kann.
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Bei einer elektrischen Filterweiche, bestehend aus zwei elektromechanischen
Piltcrn mit unterschiedlichen Durch laßfroquenzen und unterschiedlicher Bandbreite,
bei der beide Filter einen gemeinsamen elektromechanischen Eingangswandler haben,
während jedem Filter ein eigener elektromechanischer Ausgangswandler zugeordnet
ist und bei der der Eingangs- bzw. die Ausgangswandler als mit elektrostriktiv aktiven
Wandlerelementen versehene mechanische Resonatoren ausgebildet sind, läßt sich diese
Aufgabe
gemäß der Erfindung dadurch lösen, daß der elektromechanische
Kopplungsfaktor des beiden Filtern gemeinsamen Eingangswandlers derart gewählt ist,
daß die Bandbreite des Eingangswandlers zumindest näherungsweise mit der Bandbreite
des die größere Bandbreite aufweisenden Filters übereinstimmt, und daß das die kleinere
Bandbreite aufweisende Filter durch mechanische Koppelelemente derart schwach an
den Eingangswandler angekoppelt ist, daßdie ursprüngliche Filtercharakteristik des
die größere Bandbreite aufweisenden Filters nahezu vollständig erhalten bleibt.
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Bei der Erfindung können als elektromechanische Wand-1er auch Biege
schwingungen ausführende Endresonatoren verwendet werden, ai sie beispielsweise
durch die deutsche Patentschrift 1 203 321 bekannt geworden sind. Wesentlich für
diese bekannten elektromechanischen Wand-1er ist es, daß die Anregung von Biegeschwingungen
über den direkten piezoelektrischen Effekt erfolgen kann, wodurch sich die Schwingungsgüte
im Vergleich zu über den indirekten piezoelektrischen Effekt angeregten Biegeresenatoren
zum Teil beträchtlich erhöhen läßt. Weiterhin ist es bei der Erfindung möglich,
in den einzelnen Filtcrn auch Biegeresonatoren zu verwenden, in denen zwei aufeinander
senkrecht stehende Biegeschwingungen angeregt werden. Filter mit derartigen Biegeresonatoren
sind beispielsweise durch die deutsche Patentschrift 1 236 684 bekannt geworden
und haben den Vorteil, daß durch die Anregung zweier Biege schwingungen in einem
einzigen Resonator dieser Resonator doppelt ausgenutzt ist und somit bereits als
zweikreisiges Element wirksam ist.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch
näher erläutert.
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es zeigen in der Zeichnung: Fig. 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild
einer mechanischen Filterweiche; Fig. 2 eine Weiche, deren Filterresonatoren Biegeschwingungen
ausführen, unter Verwendung einer Längs- und einer Torsionskopplung; Fig. 3 eine
Weiche mit Biegeresonatoren unter Verwendung einer Längskopplung; Fig. 4 und 5 Ausführungsformen
einer Weiche mit Biegeresonatoren unter Verwendung einer Längskopplung und einer
Biegekopplung; Fig. 6 eine Weiche mit Biegeresonatoren unter Verwendung von Längs-
und Torsionskopplungen; Fig. 7 und 8 eine Weiche, bei der einzelne Resonatoren zwei
aufeinander senkrecht stehende Biegeschwingungen ausführen unter Verwendung von
Längs- und Torsionskopplung bzw. nur Längskopplung; Fig. 9 eine Weiche mit Längsresonatoren
unter Verwendung einer Biegekopplung; Fig. 10 eine Weiche mit Längs- und Torsionsresonatoren
unter Verwendung von Längskopplungen.
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Anhand des in der Fig. 1 dargestellten elektrischen Ersatzschaltbildes
sei zunächst das Prinzip der Weichenschaltung näher erläutert Die Weiche besteht
aus zwei elektromechanischen Filtern F1 und F2, deren Resonatoren im elektrischen
Ersatzschaltbild als Parallelresonanzkreise
dargestellt sind, die
im Querzweig einer Abzweigschaltung liegen. Das Filter F1 besteht aus mechanischen
Resonatoren S2 bis Sn-1, deren Kopplung über die als mechanische Koppelelemente
ausgebildete, als Spulen dargestclltc Koppelolemente K1 erfolgt. Das Filter F2 besteht
beispielsweise aus einem mechanischen Resonator S2', dem die mechanischen Koppeleiemente
K2 zugeordnet sind. Am Eingang der Weichenschaltung liegt ein mechanischer Resonator
S1, der gleichzeitig die aus elektrostriktiv aktivem Material bestehenden Wandlerelemente
W1 enthält.
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Im elektrischen Ersatzschaltbild läßt sich ein derartiger Wandler
durch eine Eingangsquerkapazität 0p1 und einen im Längs zweig liegenden Serienresonanzkreis
mit der Kapazität Cq1 und einen nachgeschalteten Dualwandler D darstellen. Die Eingangsklemmen
der Weiche sind mit den Bezugsziffern 1 und 1' vcrsehen. Das Filter F1 ist ausgangsseitig
mit einem Endresonator Sn abgeschlossen, der ebenso wie der Eingangsresonator S1
aufgebaut ist und dessen elektrostriktiven Wandlerelementen W2 die statische Kapazität
Cp2 bzw die dynamische Kapazität Cq2 zugeordnet sind. Auch das Filter F2 hat einen
Endresonator Sn', der die elektrostriktiv aktiven Wandlerelemente W3 mit den Kapazitäten
Cq3 und -- enthält. Die Ausgangsklemmen des Filters F1 sind mit 2 und 2', die des
Filters F2 mit 9 und 3' bezeichnet. Das Filter F2 ist über die Koppelelemente K
an den Eingangsresonator S angekoppelt und enthält neben dem Endresonator Sn noch
den Resonator SS, der selbst huber die Koppelelemente K2 mit den ihm benachbarten
Elementen verkoppelt ist. Es ist davon auszugehen, daß aus und der gestellten Anforderungen
das Filter P1 eine größere Bandbreite als das Filter F2 besitzen muß, und daß für
jedes Filter die zur Erfüllung der Selektivitätsforderungen erforderliche Anzahl
von Resonatoren vorgesehen ist. Im Filter F2 können außer dem Resonator S2' selbstverständlich
noch weitere Resonatoren angeordnet sein. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit
sind
beim Filter F1 ein Teil der Resonatoren und Koppelelementc
lediglich als gestrichelte Linien kenntlich gemacht.
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Wesentlich für die Weichenschaltung nacll Fig.1 ist es nun, daß der
elektromechanische Kopplungsfaktor des beiden Filtern F1 und F2 gemeinsamen Eingangswandlers
S1 mit den Wandlerelementen W1 derart gewählt wird, daß seine Bandbreite etwa mit
der Bandbreite des die größere Durchlaßbandbreite aufweisenden Filters F1 übereinstimmt.
Weiterhin sind die Koppelelemente K so ausgebildet, daß durch die Zuschaltung des
schmaleren Filters r2 die Filtercharakteristik des Filters F1 nicht bzw. nur urnesentlich
verändert wird, d.h. die Koppelelemente K stellen gegenüber den Koppelelementen
K1 eine nur schwache Kopplung dar. Es läßt sich dadurch erreichen, daß jedes mechanische
Filter zu -einer Weichenschaltung ergänzt werden kann, in der ein verhältnismäßig
breitbandiges und ein verhältnismäßig schmalbandiges Filter zusammerniirken müssen.
Geht man davon aus, aaß an den Eingangsklemmen 1, 1' der Weichenschaltung beispielsweise
der Sprachkanal und das Rufsignal einer Trägerfrequenzeinrichtung anliegen, dann
wird der Sprachkanal an den Klemmen 2, 2' abgegeben, während das Rufsignal an der
Klemmen 3, 3' abgegeben wird, wenn nur dafür gesorgt ist, daß die Filter F1 und
F2 auf die erforderlichen unterschiedlichen Durchlaßfrequenzen abgestimmt sind.
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In der Fig.2 ist eine Weichenschaltung zweier mechånischer Filter
F1 und F2 dargestellt, deren Resonatoren in Analogie zum elektrischen Ersatzschaltbild
der Fig.1 mit S1, S2, S3 bis Sn beim Filter F1, bzw. mit S1' bis beim Filter F2
bezeichnet sind. In den Resonatoren S1, Sn und Sn' sind elektromechanische Wandlerelemente
W1, W2' und W3 enthalten. Die elektromechanischen Wandlerelemente
W1,
W2 und W3 sind dabei so ausgebildet, daß in dem beiden Filtern gemeinsamen Eingangsresonator
S1 über den direkten piezoelektrischen Effckt mechanische Biegeschwingungen in der
mit R bezeichneten Schwingungsrichtung angeregt werden. Durch die Wandlerelemente
W2 und W3 erfolgt die Rückumwandlung der mechanischen Schwingungen in elektrische
Schwingungen ebenfalls über den direkten piezoelektrischen Effekt. Wie eingangs
bereits erwähnt, sind derartige Wandler bereits durch die deutsche Patentschrift
1 203 321 bekannt geworden und es beruht ihre Wirkung darauf, daß zu beiden Seiten
der neutralen Faser eines mechanischen Biegerosonators Plättchen oder Klötzchen
aus elektrostriktivem Material angeordnet werden.
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Den elektrostriktiven Plättchen wird eine Vorpolarisatinn aufgoprägt,
wie dies durch die mit P bezeichneten Pfeile kenntlich gemacht ist. Es müssen dabei
die auf der einen Seite der neutralen Faser liegenden Plättchen entgegengesetzt
polarisiert scin zu den auf der anderen Seite der neutralen Faser liegenden Plättchen.
Legt man nun übe;r.
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die Klemmen 1, 1 eine elektrische Wechselspannung an die aus Metall
bestehenden Resonatorteile des Resonators Si, dann werden die auf der einen Seite
der neutra-Ion Faser liegenden elektrostriktiven Plättchen in der einen Halbwelle
der elektrischen Wechselspannung beispielsweise zusammengezogen, während sich aufgrund
der entgegengesetzt gerichteten Polarisation die auf der anderen Seite der neutralen
Faser liegenden Plättchen ausdehnen. In der nächsten Halbperiode der elektrischen
Wechselspannung kehrt sich dieser Vorgang um. Wenn die Frequenz der angelegten Wechselspannung
zumindest näherungsweise mit der Eigenresonanzfrequenz des Resonators übereinstimmt,
dann führt dieser Biegeschwingungen in Richtung der Doppelpfeile R aus.
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Die vom Resonator S1 erzeugten Biegeschwingungen werden mit Hilfe
einer Längsschwingungen ausführenden Koppelelementes
L auf die
weiteren Resonatoren S2, S7 usw. des Filters übertragen und gelangen schlioßlich
zum Ausgangsresonator Sn. Die Funktion des Ausgangsresonators 8n beruht auf dem
gleichen Prinzip wie beim Eingangsresonator S1, SO daß an den Ausgangsklemmen 2,
2' eine elektrische Wechselepannung abgenommen werden kann. Das Koppelelement L
ist im Bereich eines Schwingungsmaximums V an den einzelnen Resonatoren befestigt,
wodurch sich in Verbindung mit den Eigenschaften eines Längskopplers eine verhältnismäßig
feste Kopplung zzischen den einzelnen Resonatoren des Filters F1 ergibt. Damit ist
das Filter F1 verhältnismäßig breitbandig.
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An den Eingangswandler S1 ist über Torsionsschwingungen ausführende
Koppelelemente T1 das gegenüber dem Filter Fi schmalbandigere Filter F2 angekoppelt,
das aus den Resonatoren S1' und 5n' besteht. Die Kopplung zwischen den Resonatoren
S1' und Sn' erfolgt ebenfalls über auf Torsion beanspruchte Koppelelemente-T20 Die
Koppelelementc T1 und 22 sind jeweils in Schwingungsknoten 5 an den mit ihnen verbundenen
Resonatoren befestigt und stehen senkrecht zur Schwingungsebene der einzelnen Resonatoren.
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Der Resonator Sn' enthält die elektromechanischen Wandlerelemente
W3 und seine Wirkung ist analog zum Eingangsresonator S1 bzw0 zum Ausgangsresonator
Sn des Filters F1.
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Da das Filter F2 hinsichtlich- seiner Frequenzbandbreite wesentlich
schmaler ist als das Filter F1, ist es in der Regel ausreichend, im Endresonator
Sn' nur zwei Wandlerelemente V anzuordnen. da damit bereits der erforderliche elektromechanische
Kopplungsfaktor erzielt wird. Die für die Wandlerelemente W3 erforderliche Vorpolarisation
ist ebenfalls durch Pfeile kenntlich gemacht0 Das Filter F2 ist derart lose an den
Eingangswandler S1 angekoppelt, d.h. die Koppelelemente T1 sind hinsichtlich ihres
Torsionsverhaltens mit derart geringer Steifigkeit
ausgebildet,.daß
durch die Zuschaltung des Filters F2 die ursprüngliche Filtercharakteristik des
Filters F1 nahezu nicht verändert wird. Es ergibt sich dadurch der Vorteil, daß
der elektromechanische Kopplungsfaktor für den beiden Filtern gemeinsamen Eingangsresonator
S1 mit den beiden Filtern gemeinsamen Eingangswandlerelementen Wl so gewählt werden
kann, daß die Bandbreite des Eingangsresonators S 1 gerade der Filterbandbreite
des Filters F1 entspricht, d.h. es braucht bereits beim Entwurf der Schaltung das
Filter F2 zunächst nicht berücksichtigt werden. Glcichzeitig ist gewährleistet,
daß die elektro mechanischen Wandlerelemente W1 ein Minimum hinsichtlich ihrer Abmessungen
annehmen können, wodurch ein Maximum der Schwingungsgüte des Eingangsresonators
S1 erzielt wird. Bekanntlich haben elektrostriktive Materialien, wie beispielsweise
die zur Schwingungsanregung vervrendeten Piezokeramiken, eine wesentlich niedrigere
Schv/ingungsgüte als die insbesonderc aus einem metallischen Material, beispielsweise
Stahl, bestchenden Resonatoren.
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Wenn demzufolge bei einem in der Art des Eingangsresonators S1 ausgebildeten
Endresonator der für die elektrostriktiven Wandlerelemente erforderliche Anteil
an elektrostriktivem Material möglichst gering gehalten werden kann, dann steigt
auch die Schwingungsgüte eines derartigen Endresonators. Ferner läßt sich durch
die lose Ankopplung des Filters F2 erreichen, daß praktisch jedes mechanische Filter
zu einer Filterweiche mit einem verhältnismäßig breitbandigen und einem verhältnismäßig
schmalbandigen Filter ergänzt werden kann.
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An den metallischen eilen des Endresonators 8n' sind, ähnlich wie
bei den Resonatoren S1 und Sn, die zu den Klemmen 3, "' führenden Zuführungsdrähte
befestigt, an denen der vom Filter F2 durchgelassene Frequenzanteil des an den Eingangsklommen
1, 1' t anliegenden Signales abgenommen werden kann.
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Das Filter nach der Fig. 2 hat selbstverständlich reziproke Eigenschaften,
d.h. jeweils ein an den Klemmen 2, 2' und ein an den Klemmen 3, 3' zugeführtes Frequenzband
werden durch die Weichenschaltung zusammengefaßt und können an den Klemmen 1, 1'
als Gesamtfrequenzband abgenommen werden In Fig.2 sind weiterhin noch die Halteelemente
II zu erkennen, die in den hinsichtlich Biegeschwingungen auftretenden Schwingungsknoten
5 an den Resonatoren befestigt sind Weiterhin kann die Dämpfungscharakteristik des
Filters P1 durch die Anbringung eines oder mehrerer zusätzlicher Koppelelemente
6 in an sich bekannter Weise versteilert werden. Hierzu wird das Koppelelement 6
derart angeordnet, daß eine zusätzliche Kopplung zviischen einander nicht unmittelbar
benachbarten Resonatoren entsteht. Das Koppelelement 6 kann entweder eine geradzahlige
oder eine ungeradzahlige Anzahl von Resonatoren überbrücken, es kann auch an gleich
oder gegenphasig schwingenen Punkten der mit ihm verbundenen Reso-zatoren befestigt
sein. Jc nachdem, welche diescr Anbringungsarten für das Koppelelement 6 verwendet
werden, ergeben sich in Sperrbereich des Filters einer oder mehrere Dämpfungspole
entweder nur unterhalb oder oberhalb bzw. auch zu beiden Seiten des Durchlaßbereiches.
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In den Fig.3 bis 10 sind weitere mögliche Ausführungsformen mechanischer
Pilterweichen dargestellt, die in ihrer Wirkungsweise der Filterweiche nach Fig.2
entsprechen und deren elektrisches Ersatz,chaltbild sich demzufolge ebenfalls auf
das elektrische Ersatzschaltbild der Fig.1 zurückführen läßt. Es sind deshalb in
den Fig.3 -bis 10 die zu den Fig.1 und 2 gleichartigen bzw. analogen Elemente mitden
gleichen Bezugskennzeichen versehen, so daß die Beschreibung der folgenden Ausführungsbeispiele
im wesentlichen auf diejenigen Elemente beschränkt werden
kann,
die gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig.2 unterschiedlich sind.
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In der Weichenschaltung nach Fig.3 ist wiederum das Filter F1 mit
den Resonatoren S1 bis 5n zu erkennen. Die Kopplung dieser Resonatoren erfolgt über
das Längsschwingungen ausführende Koppelelement L, das zur Erzielung einer möglichst
flachen Bauweise über den beiden Filtern gemeinsamen Resonator S1 herausgeführt
ist, so daß gleichzeitig die Resonatoren des Filters F2 an das als durchgehenden
Draht ausgebildete Koppelelement L angekoppelt werden können. Zur Erzielung einer
sehr losen Ankopplung des Filters F2 bzw. einer rclativ geringen Bandbreite für
das Filter F2 ist zwischen dem Eingangsresonator S1 und dem ersten Filterresonator
S1' des Filters F2 ein weiterer Resonator M1 angeordnet, der weit außerhalb seiner
Resonanzfrequenz betrieben vrird und der somit nur als schwere Masse wirkt, durch
die die Kopplung zwischen dem Eingangsresonator S1 und dem Filterresonator S1' erheblich
loscr wird als zwischen den Resonatoren S1' und Der Koppelabschnitt zwischen den
Resonatoren S1 und der Masse M1 ist mit Li bezeichnet, der sich zum Resonator anschließende
Koppclabschnitt ist mit L2' bezeichnet. Zrtischein dem Resonator S1' und dem Endresonator
S;L liegt wiederum ein außerhalb der Resonanzfrequenz betriebener, als schwere Masse
wirkender Resonator M2, der über die Koppelabschnitte L3 und L4 mit den ihm unmittelbar
benachbarten Resonatoren S1 und 8n' gekoppelt ist. Durch die schwere Masse M2 läßt
sich somit die Bandbreite des Filters F2 festlegen, während durch die schwere Masse
M1 der Grad der Kopplung zwischen dem Eingangswandler 91 und den Filter P2 wiederum
so bestimmt wird, daß durch die Zuschaltung des Filters F2 die Filtercharakteristik
des Filters F-1 nahezu nicht verändert wird. Die Resonatoren der Filter F1 und F2
sind auch beim Ausführungsbeispiel der Fig.3 als Biegeresonatoren mit der Schwingungsrichtung
R
ausgebildet.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig.4 sind für die beiden Filter F1 und
F2 ebenfalls Biegeschwingungen ausführende Resonatoren verwendet, deren Schwingungsrichtung
wiederum durch die mit R bezeichneten Doppelpfeile kenntlich gemacht ist. Das Filter
F2 besteht ebenfalls aus zwei Resonatoren Si und Sn', deren Kopplung über ein Biegeschwingungen
ausführendes Koppelelement B2 erfolgt. Das Filter F2 ist über ein ebenfalls Biegeschwingungen
ausführendes Koppelelement B1 an den Eingangsresonator S1 angekoppelt. Die Koppelelemente
B1 und B2 können zu einem durchgehenden Koppelelement zusammengefaßt werden, das
im Ausführungsbeispiel jeweils in einem Schwingungsmaximum an den Resonatoren S1,
, S1' und Sn befestigt ist und das senkrecht zur Schwingungsrichtung R der Resonatoren
verläuft. Durch eine entsprechende Bemessung der Biegekopplung B2 läßt sich in jedem
Fall die geeignete Bandbreite für das Filter F2 regulieren und-es kann durch eine
entsprechende Ausbildung des Koppelelements B1 für eine derart lose Ankopplung des
Filters F2 an den Eingangsresonator S1 dafür gesorgt erden, daß durch die Zuschaltung
des Filters 22 die Übertragungscharakteristik des Fil ters 21 praktisch nicht verändert
wird.
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Bei der Filterweiche nach Fig.5 ist, wie im Ausführungsbeispiel der
Fig.4, zur Kopplung der Resonatoren S1 bis Sn des Filters F1 ein Längs schwingungen
ausführendes Koppelelement L verwendet Die Resonatoren beider Filter führen Biegeschwingungen
in der Schwingungsrichtung R -aus und es ist zur Kopplung des Filters F2 ebenfalls
eine Biegekopplung verwendet Die Resonatoren beider Filter liegen jedoch in einer
Bbene und es sind deshalb die Koppelelemente B1 und B2 in Schwingungsknoten 5 der
mit ihnen verbundenen Resonatoren S1, S1' und Sn' befestigt.
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In den Schwingungsknoten eines Biegeresonators tritt bekanntlich eine
Drehbewegung auf, so daß die Koppelelemente B1 und B2 aufgrund dieser Drehbewegung
auf Biegung beansprucht werden. Durch die Koppolelemente B2 läßt sich wiederum die
entsprechend schmale Bandbreite des Filters F2 festlegen und durch die Koppelelemente
B1 kann für eine entsprechend lose Ankopplung des Filters F2 an den gemeinsamen
Eingangsresonator Si gesorgt werden Beim Ausführungsbeispiel der Fig.6 sind Filterelemente
verwendet, die anhand der in den Fig.2 und 3 dargestellton Ausführungsbeispiele
bereits erläutcrt wurden. Die Filter F1 und F2 bestehen wiederum aus den in Schwingungsrichtung
R schwingenden Biegeresonatoren S1 bis Sn, bzw. S; bis Sn'. Die Resonatoren der
einzelnen Filter sind in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet. Die Kopplung
für die Resonatoren des Filters Fi erfolgt über einen Längsschwlngungen ausführenden
Koppeldraht L, die Kopplung der Resonatoren S1' und 5n' des Filters F2 erfolgt über
die Längsschwingungen ausführenden Koppelelemente L und L4'. Zur Erzielung einer
relativ geringen Bandbreite für das Filter F2 ist wiederum ein außerhalb seiner
Resonanzfrequenz betriebener, als schwere Masse wirkender Resonator M vorgesehen,
durch den sich eine entsprechend lose Kopplung zwischen den Resonatoren S; und Sn'
erreichen näßte Die Ankopplung des Filters F2 an den gemeinsamen Eingangsresonator
S1 erfolgt über die auf Torsion beanspruchten Koppelelemente T, die wiederum in
Schwingungsknoten der Resonatoren S1 und S1 befestigt sind und de derart ausgebildet
sind, daß die Zuschaltung des Filters F2 nahezu keinen Einfluß auf die Filtercharakteristik
des Filters F1 hat.
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Bei den in den Fig.7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen sind
zum Teil Biegeschwingungen ausführende Resonatoren verwendet, in denen zwei aufeinander
senkrecht
stehende Biege schwingungen angeregt werden könnten,
so daß ein einzelner Resonator in seinem elektrischen Ersatzschaltbild bereits als
zweikreisiges Filterelement wirkt. Derartige Resonatoren sind an sich beispielsweise
bereits durch die deutsche Patentschrift 1 236 684 bekannt geworden und es beruht
ihre Wirkung darauf, daß in einem Biegeresonator mit beispielsweise quadratischem
Querschnitt eine Unsymmetrie U angebracht wird, durch die die beiden aufeinander
senkrecht stehenden, etwa glcichfrequenten Biege schwingungen miteinander verkoppclt
werden. Diese Unsymmetrie kann als Abflachung entlang einer Kante ausgebildet werden,
wie dies in den Fig.7 und 8 zu erkennen ist. Durch eine mehr oder weniger starke
Abflachung ergibt sich auch eine mehr oder weniger starke Verkopplung der beiden
aufeinander senkrecht stehenden Biegeschwingungen, so daß die Bandbreite eines derart
ausgebildeten zweikreisigen Filters in.jedem Fall durch die Abflachung reguliert
werden kann.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig.7 sind für das breitbandigere Filter
F1 wiederum eine an sich beliebige Anzahl mechanischer Biegeresonatoren S1 bis 5n
verwendet, deren Biegeschwingungen in der Schwingungsrichtung R verlaufen. Ar Eingangsresonator
S1 ist über die auf Torsion beanspruchten Koppelelemente T das in Form eines einzigen
Resonators ausgebildetc Filter F2 angekoppelt.
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Durch diese Kopplung führt der Resonator F2 Biegeschwingungen in Richtung
des Doppelpfeiles R; aus, die parallel zur Schwingungsrichtung R des Filters F1
verlaufen. Die Biegeschwingung R; entspricht somit dem ersten Filterresonator S1'
des schmalbandigeren Filters in den vorhergehenden Ausfihrungsbeispielen. Über die
Abflachung U wird im Resonator F2 gleichzeitig eine senkrecht zur Schwingungsrichtung
R1' verlaufende Biegeschwingung R2' angeregt. Durch die Biegeschwingung R2' werden
die elektromechanischen Wandlerelemente W3 Dehnungen und Verkürzungen
unterworfen,
so daß aufgrund der durch die Pfeile angedeuteten entgegengesetzt gerichteten Polarisation
zwischen den metallischen Teilen dieses doppelt ausgenutzten Biegeresonators eine
elektrische Wechselspannung entsteht, die an den Klemmen 3, 3' als Ausgangswechselspannung
abgenommen werden kann. Die in Richtung des Doppelpfeiles R2 verlaufende Biegeschwingung
entspricht in Verbindung mit den elektromechanischen Wandlerelementen W3 somit dem
in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen mit 5n' bezeichneten Endresonator des
schmalbandigeren Filters F2. Wie bereits erwähnt, kann durch die als Unsymmetrie
wirkende Abflachung U die Bandbreite des doppelt ausgenutzten, als zweikreisiges
Filter wirkenden Resonators F2 entsprechend schmalbandig eingestellt werden und
durch eine entsprechende Ausbildung der Koppelelemente T kann für eine entsprechend
lose Ankopplung des Filters F2 an den Eingangsresonator S gesorgt werden.
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In der Fig.8 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem in Abwandlung
zum Ausführungsbeispiel der Fig.7 Bämtliche Filterresonatoren beider Filter über
einen durchgehenden Koppeldraht verbunden werden können. Durch die Wandlerelemente
W1 wird im gemeinsamen Eingangsresonator I eine in Richtung des Doppelpfeiles R
verlaufende Biegeschwingung angeregt, die somit dem Resonator S1 der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele entspricht. Auch im zweiten Filterresonator II wird über das
auf Längsschwingungen beanspruchte Koppelelement L eine in Richtung des Doppelpfeiles
R verlaufende Biegeschwingung angeregt, die dem Filterresonator S2 der vordergehenden
Ausführungsbei 3picle entspricht. Diese Biegeschwingungen werden durch das Koppelelement
L auf die weiteren Filterresonatoren übertragen und gelangen schließlich zum Ausgangsresonator
Sn des breitbandigeren Filters F1. Durch die Abflachung U wird im Eingangsresonator
I eine weitere Biegeschwingung
in Richtung des Doppeipfeiles R1'
angeregt, die dem Filterresonator S1' vorhergehender Ausführungsbeispiele entspricht.
Die Biegeschwingung R1, wird über den, zwischen dem ersten und dom zweiten Filterresonator
I und II liegenden Koppelabschnitt auf den breiten Filterresonator II übertragen,
und zwar wird aufgrund der zur Richtung R senkrecht stehenden Schwingungsrichtung
R1' dieser Koppelabschnitt zusätzlich auf Biegung beansprucht, das heißt, dieser
Koppelabsohnitt führt eine Längsschwingung L und zusätzlich eine Biegeschwingung
3 aus. Durch die Biegekopplung B entsteht im zweiten Filterresonator eine in Richtung
des Doppelpfeilos R2' verlaufende, senkrecht zur Richtung R stehende zweite Biegeschwingung.
Da die Wandlerelemente W3 gegenüber den Wandlerelementen W1 eine um 90° gedrehte
Lage haben , sprechen die Wandlerelemente W3 nur auf die in Richtung R2' verlaufende
Biegeschwingung an und geben nur für diese Biegeschwingung eine elektrische Wechselspannung
ab. Die in Richtung R2' verlaufende Biegeschwingung wirkt demzufolge in Verbindung
mit den Wandlerelementen W3 wie der Endresonator Sn' des Filters F2 der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele. Das schmalbandigere Filter F2 wird beim Ausführungsbeispiel
der Fig. 8 somit von den in Richtung der Doppelpfeile R1' und R2' verlaufenden Biegeschwingungen
in den Resonatoren I und II gebildet. Damit gehören die Resonatoren I und II beiden
Filtern gleichzeitig an und es erfordert somit eine Filterweiche insgesamt nicht
mehr Resonatoren als ein einzelnes Filter Durch eine entsprechend schwache Ausbildung
der Unsymmetrie U kann -für eine entsprechend schwache Ankopplung der Biegeschwingung
R1' gesorgt werden und es läßt sich die Bandbreite des Filters F2 durch eine entsprechende
Querschnittswahl des auf Biegung beanspruchten Kopplelementabschnittles einstellen.
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Im Ausführungsbeispiel der FIg.9 ist eine mechanische Filterweiche
gezeigt, bei der in den Filtern F1 und F2 Längs schwingungen ausführende Res onatoren
verwendet sind.
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Die einzelnen Resonatoren sind in der Art von Walzen ausgebildet und
schwingen in Richtung ihrer Längsachse, wie dies durch die eingezeichneten Pfeile
7 kenntlich gemacht ist. Die Schwingungsanregung bzw. die Schwingungsabnahme erfolgt
beim gemeinsamen Eingangsresonator S1 bzw. bei den Ausgangsresonatoren 5n und 8n'
beispielsweise in an sich bekannter Weise dadurch, daß zwischen die metallischen
Teile der Resonatoren aus elektrostrjktivem Material bestehende Plättchen eingebracht
werden, die durch eine elektrisch leitende Schicht unterteilt sind. Durch eine entsprechende
Vorpolarisation erfahren diese Plättchen beim Anlegen einer Wechselspannung an die
elektrisch leitende Schicht und die metallischen Teile des Resonators eine Dehnung
bzw. eine Verkürzung, wodurch ausgeprägte Längsschwingungen entstehen; umgekehrt
werden Längsschwingungen durch einen derartigen Aufbau in eine elektrisehe Wechselspannung
zurückvervrandelt. Die Kopplung der Resonatoren S1 bis 5n des Filters F1 erfolgt
über die auf Biegung beanspruchten Koppelelemente B, durch deren Anbringungsort
und durch deren Querschnittsabmeszungen bzw. deren Länge die Bandbreite des Filters
F1 bestimmt werden kann. Die Resonatoren S1' und Sn' des Filters F2 sind über ebenfalls
auf Biegung beanspruchte Koppelelemente B' miteinander und mit dem gemeinsamen Eingang@@@sonator
S1' gekoppelt. Es ist dabei lediglich darauf zu achten, daß die Koppelelemente B
erheblich steifer @@@ die Koppelelemente B' ausgebildet sind, so daß sich für das
Filter F2 einerseits eine geringere Bandbreite als für das Filter F1 ergibt, und
andererseits gleichzeitig die Ankopplung des Filters F2 an den gemeinsamen Eingangsresonator
S1 derart lose ist daß die Filtercharakteristik des Filters F1 durch die Zuschaltung
des schmalbandigeren Filters F2 praktisch nicht verändert wird.
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Eine Weichenschaltung unter Verwendung einer Kombination von Filtern
met Längs- und Torsionsschwingungen aus£ührenden Filterresonatoren und Längs- bzw.
Biegeschwingungen ausführenden Koppelelementen ist in der Fig. 10 gezeigt.
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Der beiden Filtern gemeinsame Eingangsresonator S1 wird in Längsschwingungen
erregt, die über das Koppelelement L auf die Resonatoren 82 bis Sn übertragen werden
Die Re-Resonatoren so bis Sn-1, die beispielsweise in Form von Walzen ausgebildet
sein können, sind so angeordnet, daß ihre mittleren Längsachsen senkrecht zu den
mittleren Längsachsen der Endresonatoren S1 und Sn stehen. Da das Koppelelement
L @angential an den Resonatoren S2 bis Sn-1 angreift, weisen diese Resonatoren zu
Torsionsschwingungen erreg wie es durch die Doppelpfeile 8 kenntlich gemacht ist
Erforderlichenfalls können die Resonatoren S2 bis Sn-1 zur Erzielung der für das
Filter F1 notwendigen Bandbreite durch ein weiteres Längsschwingungen ausführendes
Koppelelement miteinander gekoppelt werden. In jedem Fall läßt sich mit -Lilfe der
Icoppelelemente L die erforderlich Bandbreite des Filters F1 einstellen. Die Resonatoren
S1' und Sn' des Filters F2 werden in Richtung ihrer Längsamse entsprechend den Doppelpfeilen
7 zu Längsschwing gen erregt Die Kopplung dieser Resonatoren erfolgt ährn ch wie
beim Ausführungsbeispiel der Fig.9 durch ein au Biegung beanspruchtes Koppelelement
B. Mit diesem Kopppelement kann wiederum einerseits für die gewünschte los Ankopplung
des Filters F2 an den gemeinsamen Eingangs Resonator S1 und andererseits für eine
entsprechend schmale Bandbreite des Filters F2 gesorgt werden.
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Im allgemein wird man bemüht sein, die gesamte Filterweiche so au@zubauen,
daß auf die Verwendung von konzentrierten Schaltelementen, nämlich von Spulen und
Kondensatoren, völlig verzichtet werden kann. Es läßt sich dies dadurch erre chen,
daß man die Eingangs- bzw. Ausgangsresonatoren 1' Q und Sn' in Verbindung mit ihren
elektromechanischen
Wandlerelementen W1, W2 und W3 derart ausbildet,
daß das Quadrat des elektromechanischen Kopplungsfaktors genau oder zumindest näherungsweise
mit der relativen Bandbreito des ihnen jeweils zugeordneten Filters F1 bzw. F2 übereinstimmt.
Es können demzufolge der Eingangsresonator S1 und de Ausgangsresonator s untereinander
gleichartig ausgebildet und so bemessen werden, daß ihre relative Bandbreite der
relativen Bandbreite des Filters F1 gleich ist. Der Ausgangsresonator Sn in Verbindung
mit den Wandlerelementen W3 ist so zu bemessen, daß seine relative Bandbreite der
relativen Bandbreite des schmalbandigeren Filters F2 entspricht.
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Der elektromcchanische Kopplungsfaktor ist bei auf elektrostriktiver
Basis arbeitenden elektromechanischen Wandlerelementen bekanntlich so definiert,
daß das Quadrat 2 des elektromechanischen Kopplungsfaktors k, gleich dem Quotienten
aus der umgewandelten Energie und der insgesamt zugeführten Energie. Weiterhin gilt,
daß k2 proportional der relativen Bandbreite eines Filters ist, wenn man unter der
relativen Bandbreite den Quotienten aus der Durchlaßbandbreite #f und der Mittenfrequenz
fo eines Filters versteht.
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Anhand der elektrischen Ersatzschaltung nach Fig.1 wurde für eine
Filterweiche die Betriebsdämpfung ab zwischen den Anschlüssen 1, 1' und 2, 2' sowie
zwischen den Anschlüssen 1, 1' und 3, 3 berechnet. Der Berechnung wurden dabei die
Forderungen zugrunde gelegt, die an die Zusammenschaltung eines Kanalfilters und
eines Wahlfilters für ein Trägerfrequenzsystem bei einer Mittenfrequenz von fit
50 kHz gestellt werden. Dabei wurde für das als verlustfrci angenommene breite Filter
ein Tschebyscheff-Verhalten der Durchlaßdämpfung von aO = 0,01 Np vorgegeben. Wie
sich aufgrund von Untersuchungen zeigt, erhöht sich diesc vorgegebene Dämpfungsverzerrung
durch das Hinzuschalten des schmalen Filters lediglich bei der
bezogenen
Frequenz # = f/fo = 1,03125 um nur 0,0016 Np.
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Die Durchlaßdämpfung des mit einer Schwinggute von etwa 10 OOQ realisierten
schmalen Filters beträgt 0,12 Np und wird im wesentlichen von dem Eingangsscheinwiderstand
des breiten Filters verursacht.
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In den Fig.2 bis 1Q sind lediglich Beispiele für mögliches Ausführungsformen
angegeben und es sind selbstverständlich noch weitere Kombinationen verschiedener
Schwingungsformen für die Resonatoren und Koppelelemente des breiten und des schmalen
Filters möglich.
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8 Patentansprüche 10 Figuren