DE1814954B2 - Elektrische Filterweiche, bestehend aus zwei elektromechanischen Filtern mit unterschiedlicher Bandbreite - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Filterweiche, bestehend aus zwei elektromechanischen Filtern mit unterschiedlichen Durchlaßfrequenzen und voneinander wesentlich verschiedenen Bandbreiten, bei der beide Filter einen gemeinsamen elektromechanischen Eingangswandler haben, während jedem Filter ein eigener elektromechanischer Ausgangswandler zugeordnet ist und bei der der Eingangs- bzw. Ausgangswandler als mit elektrostriktiv aktiven Wandlerelementen versehene mechanisehe Resonatoren ausgebildet sind.

Bei der Übertragung von Nachrichtensignalen tritt bekanntlich häufig die Aufgabe auf, ein breiteres Frequenzband in zwei Teilbänder zu zerlegen, bzw. umgekehrt, zwei Teilbknder zu einem breiteren Frequenzband zusammenzusetzen. Zur Lösung dieser Aufgabe werden sogenannte elektrische Filterweichen verwendet, bei denen zwei auf unterschiedliche Durchlaßfrequenzen abgestimmte Filter beispielsweise einangsseitig 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 als die Rufsignale, so daß die den jeweiligen Kanälen zugeordneten Filter auch unterschiedliche Bandbreiten haben müssen.

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, Seiten 476 bis 523, verwiesen.

Zum Aufbau von Filtern werden neuerdings in dem für sie geeigneten Frequenzbereich vielfach 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.

Durch die USA-Patentschrift 2753 524 ist bereits ein Frequenzanalysator bekannt, bei dem zwei me-

chanische Filter schmaler Bandbreite gleichen Betrages und geringfügig unterschiedlicher Bandmittenfrequenz die Weichenteilfilter einer elektrischen Filterweiche bilden. Diese Weiche, die aufgrund ihrer Übertragungscharakteristik und ihres Verwendungszweckes zutreffender als Frequenzdiskriminator zu bezeichnen ist, tritt als Bestandteil des Regelspannungserzeugers der Schaltungsanordnung zur automatischen Scharfabstimmung dieses Frequenzanalysators in Erscheinung, der nach dem Überlagerungsprinzip arbeitet. Das Problem, zwei mechanische Filter mit stark unterschiedlicher Breite ihres Durchlaßbereiches zu ein-er Weiche zu vereinigen, ist bei dieser Siebanordnung nicht gegeben.

Durch die NL-Offenlegungsschrift 6409663 ist weiterhin eine mechanische Vornparallelschaltung eines breitbandigen und eines schmalbandigen mechanischen Filters zur Bildung einer Filterweiche bekannt. Bei dieser bekannten Schaltang ist die Bandbreite der beiden Fiitern 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 elektromechanischen Wandlern der Schaltung. Da bekanntlich die relative Bandbreite eines durch Spulen ergänzten elektromechanischen Wandlers proportional dem physikalisch gegebenen elektromechanischen Kopplungsfaktor k ist, bzw. proportional dem Quadrat des elektromechanischen Kopplungsfaktors bei einem elektromechanischen Wandler ohne Spulen, ergibt sich als weiterer Nachteil der bekannten Weichenschaltung eine Verkleinerung der höchstmöglichen relativen Bandbreite der einzelnen mechanischen 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 Longitudinalresonatoren zum Gegenstand und es ist darüber hinaus erforderlich, die jeweiligen elektromechanischen Wandler und damit letzten Endes die jeweiligen mechanischen Filter durch elektrische Endkreise aus Spulen und Kondensatoren zu ergänzen.

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 Resonatoren ebenfalls über Koppelelemente mit an sich beliebigen Schwingungsformen, wie beispielsweise die Längs-, die Torsions- oder die Biegekopplung, erfolgen kann.

Bei einer elektrischen Filterweiche, bestehend aus zwei elektromechanischen Filtern mit unterschiedlichen Durchlaßfrequenzen und voneinander wesentlich verschiedenen Bandbreiten, 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 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 sind, daß die ursprüngliche Filtercharakteristik des die größere Bandbreite aufweisenden Filters nahezu vollständig erhalten bleibt.

Bei der Erfindung können als elektromechanische Wandler auch Biegeschwingungen ausführende Endresonatoren mit Wandlereigenschaften verwendet 2Ci werden, wie sie beispielsweise durch die deutsche Patentschrift 1203321 bekannt geworden sind. Wesentlich für diese bekannten elektromechanischen Wandler ist es, daß die Anregung von Biegeschwingungen über den direkten piezoelektrischen Effekt erfolgen r> kann, wodurch sich die Schwingungsgüte im Vergleich zu über den indirekten piezoelektrischen Effekt angeregten Biegeresonatoren zum Teil beträchtlich erhöhen läßt. Weiterhin ist es bei der Erfindung möglich, in den einzelnen Filtern auch Biegeresonatoren zu ίο verwenden, in denen zwei aufeinander senkrecht stehende Biegeschwingungen angeregt werden. Filter mit derartigen Biegeresonatoren sind beispielsweise durch die deutsche Patentschrift i 236684 bekanntgeworden und haben den Vorteil, daß durch die Anregung zweier Biegeschwingungen in einem einzigen Resonator dieser Resonator doppelt ausgenutzt ist und somit bereits als zweikreisiges Element wirksam ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt

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 Längs-)0 kopplung 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 Biege-V) schwingungen ausführen unter Verwendung von Langs- und Torsionskopplung bzw. nur Längskopplung,

Fig. 9 eine Weiche mit Längsresonatoren unter Verwendung einer Biegekopplung,
bu Fig. 10 eine Weiche mit Längs- und Torsionsresonatoren unter Verwendung von Längskopplungen.

Anhand des in der Fig. 1 dargestellten elektrischen Ersatzschaltbildes sei zunächst das Prinzip der Weichenschaltung näher erläutert. Die Weiche besteht aus b5 zwei elektromechanischen Filtern F₁ und F₂, deren Resonatoren im elektrischen Ersatzschaltbild als Parallelresonanzkreise dargestellt sind, die in den Querzweigen einer Abzweigschaltung liegen. Das Filter F₁

besteht aus mechanischen Resonatoren S₁ bis S_{n r} deren Kopplung über die als mechanische Koppelelemente ausgebildete, als Spulen dargestellte Koppelelemente K₁ erfolgt. Das Filter F₂ besteht beispielsweise aus einem mechanischen Resonator S₂', dem die mechanischen Koppelelemente K₂ zugeordnet sind. Am Eingang der Weichenschaltung liegt ein mechanischer Resonator S,, der gleichzeitig die aus elektrostriktiv aktivem Material bestehenden Wandlerelemente W₁ enthält. Im elektrischen Ersatzschaltbild läßt sich ein derartiger Wandler durch eine Eingangsquerkapazität C j und einen im Längszweig liegenden Serienresonanzkreis mit der Kapazität C_q , und einen nachgeschalteten Dualwandler D darstellen. Die Hingangsklemmen der Weiche sind mit den Bezugsziffern 1 und 1' versehen. Das Filter F₁ ist ausgangsseitig mit einem Endresonator S_n abgeschlossen, der ebenso wie der Eingangsresonator 5, aufgebaut ist und dessen elektrostriktiven Wandlerelementen W₂ die statische Kapazität C_{p 2} und die dynamische Kapazität C_{q 2} zugeordnet sind. Auch das Filter F₂ hat einen Endresonator S_n', der die elektrostriktiv aktiven Wandlerelemente W₃ mit den Kapazitäten C₃ und C_p j enthält. Die Ausgangsklemmen des Filters F₁ sind mit 2 und 2', die des Filters F₂ mit 3 und 3' bezeichnet. Das Filter F₂ ist über die Koppelelemente K an den Eingangsresonator S₁ angekoppelt und enthält neben dem Endresonator S_n' noch den Resonator S₂', der selbst über die Koppelelemente K₂ mit den ihm benachbarten Elementen verkoppelt ist. Es ist davon auszugehen, daß aufgrund der gestellten Anforderungen das Filter F₁ 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 Koppelelemente lediglich als gestrichelte Linien kenntlich gemacht.

Wesentlich für die Weichenschaltung nach Fig. 1 ist es nun, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor des beiden Filtern F₁ und F₂ gemeinsamen Eingangswandlers S₁ mit den Wandlerelementen W_x derart gewählt wird, daß seine Bandbreite 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 F₂ die Filtercharakteristik des Filters F₁ nahezu vollständig erhalten bleibt, d. h. die Koppelelemente K stellen gegenüber den Koppelelementen K₁ eine nur schwache Kopplung dar. Es läßt sich somit durch die Lehren nach der Erfindung erreichen, daß jedes mechanische Filter zu einer Weichenschaltung ergänzt werden kann, in derein verhältnismäßig breitbandiges und ein verhältnismäßig schmalbandiges Filter zusammenwirken müssen. Geht man davon aus, daß 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 den Klemmen 3, 3' abgegeben wird, wenn nur dafür gesorgt ist, daß die Filter F₁ und F₂ auf die erforderlichen unterschiedlichen Durchlaßfrequenzen abgestimmt sind.

In der Fig. 2 ist eine Weichenschaltung zweier mechanischer Filter F₁ und F₂ dargestellt, deren Resonatoren in Analogie zum elektrischen Ersatzschaltbild der Fig. 1 mit S₁, S₂, S₃ bis S_n beim Filter F₁, bzw. mit S/ bis S_n' beim Filter F₂ bezeichnet sind. In den "' Resonatoren S₁, S_n und S_n' sind elektromechanische Wandlerelemente W_x, 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 dito rekten piezoelektrischen Effekt 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 1203321 bekanntgeworden und es beruht ihre Wirkung darauf, daß zu beiden Seiten der neutralen

2» Faser eines mechanischen Biegeresonators Plättchen oder Kötzchen aus elektrostriktivem Material angeordnet werden. Den elektrostriktiven Plättchen wird eine Vorpolarisation aufgeprägt, wie dies durch die mit P bezeichneten Pfeile kenntlich gemacht ist.

j Es müssen dabei die auf der einen Seite der neutralen Faser liegenden Plättchen entgegengesetzt polarisiert sein zu den auf der anderen Seite der neutralen Faser liegenden Plättchen. Legt man nun über die Klemmen 1, 1' eine elektrische Wechselspannung an die

so aus Metall bestehenden Resonatorteile des Resonators S₁, dann werden die auf der einen Seite der neutralen Faser liegenden elektrostriktiven Plättchen in der einen Halbwelle der elektrischen Wechselspannung beispielsweise zusammengezogen, während sich

i"> 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 S₁ übereinstimmt, dann führt dieser Biegeschwingungen in Richtung der Doppelpfeile R aus.

E'ie vom Resonator S₁ erzeugten Biegeschwingungen werden mit Hilfe eines Längsschwingungen ausführenden Koppelelementes L auf die weiteren Resonatoren S₂, S₃ usw. des Filters übertragen und gelangen schließlich zum Ausgangsresonator S_n. Die Funktion des Ausgangsresonators S_n beruht auf dem

so gleichen Prinzip wie beim Eingangsresonator S₁, so daß an den Ausgangsklemmen 2, 2' eine elektrische Wechselspannung abgenommen werden kann. Das Koppelelement L ist im Bereich eines Schwingungsmaximus V an den einzelnen Resonatoren befestigt, wodurch sich in Verbindung mit den Eigenschaften eines Längskopplers eine verhältnismäßig feste Kopplung zwischen den einzelnen Resonatoren des Filters F₁ ergibt. Damit ist das Filter F, verhältnismäßig breitbandig.

An den Eingangswandler S₁ ist über Torsionsschwingungen ausführende Koppelelemente T_x das gegenüber dem Filter F₁ schmalbandigere Filter F₂ angekoppelt, das aus den Resonatoren S₁' und S_n' besteht. Die Kopplung zwischen den Resonatoren S₁'

und S_n' erfolgt ebenfalls über auf Torsion beanspruchte Kappelelemente T₂. Die Koppelelemente T_x und T₂ sind jeweils in Schwingungsknoten 5 an den mit ihnen verbundenen Resonatoren befestigt und

stehen senkrecht zur Schwingungsebene der einzelnen Resonatoren. Der Resonator S_n' enthält die elektromechanischen Wandlerelemente W₃ und seine Wirkung ist analog zum Eingangsresonator S₁ bzw. zum Ausgangsresonator S_n des Filters F₁. "·

Da das Filter F₂ hinsichtlich seiner Frequenzbandbreite wesentlich schmaler ist als das Filter F₁, ist es in der Regel ausreichend, im Endresonator S_n' nur zwei Wandlerelemente W₃ anzuordnen, da damit bereits der erforderliche elektromechanische Kopp- «' lungsfaktor erzielt wird. Die für die Wandlerelemente W₃ erforderliche Vorpolarisation ist ebenfalls durch Pfeile kenntlich gemacht. Das Filter F₂ ist derart lose an den Eingangswandler 5, angekoppelt, d. h. die Koppelelemente T₁ sind hinsichtlich ihres Torsions-Verhaltens 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 2i> beiden Filtern gemeinsamen Eingangsresonator S₁ mit den beiden Filtern gemeinsamen Eingangswandlerelementen W₁ so gewählt werden kann, daß die Bandbreite des Eingangsresonators S₁ gerade der Filterbandbreite des Filters F₁ entspricht, d. h. es braucht 2> bereits beim Entwurf der Schaltung des Filters F₂ zunächst nicht berücksichtigt zu werden. Gleichzeitig ist gewährleistet, daß die elektromechanischen 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 .Schw!n»ün»sanre<»!in^o verwendeten Piezokeramiken, eine wesentlich niedrigere Schwingungsgüte als die insbesondere aus einem me- r> tallischen Material, beispielsweise Stahl, bestehenden Resonatoren. Wenn demzufolge bei einem in der Art des Eingangsresonators S₁ ausgebildeten Endresonator der für die elektrostriktiven Wandlerelemente erforderliche Anteil an elektrostriktivem Material mög- -in liehst 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 Fiiterweiche mit einem verhältnismäßig breitbandigen und einem verhältnismäßig schmalbandigen Filter ergänzt werden kann.

An den metallischen Teilen des Endresonators S_n' sind, ähnlich wie bei den Resonatoren S₁ und S_n, die zu den Klemmen 3, 3' führenden Zuführungsdrähte 5» befestigt, an denen der vom Filter F₂ durchgelassene Frequenzanteil des an den Eingangsklemmen 1, 1' anliegenden Signals abgenommen werden kann.

Das Filter nach der Fig. 2 hat selbstverständlich reziproke Eigenschaften, d. h. jeweils ein an den Klemmen 2, 2' udn 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 Haltelemente H zu erkennen, die in den hinsichtlich Biegeschwingungen auftretenden Schwingungsknoten 5 an den Resonatoren befestigt sind. Weiterhin kann die Dämpfungscharakteristik des Filters F₁ durch die Anbrin- gung eines oder mehrerer zusätzlicher Koppelelemente 6 in an sich bekannter Weise versteuert werden. Hierzu wird das Koppelelement 6 derart angeordnet, daß eine zusätzliche Kopplung zwischen 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 gegenphisig schwingenden Punkten der mit ihm verbundenen Resonatoren befestigt sein. Je nachdem, welche dieser Anbringungsarten für das Koppelelement 6 verwendet werden, ergeben sich im Sperrbereich des Filters ein oder mehrere Dämpfungspole entweder nur unterhalb oder oberhalb bzw. auch zu beiden Seiten des Durchlaßbereiches.

In den Fig. 3 bis 10 sind weitere mögliche Ausführungsformen mechanischer Filterweichen dargestellt, die in ihrer Wirkungsweise der Filterweiche nach Fig. 2 entsprechen und deren elektrisches Ersatzschaltbild 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 mit den gleichen Bezugszeichen 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.

In der Weichenschaltung nach Fig. 3 ist wiederum das Filter F₁ mit den Resonatoren S₁ bis S_n 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

en des Filters F sn dss s!s

Draht ausgebildete Koppelelement L angekoppelt werden können. Zur Erzielung einer sehr losen Ankopplung des Filters F₂ bzw. einer relativ geringen Bandbreite für das Filter F₂ ist zwischen dem Eingangsresonator S₁ und dem ersten Filterresonator S₁' des Filters F₂ ein weiterer Resonator Ai₁ angeordnet, der weit außerhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben wird und der somit nur als schwere Masse wirkt, durch die die Kopplung zwischen dem Eingangsresonator S₁ und em Filterresonator S₁' erheblich loser wird als zwischen den Resonatoren S₁ und S₇. Der Koppelabschnitt zwischen den Resonatoren S₁ und dei Masse M_x ist mit L_x bezeichnet, der sich zum Resonator S₁' anschließende Koppelabschnitt ist mit L₂ bezeichnet. Zwischen dem Resonator S₁' und dem Endresonator S/ liegt wiederum ein außerhalb der Resonanzfrequenz betriebener, als schwere Masse wirkender Resonator M₂, der über die Koppelab schnitte L₃' und L₄' mit den ihm unmittelbar benach barten Resonatoren S₁' und S₁₁' 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 S₁ und dem Filter F₂ wiederum so bestimmt wird, daß durch die Zuschaltung des Filters F₂ die Filtercharakteristik des Filters F₁ 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.

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 5,' und S_n', deren Kopplung über ein Biegeschwingungen ausführendes Koppelelement B₂ erfolgt. Das Filter F₂ ist über ein ebenfalls Biegeschwingungen ausführendes Koppelelement 5, an den Eingangsresonator S₁ angekoppelt. Die Koppelelemente O₁ und ß, können zu einem durchgehenden Koppelelement zusammengefaßt werden, das im Ausführungsbeispiel jeweils in einem Schwingungsmaximum an den Resonatoren 5,, S₁' und S_n' befestigt ist und das senkrecht zur Schwingungsrichtung R der Resonatoren verläuft. Durch eine entsprechende Bemessung der Biegekopplung S₁ 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 F, an den Eingangsresonator S₁ dafür gesorgt werden, daß durch die Zuschaltung des Filters F₂ die Übertragungscharakteristik des Filters F₁ praktisch nicht verändert wird.

Bei der Filterweiche nach Fig. 5 ist, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 4, zur Kopplung der Resonatoren S₁ bis S_n des Filters F₁ ein Längsschwingungen 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 Ebene und es sind deshalb die Koppelelemente ZJ₁ und B₂ in Schwingungsknoten 5 der mit ihnen verbundenen Resonatoren S₁, S₁' und S_n' befestigt. In den Schwingungsknoten eines Biegeresonators tritt bekanntlich eine Drehbewegung auf, so daß die Κθρρ6Ϊ£Ϊ6ΓΠ£Πΐϋ Zi₁ und S₂ äüfgfüilii uicsci Dichbewegung auf Biegung beansprucht werden. Durch die Koppelelemente 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 S₁ gesorgt werden.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind Filterelemente verwendet, die anhand der in den Fi g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele bereits erläutert wurden. Die Filter F₁ und F₂ bestehen wiederum aus den in Schwingungsrichtung R schwingenden Biegeresonatoren S₁ bis S_n, bzw. S₁' bis S_n'. Die Resonatoren der einzelnen Filter sind in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet. Die Kopplung für die Resonatoren des Filters F₁ erfolgt über einen Längsschwingungen ausführenden Koppeldraht L, die Kopplung der Resonatoren S₁' und S_n' des Filters F₂ erfolgt über die Längsschwingungen ausführenden Koppelelemente L₃ 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 S₁' und S_n' erreichen läßt. 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 die derart ausgebildet sind, daß die Zuschaltung des Filters F₂ nahezu keinen Einfluß auf die Filtercharakteristik des Filters F₁ hat.

Bei den in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen sind zum Teil Biegeschwingungen

ausführende Resonatoren verwendet, in denen zwei aufeinander senkrecht stehende Biegeschwingungen angeregt werden können, so daß ein einzelner Resonator in Anbetracht seiner Wirkungsweise in seinem elektrischen Ersatzschaltbild bereits als zweikreisiges Filterelement darzustellen ist. Derartige Resonatoren sind an und für sich beispielsweise bereits durch die deutsche Patentschrift 1236684 bekannt und es beruht ihre Wirkung darauf, daß ein Biegeresonator mit beispielsweise quadratischem Querschnitt mit einer Unsymmetrie U versehen wird, durch die die beiden aufeinander senkrecht stehenden, etwa gleichfrequenten Biegeschwingungen miteinander verkoppelt 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.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind für das breitbandigere Filter F₁ wiederum eine an sich beliebige Anzahl mechanischer Biegeresonatoren S₁ bis S_n verwendet, deren Biegeschwingungen in der Schwingungsrichtung R verlaufen. Am Eingangsresonator S₁ ist über die auf Torsion beanspruchten Koppelelemente Γ das in Form eines einzigen, jedoch zweifach ausgenutzten Resonators ausgebildete Filter F₂ angekoppelt. Durch diese Kupplung führt der Resonator F₂ Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles R₁' aus, die parallel zur Schwingungsrichtüiig R des Filters F₁ verlaufen. Die Biegeschwingung A₁' entspricht somit dem ersten Filterresonator S₁' des schmalbandigeren Filters in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen. Über die Abflachung U wird im Resonator F₂ gleichzeitig eine senkrecht zur Schwingungsrichtung A₁' 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 S_n' 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 S₁ gesorgt werden.

In der Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem in Abwandlung zum Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sämtliche Filterresonatoren beider Riter über einen durchgehenden Koppeldraht verbunden werden können. Durch die Wandlerelemente W_x wird in dem den beiden Filtern gemeinsamen Eingangsresonator I eine in Richtung des Doppelpfeiles R verlaufende

Biegeschwingung angeregt, die somit der Biegeschwingung des Resonators 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 der Biegeschwingung des Filterresonators S, der vorhergehenden Ausführungsbeispiele entspricht. Diese Biegeschwingungen werden durch das Koppelelement L auf die weiteren Filterresonaioren übertragen und gelangen schließlich zum Ausgangsresonator S_n des breitbandigeren Filters F₁. Durch dieAbflachung U wird im Eingangsresonator I eine weitere Biegeschwingung in Richtung des Doppelpfeiles R₁' angeregt, die dem Filterresonator S₁' vorhergehender Ausführungsbeispiele entspricht. Die Biegeschwingung R₁' wird über den, zwischen dem ersten und dem zweiten Filterresonator I und II liegenden Koppelabschnitt auf den zweiten Filterresonator II übertragen, und zwar wird aufgrund der zur Richtung R senkrecht stehenden Schwingungsrichtung R₁' dieser Koppelabschnitt zusätzlich auf Biegung beansprucht, das heißt, dieser Koppelabschnitt führt eine Längsschwingung L und zusätzlich eine Biegeschwingung B aus. Durch die Biegekopplung B entsteht im zweiten Filterresonator II eine in Richtung des Doppelpfeiles A₂' 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 /?,' 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 S_n' des Filters F₂ der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Das schmalbandigere Filter F₂ wird beim Ausführungsbeispiel der Fig. 8 somit von den in Richtung der Doppelpfeile A₁' 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 schwach dimensionierte Ausbildung der Unsymmetrie U des Resonators I kann für eine entsprechend lose Ankopplung der Biegeschwingung R₁' gesorgt werden und ferner läßt sich die Bandbreite des Filters F₂ durch eine entsprechende Querschnittswahl des auf Biegung beanspruchten Koppelelementabschnittes zwischen den Resonatoren I und II einstellen.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 9 ist eine mechanische Filterweiche gezeigt, bei der in den Filtern F₁ und F₂ Längsschwingungen ausführende Resonatoren verwendet sind. 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 S_n und S_n' beispielsweise in an sich bekannter Weise dadurch, daß zwischen die metallischen Teile der Resonatoren aus elektrostriktivem 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 elektrische Wechselspannung zurückverwandelt. Die Kopplung der Resonatoren S₁ bis S_n des Filters F₁ erfolgt über die auf Biegung beanspruchten Koppelelemente B, durch deren Anbringungsort und

η) durch deren Querschnittsabmessungen bzw. deren Länge die Bandbreite des Filters F₁ bestimmt werden kann. Die Resonatoren 5/ und S_n' des Filters F₂ sind über ebenfalls auf Biegung beanspruchte Koppele iemente B' miteinander und mit dem gemeinsamen

ι "> Eingangsresonator S₁ gekoppelt. Es ist dabei lediglich darauf zu achten, daß die Koppelelemente B erheblich steifer als 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 Eingangsresonators S₁ derart lose ist, daß die Filtercharakterisitik des Filters F₁ durch die Zuschaltung des schmalbandigeren Filters F, praktisch nicht verändert wird.

r> Eine Weichenschaltung unter Verwendung einer Kombination von Filtern mit Längs- und Torsionsschwingungen ausführenden Filterresonatoren und Längs- bzw. Biegeschwingungen ausführenden Koppelelementen ist in der Fig. 10 gezeigt. Der beiden

jo Filter gemeinsame Eingangsresonator S₁ wird in Längsschwingungen erregt, die über das Koppelelement L auf die Resonatoren S₂ bis S_n übertragen werden. Die Resonatoren S₂ bis S_n__p 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 S_n stehen. Da das Koppelelement L tangential an den Resonatoren S₂ bis S_n_, angreift, werden diese Resonatoren zu Torsionsschwingungen erregt, wie es durch die Doppelpfeile 8 kenntlich gemacht ist. Erforderlichenfalls können die Resonatoren S₁ bis S_n^₁ zur Erzielung der für das Filter F₁ notwendigen Bandbreite durch ein weiteres, Längsschwingungen ausführendes Koppelelement L miteinander

4-. gekoppelt werden. In jedem Fall läßt sich mit Hilfe der Koppelelemente L die erforderliche Bandbreite des Filters F₁ einstellen. Die Resonatoren S₁' und S_n' des Filters F₁ werden in Richtung ihrer Längsachse entsprechend den Doppelpfeilen 7 zu Längsschwin-

>n gungen erregt. Die Kopplung dieser Resonatoren erfolgt ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 9 durch ein auf Biegung beanspruchtes Koppelelement B. Mit diesem Koppelelement kann wiederum einerseits für die gewünschte lose Ankopplung des FiI-ters F₂ an den gemeinsamen Eingangsresonator S₁ und andererseits für eine entsprechend schmale Bandbreite des Filters F₂ gesorgt werden.

Sofern es die geforderten relativen Bandbreiten zulassen, wird man im allgemeinen bemüht sein, die ge-

bo samte Filterweiche so aufzubauen, daß auf die Verwendung von konzentrierten Schaltelementen, nämlich von Spulen und Kondensatoren zur Abstimmung der elektromechanischen Wandler völlig verzichtet werden kann. Es ist in diesem Fall bekanntlich erfor-

b5 derlich, daß die Eingangs- bzw. Ausgangsresonatoren S₁, S_n und S_n' in Verbindung mit ihren elektromechanischen Wandlerelementen W₁, W₂ und W₃ derart ausgebildet werden, daß das Quadrat des elektrome-

chanischen Kopplungsfaktor genau oder zumindest näherungsweise mit der relativen Bandbreite des ihnen jeweils zugeordneten Filters F₁ bzw. F₂ übereinstimmt. Es können aufgrund der Lehren nach der Erfindung der Eingangsresonator S₁ und der Ausgangsresonator S_n untereinander gleichartig ausgebildet und so bemessen werden, daß ihre relative Bandbreite der relativen Bandbreite des Filters F₁ gleich ist. Der Ausgangsresonator S_n' in Verbindung mit den Wancilerelementen W₃ ist so zu bemessen, daß seine relative Bandbreite der relativen Bandbreite des schmalbandigeren Filters F₂ entspricht. Der elektromechanische Kopplungsfaktor ist bei auf elektrostriktiver Basis arbeitenden elektromechanischen Wandlerelementen bekanntlich so definiert, daß das Quadrat des elektromechanischen Kopplungsfaktors k gleich ist dem Quotienten aus der umgewandelten Energie und der insgesamt zugeführten Energie. Weiterhin gilt, wie oben dargelegt, daß k² proportional der relativen Bandbreite eines nicht durch eine Spule abgestimmten elektromechanischen Wandlers ist, wenn man unter der relativen Bandbreite den Quotienten aus der Durchlaßbandbreite Af und der Mittenfrequenz f_o versteht.

Anhand der elektrischen Ersatzschaltung nach Fig. 1 wurde für eine Filterweiche die Betriebsdämpfung «^ 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 vor f_o =50 kHz gestellt werden. Dabei wurde für das als verlustfrei angenommene breite Filter ein Tschebyscheff-Verhalten der Durchlaßdämpfung von a_o = 0,01 Np vorgegeben. Wie sich aufgrund von Untersuchungen zeigt, erhöht sich diese vorgegebene Dämpfungsverzerrung durch das Hinzuschalten des schmalen Filters lediglich bei der bezogenen Frequen2 Ω = f/f_o = 1,03125, und zwar um nur 0,0016 Np. Die Durchlaßdämpfung des mit einer Schwinggüte vor etwa 10000 realisierten schmalen Filters beträgt 0,12 Np und wird im wesentlichen von dem Eingangsscheinwiderstand des breiten Filters verursacht.

In den Fig. 2 bis 10 sind lediglich Beispiele für mögliche Ausführungsformen angegeben und es sind selbstverständlich noch weitere Kombinationen verschiedener Schwingungsformen für die Resonatoren und Koppel· !emente des breiten und des schmalen Filters möglich.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektrische Filterweiche, bestehend aus zwei elektromechanischen Filtern mit unterschiedlichen Durchlaßfrequenzen und voneinander wesentlich verschiedenen Bandbreiten, 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, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor (k) des beiden Filtern (F₁, F₂) gemeinsamen Eingangswandlers (S₁, W₁) derart gewählt ist, daß die Bandbreite des Eingangswandlers (S₁, W₁) mit der Bandbreite des die größere Bandbreite aufweisenden Filters (F₁) übereinstimmt, und daß das die kleinere Bandbreite aufweisende Filter (F₂) durch mechanische Koppelelemente (K) derart schwach an den Eingangswandler (S₁, 1^₁) angekoppelt ist, daß die ursprüngliche Filtercharakteristik des die größere Bandbreite aufweisenden Filters (F₁) nahezu vollständig erhalten bleibt.

2. Elektrische Filterweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (F₂) kleinerer Bandbreite über Längs-, Torsions- oder Biegeschwingungen ausführende Koppelelemente (L₁', L₂'in Fig. 3;TinFig. 6und7; T₁ inFig. 2; LB in Fig. 8; B in Fig. 10; B_x in Fig. 4 und 5; B' in Fig. 9) an den gemeinsamen Eingangswandler (S₁, W₁) angekoppelt ist.

3. Elektrische Filterweiche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren (S₁ bis S_n; S₁' bis S_n') der einzelnen Filter (F₁, F₂) als Längs-, Biege- oder Torsionsschwingungen (7 in Fig. 9 und 10; R in 2 bis 8; R₁', R-,' in Fig. 7 und 8; 8 in Fig. 10) ausführende Resonatoren ausgebildet sind.

4. Elektrische Filterweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren (S₁ bis S_n; S₁' bis S_n') der einzelnen Filter (F₁, F₂) über Längs-, Biegeoder Torsionsschwingungen ausführende mechanische Koppelelemente (L in Fig. 2 sowie 4 bis 8 und 10; L,', L₄' in Fig. 3 und 6; B in Fig. 4 sowie 8 bis 10; B₂ in Fig. 4 und 5; B' in Fig. 9; T₁ in Fig. 2) miteinander gekoppelt sind.

5. Elektrische Filterweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einander nicht unmittelbar benachbarte Resonatoren der einzelnen Filter (F₁, F₂) durch ein zusätzliches mechanisches Koppelelement (6) miteinander verbunden sind (Fig. 2).

6. Elektrische Filterweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem gemeinsamen Eingangswandler (S₁, W₁) und dem ersten Resonator (S₁') des die kleinere Bandbreite aufweisenden Filters (F₂) und gegebenenfalls zwischen weiteren Resonatoren (S₁', S_n') dieses Filters (F₂) weitere, außerhalb ihrer Resonanzfrequenz betriebene Resonatoren (M _v M-, M) geschaltet sind (Fig. 3).

7. Elektrische Filterweiche nach einem der vor-

hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Biegeschwingungen (R) ausführenden Resonatoren wenigstens einzelne Resonatoren derart ausgebildet bzw. mit den ihnen benachbarten Resonatoren derart gekoppelt sind, daß in diesen Resonatoren (I, II) zwei aufeinander senkrecht stehende Biegeschwingungen (A₁', R₂'; R) mit nahezu gleicher Eigenresonanzfrequenz auftreten (Fig. 7, 8).

8. Elektrische Filterweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei spulenloser Beschaltung der elektromechanischen Wandler der gemeinsame Eingangswandler (S₁, W₁) bzw. die Ausgangswandler (S_n, W₂; S_n, W₃) derart ausgebildet sind, daß das Quadrat des elektromechanischen Kopplungsfaktors (k) zumindest näherungsweise mit der relativen Bandbreite des ihnen jeweils zugeordneten Filters (F₁ bzw. F₂) übereinstimmt.