DE1816078B2 - Als Modulator ausgebildetes elektromechanisches Filter - Google Patents

Description

Die vorstehenden Überlegungen treffen auch auf beide Wandlerelemente auch auf sich in Schwin-Modulatoranordnungen zu, wie sie durch die Zeit- gungsrichtung gegenüberliegenden Seiten des R"°~ schrift »Electronics«, 20. September 1965, S. 84 bis; nators angeordnet sein. Zweckmäßig sorgt man da-87 und die USA.-Patentscl.rift 3413 573 bekannt- bei dafür, daß der Abstand der Wandierelemente geworden sind. Bei diesen Anordnungen werden 5 vom Eingangsresonator einstellbar ist. Wandierelemente verwendet, bei denen die von ihnen An Hand von Ausführungsbeispielcn wird nacherzeugte Kraft proportional dem Quadrat der anlie- stehend die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt „enden Spannung ist. auch ist es dort möglich, men- in der Zeichnung .

rere Resonatoren zu verwenden, jedoch liegen auch Fig. 1 ein mechanisches Filter mit Biegeschwin-

bei diesen bekannten Anordnungen die zu über- io gungen ausführenden Resonatoren und elektrostalaternden Spannungen nur an einem Wandlerele- tischen Wandlerelementen in der Draufsicht, jnent. F i g. 2 einen Querschnitt längs der Lime A-A von

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Fig.l,

vorerwähnten Schwierigkeiten in verhältnismäßig Fig. 3 läßt die physikalische Wirkungsweise er-

"infacher Weise zu begegnen; insbesondere soll ein 15 kennen,

als Modulator ausgebildetes elektromechanisches F i g. 4 eine symmetrische Anordnung,

Filter angegeben werden, bei dem die Anforderungen Fig. 5 eine Möglichkeit zur elektrischen Emstel-

hinsichtlich der Selektivität bereits durch einen ver- lung des Elektrodenabstandes der elektrostatischen hältnisniäßig einfachen Aufbau des mechanischen FiI- Wandierelemente,

ters erfüllt werden können und das darüber hinaus 20 F i g. 6 eine Ausführung, bei der die Wandlereieeinem nach Art der integrierten Schaltungen ausge- mente auf gegenüberliegenden Seiten des Biegeresobildeten Aufbau zugänglich ist. nators angeordnet sind. ... 1

Bei einem als Modulator ausgebildeten elektro- Die F ig. 1 und 2 zeigen schematisch ein elektromechanischen Filter, bestehend aus wenigstens einem mechanisches Filter, das aus mehreren Biegeresonamechanischen Resonator, einem elektromechanischen 25 toren 2 besteht. Die Endresonatoren sind mit deniie-Einp--ncswandler, der derart ausgebildet ist, daß die zugszeichen 2' bzw. 2" versehen und können mnvon ihm erzeugte Kraft proportional dem Quadrat sichtlich ihres Aufbaues völlig gleichartig zu den Keder an ihm anliegenden Spannung ist und der an zwei sonatoren 2 ausgebildet sein. Die Kopplung der ein-Wechselspannungsquellen angeschlossen ist, die je- zelnen Resonatoren erfolgt über mechanische κορ-weils eine Wechselspannung mit unterschiedlicher 30 pelelemente 3, die im Ausführungsbeispiel mit den Frequenz erzeugen und einem elektromechanischen einzelnen Resonatoren in deren jeweiligem bcnwin-Ausgani»"·wandler, wird diese Aufgabe gemäß der Er- gungsmaximum verbunden sind und die selost uiegenndune 'dadurch gelöst, daß der Eingangswandler in schwingungen ausführen. Zur Halterung des sysierns zwei voneinander getrennte Wandierelemente unter- ist eine Grundplatte 1 vorgesehen die beispielsweise teilt ist bei denen die von ihnen erzeugte Kraft pro- 35 aus einem halbleitenden Material bestehen kann, was nortional dem Quadrat der an ihnen anliegenden besonders dann zweckmäßig ist, wenn das gesamte Spannung ist, daß dem einen Wandlerelement die Filter nach Art der integrierten Schaltungen aufgeaSs den beiden Wechselspannungen gebildete Sum- baut werden soll. Zur Befestigung der einzelnen Remenspannung zugeführt wird, während dem anderen sonatoren auf der Grundplatte 1 sind dif Halteele-Wandlerelement die aus den beiden Wechselspan- 40 mente 4 vorgesehen, die jeweils mdev. sich hin chnungen gebildete Differenzspannung zugeführt wird, Hch Biegeschwingungen ausbildenden Schwingungsund daß der mechanische Resonator auf die Sum- knoten mit den Resonatoren verbunden sind. Die An_men- oder die Differenzfrequenz beider Wechselspan- zahl der einzelnen Resonatoren m^u.^ß _tJ5*^eil"°f^JJ¹ !!„ abgestimmt ist. werden, daß das Filter die hinsichtlich seiner Selek-

werden, daß das Filter die hinsi

irWanSSSe, bei denen die erzeugte Kraft 45 tivität zu stellenden Anforderungen^r ut; durch proportional dem Quadrat der an ihnen anliegenden eine entsprechende Bemessung J'Koppeielemente 5 Spannung ist, eignen sich insbesondere elektrosta- läßt sich in an sich bekannter Weise d.e_Bandbre. e fische Wandler. Ein verhältnismäßig einfaches Zu- des Filters regalteren, g?^«^ ^k™™j*J sammenwirken der Endresonatoren des Filters mit Endresonatoren 2 und 2 .^ ?"^ε"™_η ^m!g den elektrostatischen Wandlerelcmenten wird dann 50 wirkenden Wellensumpf belastet sein_; ^urch ^ erreicht, wenn das elektromechanische Filter aus eine verhältnsmaß.g große Bandbeitee ζ elen laß mehreren, Biegeschwingungen ausführenden mecha- Unter einem mechanischen ^^^^J™ nischen Resonatoren besteht und wenn die Wandler- Material zu verstehen das ^ elemente des Eingangswandlers zu beiden Seiten gungen eine relativ hohe Dampfung in?s sich hinsichtlich Biegeschwingungen ausbilden- 55 derartiges Material ist■ ^^^ den Schwingungsknotens am Eingangsresonator an- ™%%2£££ L^^ ⁸⁶⁰AUS Symmetriegründen kann es dabei zweckmäßig Die Anregung der Biegeschwingunger, erfolg* über sein, daß einem der Wandierelemente ein weiteres elektrostatische W»^«¹^* f^J^^ Wandelement parallel geschaltet ist und daß diese 60 dem Eingangs«sona^r 2 ^de Filter ™« beiden Wandlerelemente symmetrisch zu der sich in ken. Der Α»⁸«"^^^^^ ₇ versehen, der Schwingungsrichtung erstreckenden Mittelebene des «^^g^^SSA i

rsr^^rsdie w^e ^f^

mente in der Weise justieren, daß ein weiteres Wand- 6₅ maßig der glei

Ss^^em Z ^eins;^bare S

Je nach dem Aufbau der Gesamtschaltung können die Grundplatte

daß sie untereinander und mit den Filterresonatoren nicht in elektrisch leitender Verbindung stehen. Legt man nun an die Elektroden 5 bzw. 6 und an den Eingangsresonator 2' eine elektrische Wechselspannung, dann wird dieser unter dem Einfluß des sich zwischen dem metallischen Endresonator 2' und den Elektroden 5 bzw. 6 ausbildenden elektrischen Feldes je nach der Richtung der elektrischen Feldlinien durchgebogen. In der nächsten Halbperiode der elektrischen Wechselspannung kehrt sich auch die Richtung der elektrischen Feldlinien um, wodurch der Endresonator 2' in der entgegengesetzten Richtung durchgebogen wird. Wenn die Frequenz der angelegten Wechselspannung zumindest näherungsweise mit der Eigenresonanzfrequenz des Endresonators 2' übereinstimmt, dann führt dieser somit Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 8 aus. Diese Biegeschwingungen werden über die Koppelelemente 3 auf die weiteren Filterresonatoren übertragen und werden schließlich im Ausgangsresonator 2" in Verbindung mit dem Ausgangswandler 7 in elektrische Schwingungen zurückverwandelt.

Am Eingangsresonator 2' bildet somit jede der beiden Elektroden 5 und 6 zusammen mit dem Endresonator 2' einen elektrostatischen Wandler, von denen in an sich bekannter Weise jeder die Eigenschaft hat, daß die von ihnen erzeugte Kraft, d. h. also die auf den Endresonator 2' ausgeübte Kraft, proportional dem Quadrat der angelegten elektrischen Wechselspannung ist.

Aus der Fig. 2 ist weiter zu erkennen, daß zwischen der Elektrode 5 und dem Resonator 2' bzw. zwischen der Elektrode 6 und dem Resonator 2' die elektrischen Wechselspannungen M₁ bzw. «., liegen. Die Spannung U₁ ist dabei die Summe der beiden zu

ίο überlagernden Wechselspannungen, während die Spannung M₂ aus der Differenz der zu überlagernden Wechselspannungen gebildet wird. Schaltungsanordnungen zur Bildung der Summe bzw. dur Differenz zweier elektrischer Wechselspannungen sind an sich

bekannt, so daß an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen zu werden braucht.

Für die Spannungen M₁ und M₂ gilt somit die Beziehung

M, = flsin(tür) + bsin(Qt),
M₂ = α sin (ω t) — b sin (Ω t).

Hierbei bedeuten α sin (ω ή und fcsin(j2f) die beiden miteinander zu überlagernden elektrischen Spannungen.

Vom ersten Wandler 5 wird somit die Kraft

F₁ = X₁ · M? = X₁

~T cos 2 mt

\+b²f~-~-cos2Üt\ + lab [cos (ω- Ω) f-cos (ω + Ω) r]l

ausgeübt. Vom zweiten Wandler 6 wird die Kraft

F₂ = X₂uf = X₂ j a¹ (y - y cos 2 o,tj + b² ^- - — cos 2 Ωι\ -2 ab [cos(ω - Ω) t - cosΙω + Ω) f]l

ausgeübt.

In der F ig. 3 ist schematisch dargestellt, wie sich die beiden Kräfte F₁ und F₂ überlagern. Die Kraft F₁ erscheint am Angriffspunkt der Kraft F₂ um den Faktor c transformiert. Die resultierende Kraft F_t ist gegeben durch F_T=F₂—cF_t. Mit CK₁=K₂ erhält man durch Einsetzen

F_r = -4X₂ ab [cos (ω - Ω) t - cos (ω + Ω) ί].

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Die resultierende Kraft F_r enthält also nur noch Komponenten der Summen- bzw. Differenzfrequenz. Die Bedingung CK₁=K₂ läßt sich beispielsweise durch geeignete Wahl der Fläche der Elektroden 5, 6 erzielen.

Wie aus der in F i g. 3 dargestellten Kraftverteilung hervorgeht, ist für die Schwiugungsanregung des Eingangsresonators 2'' nur mehr die resultierende Kraft F_r wirksam, in der nur noch Komponenten der Summen- bzw. Differenzfrequenz der zu überlagernden Spannungen enthalten sind. Je nach Bedarf ist es nun möglich, die Eigenfrequenz der Filterresonatoren entweder auf die Summenfrequenz oder auf die Differenzfrequenz der beiden zu überlagernden Wechselspannungen abzustimmen. In der Regel wird man dabei diejenige Frequenz verwenden, für die sich unter Einhaltung der an das gesamte Übertragungssystem gestellten Forderungen ein möglichst günstiger Aufbau des mechanischen Filiers erreichen läßt. Da bereits bei der Schwingungsanregung nur mehr Komponenten aus der Summen- bzw. Differenzfrequenz wirksam sind, läßt sich au:h das mechanische Filter verhältnismäßig einfach realisieren, da außer den beiden erwähnten Frequenzen von Haus aus keine weiteren Mischprodukte erzeugt werden. Gegebenenfalls wird man das mechanische Filter bereits mit einem einzigen Resonator realisieren können, was beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 zu bedeuten hat, daß der Eingangsresonator 2' bereits mit dem Ausgangswandler 7 vers&ien werden könnte.

Während im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 und 2 die elektrostatischen Wandlerelemente 5, <i bzw. 5', 6' des Eingangswandlers zu beiden Seiten eines sich hinsichtlich Biegeschwingungen ausbildenden Schwingungsknotens an der Grundplatte 1 befestigt sind, sind in den F i g. 4 bis 6 noch weitere Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen andere Anordnungsmöglichkeiten für die Wandierelemente des Eingangswandlers verwendet sind.

Im Interesse einer symmetrischen Anregung des Endresonators 2' kann es zweckmäßig sein, drei Wandlerelemente vorzusehen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 4 gezeigt. Die Elektrode 5 ist dabei wie beim Ausfühningsbeispiel der F i g. 2 etwa im Bereich der Resonatormitte des Resonators 2' angeordnet. Die Spannung U₁ wird an den Resonator 2' und die Elektrode 5 angelegt. Zum Anlegen der Spannung M₂ sind zwei parallelgeschaltete Elektroden 6 a und 6 b vorgesehen, die ebenfalls an der Grundplatte 1 befestigt sind. Die Elektroden 6a und 66 sind in den Endbereichen des Resona-

tors 2' wirksam. Auch für das Ausführungsbeispiel der F i g. 4 haben die an Hand der F i g. 3 bereits angestellten Überlegungen Gültigkeit, wobei lediglich darauf zu achten ist, daß die Fläche der Elektroden 6 a und 6b so gewählt werden, daß die in die Resonatormitte transformierte Kraft gerade so groß ist, daß in der für die Schwingungsanregung resultierenden Kraft F_r nur mehr Komponenten der Summenbzw. Differenzfrequenz wirksam sind.

Mit der in F i g. 5 dargestellten Anordnung läßt sich ein elektrischer Abgleich des als Modulator ausgebildeten Filters erzielen. Die hinsichtlich der angelegten Wechselspannungen M₁ und M₂ wirksamen Elektroden 5 und 6 sind wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 angeordnet, so daß die Elektrode 5 im mittleren Bereich des Resonators 2' und die Elektrode 6 in dessen einem Endbereich wirksam ist. Ordnet man nun auf der Grundplatte 1 im anderen Endbereich des Resonators 2' eine weitere Elektrode 10 an und legt an diese Elektrode und den Resonator 2' eine veränderbare elektrische Gleichspannung 11, dann läßt sich der Resonator 2' durch Wahl der Gleichspannung 11 bereits in seiner Ruhelage in einem vorgegebenen Maß durchbiegen, wie dies in F i g. 5 schematisch angedeutet ist. Damit ändert sich aber der Abstand der Elektroden S und 6 zum Resonator 2' gtgensinnig. Da bei einem elektrostatischen Wandler die in den vorstehenden Gleichungen auftretenden Konstanten K₁ und K₂ dem jeweiligen Elektrodenabstand umgekehrt proportional sind, lassen sich die von den Elektroden 5 und 6 auf den Resonator 2' ausgeübten Kräfte durch eine Veränderung der Gleichspannung 11 regeln.

Eine weitere Möglichkeit zur Anbringung der Wandlerelemente ist in der Fig. 6 gezeigt. Hierbei wird der Biegeschwingungen ausführende Endresonator 2' einseitig angeregt, was sich in einfacher Weise dadurch erreichen läßt, daß die mit den Spannungen M₁ bzw. M₂ gespeisten Elektroden 5 und 6 beispielsweise in einem Endbereich des Resonators 2'

ίο liegen und auf sich in Schwingungsrichtung gegenüberliegenden Seiten des Endresonators 2' angeordnet sind. Die beiden Elektroden 5 und 6 sind auf einem aus isolierendem Material bestehenden Träger 12 befesiigt, und es muß wiederum dafür gesorgt werden, daß die Spannungen M₁ und M₂ jeweils zwischen den Elektroden S bzw. 6 und dem Eingangsresonator 2' wirksam sind. Sorgt man durch einen in Fig.6 aus Gründen der besseren Übersicht nicht näher dargestellten mechanischen Antrieb, beispielsweise

ao durch einen in der Grundplatte 1 verankerten Schraubantrieb, dafür, daß sich der Abstand A des Trägers 12 von der Grundplatte 1 verändern läßt, dann ändert sich dadurch gleichzeitig der jeweilige Abstand der Elektroden 5 und 6 vom Resonator 2 gegensinnig. Auf diese Weise kann wiederum eir Abgleich des Modulators erreicht werden, so daß die für die Schwingungsanregung maßgebende, von der Spannungen M₁ und U₂ erzeugte, resultierende mechanische Kraft F_r nur Komponenten der Summen- und Differenzfrequenz der zu überlagernden Span nungen enthält.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

tromechanischen Eingangswandler, der derart ausge- Patentansprüche- bildet ist, daß die von ihm erzeugte Kraft proportional dem Quadrat der an ihm anhegenden Spannung

1. Als Modulator ausgebildetes elektromecha- ist und der an zwei Wechselspannungsquellen angenisches Filter, bestehend aus wenigstens einem 5 schlossen ist, die jeweils eine Wechselspannung mit mechanischen Resonator, einem elektromecha- unterschiedlicher Frequenz erzeugen und einem eleknischen Eingangswandler, der derart ausgebildet tromechanischen Ausgangswandler.

ist, daß die von ihm erzeugte Kraft proportional Beim Aufbau von Nachnchtenubertragungssirekdem Quadrat der an ihm anliegenden Spannung ken tritt bekanntlich immer wieder das Pioblem auf, ist und der an zwei Wechselspannungsquellen io elektrische Wechselspannungen einer vorgegebenen angeschlossen ist, die jeweils eine Wechselspan- Frequenz in eine elektrische Wechselspannung mit nung mit unterschiedlicher Frequenz erzeugen einer anderen .vorgegebenen Frequenz umzuwandeln, und einem elektromechanischen Ausgangswand- Zur Lösung dieser Aufgabe werden sogenannte Moler, dadurch gekennzeichnet, daß der dulatoren verwendet, deren Funktionsweise im Prin-Eingangswandler in zwei voneinander getrennte 15 zip darauf beruht. Wechsel spannungen mit unter-Wandlerelemente (S', 6' bzw. 5, 6) unterteilt ist, schiedlichen Frequenzen in einem elektrischen Wibei denen die von ihnen erzeugte Kraft propor- derstand zu mischen, der eine nichtlineaje Charaktetional dem Quadrat der an ihnen anliegenden ristik hat. Widerstände mit einem derartigen Verhal-Spannung ist, daß dem einen Wandlerelement ten sind beispielsweise die an sich bekannten Dioden-(5'. 5) die aus den beiden Wechselspannungen *o strecken. Bekanntlich entstehen bei einem Modulagebildete Summenspannung (M₁) zugeführt wird. tionsvorgang außer dem gewünschten Mischprodukt während dem anderen Wandlerelement (6') die noch eine ganze Reihe an sich unerwünschter Mischaus den beiden Wechselspannungen gebildete produkte, und es muß deshalb durch geeignete Selek-Differenzspannung («,) zugeführt wird, und daß tionsmitte! dafür gesorgt werden, daß die unerder mechanische Resonator (2', 2, 2") auf die »5 wünschten Mischprodukte vom eigentlichen Übertra-Summen- oder die Differenzfrequenz (cu + ß; gungsweg ferngehalten werden. Als Selektionsmittcl ω — Ω) beider Wechselspannungen abgestimmt kommen elektrische Filterschaltung^p" in Betracht, ist. deren Bemessung den jeweils vorgegebenen Forde-

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch ge- rungen angepaßt sein muß. Als Selektionsmittel werkennzeichnet, daß die elektromechanischen Wand- 30 den neuerdings gern sogenannte elektromechanische ler (5', 6') als elektrostatische Wandler (5,6) aus- Filter verwendet, bei denen unter Verwendung elekgebildet sind. tromechanischer Wandler elektrische Schwingungen

3. Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch zunächst in mechanische Schwingungen umgewandelt gekennzeichnet, daß das elektromechanische FiI- werden, die man am Ausgang des Filters ebenfalls unter aus mehreren, Biegeschwingungen ausführen- 35 ter Verwendung eines elektromechanischen Wandlers den mechanischen Resonatoren (2', 2,2") besteht wieder in elektrische Schwingungen umwandelt.

und daß die Wandlerelemente (5, 6) des Ein- Typische Vertreter von Nachrichtenübertragungsgangswandlers (5', 6') zu beiden Seiten eines strecken, in denen eine Frequenzumsetzung vorgesich hinsichtlich Biegeschwingungen ausbildenden nommen wird, sind die bekannten Trägerfrequenz-Schwingungsknotens am Eingangsresonator (2') 4° systeme, bei denen man bisher die Funktionen des angeordnet sind. Modulators und des Filters für die Mischfrequenz

4. Modulator nach Anspruch 3, dadurch ge- mit getrennten und voneinander unabhängigen Baukennzeichnet, daß einem der Wandlerelemente elementen realisiert hat. Eint Vereinfachung und da-(6a) ein weiteres Wandlerelement (6ft) parallel mit auch eine entsprechende Verbilligung bei der geschaltet ist und daß diese beiden Wandlerele- 45 Herstellung ließe sich dadurch erreichen, wenn das mente (6 a, 6 ft) symmetrisch zu der sich in elektromechanische Filter und der Modulator iu Schwingungsrichtung erstreckenden Mittelebene einer Baueinheit zusammengefaßt würden. In diesem des Eingangsresonators (2') angeordnet sind. Zusammenhang ist durch die USA.-Patentschrift

5. Modulator nach einem der Ansprüche 2 26 95 357 ein als Modulator ausgebildetes elektrobis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres 5° mechanisches Filter bekanntgeworden. Bei diesem Wandlerelement (10) vorgesehen ist, dem eine Filter wird der Eingangsresonator mit Hilfe eines al< einstellbare Gleichspannung (11) zugeführt wird. Eingangswandler wirkenden, aus elektrostriktiverr

6. Modulator nach Anspruch 3, dadurch ge- Material bestehenden Plättchen zu mechanischer kennzeichnet, daß beide Wandlerelementc (5, 6) Längsschwingungen erregt. Der Eingangswandler is auf sich in Schwingungsrichtung gegenüberlie- 55 an zwei Wechselspannungsquellen angeschlossen, di< genden Seiten des Eingangsresonators (2') ange- jeweils Wechselspannungen mit unterschiedliche ordnet sind. Frequenz erzeugen. Für den Mischvorgang selbs

7. Modulator nach einem der Ansprüche 3 werden die nichtlinearen Reaktanzeigenschaften de bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand aus elektrostriktivem Material bestehenden Wandler der Wandlerelemente (S, 6) vom Eingangsresona- 60 ausgenutzt. Nachteilig an dieser bekannten Anord tor (2') einstellbar ist. nung ist, daß am Eingangswandler die beiden zi

überlagernden Spannungen anliegen, weshalb an da

Filter verhältnismäßig hohe Anforderungen gestell

werden müssen, wenn gleichzeitig gewährleistet sei 65 soll, daß die am Ausgang de:s Filters erscheinende

Die Erfindung betrifft ein als Modulator ausgebil- unerwünschten Mischprodukte eine ausreichend

letes elektromechanisches Filter, bestehend aus we- Dämpfung gegenüber dem gewünschten Mischprc

liestens einera mechanischen Resonator, einem elek- dukt haben.