DE1908719B2 - Kristall kammfilter - Google Patents

Description

I 908719 η

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kristall-Kömm- Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung enthält

filter mit mehreren Zweigen, welches ein kammförmi- jeder Abschnitt eine Reihenkombination eines piezo-

ges Frequenzspektrum mit einer Anzahl schmaler elektrischen Kristalls und eines Widerstandes, dessen

Durchlaßbereiche und davon getrennter, breiterer Widerstandswert um ein Mehrfaches größer ist als der

Sperrbereiche aufweist. 5 Reihenwiderstand des Kristalls, um die Durchlaß-

Bei einem Breitbandfilter (USA.-Patentschrift bereichskennlinien des Filters im wesentlichen geebnet

1 955 788) ist es bereits bekannt, mehrere Serien- und konstant zu halten.

Schwingkreise, welche jeweils einen Serienwiderstand Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung

aufweisen, einander und zu einem weiteren Widerstand enthält das Filter ein Paar Eingangs- und ein Paar

parallel zu schalten. Die Serienwiderstände dienen zur io Ausgangsanschlüsse, einen Brückenübertrager mit

Einstellung der Dämpfungscharakteristik im Durch- einer Primärwicklung und einer mittig angezapften

laßbereich des Filters, während der Parallelwiderstand Sekundärwicklung sowie weiterhin zumindest zwei

keine besondere Bedeutung hat und auch fortgelassen FHterzweige. Die Primärwicklung ist hierbei mit dem

werden kann. Paar Eingangsanschlüssen verbunden zur Aufnahme

Es ist ferner nicht mehr neu, daß die unsymmetrische 15 eines Eingangssignals, und die Mittelanzapfung der

Auslegung der Längszweige eines Kreuzgliedes zu Sekundärwicklung ist mit einem der Ausgangs-

einem Filter führt, bei dem die Anzahl der benötigten anschlüsse verbunden, während die Enden der Sekun-

Elemente verringert ist (»Zeitschrift Cables & Trans- därwicklung über je einen Filterzweig mit dem anderen

mission«, Bd. 6, Juli 1952, Nr. 3, S. 193 bis 210). In Ausgangsanschluß verbunden sind. Dies stellt eine

dieser Schrift wird außerdem die Verwendung von ao einfache und kompakte Ausführung des Kammfilters

Quarz als Schwingkreiselement erwähnt. Es ist ferner dar.

bekannt, durch Zuschaltung von ohmschen Wider- Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichständen den Resonanzwiderstand eines als Schwing- nungen beschrieben; es zeigt

kreiselement verwendeten Quarzes auf den gewünsch- F i g. 1 eine Ausführungsform eines symmetrischen

ten — hohen — Wert zu bringen. 25 Kreuzgliedes als Bestandteil eines Filters gemäß der

Es ist ferner bekannt (Zeitschrift Frequenz, Bd. 17, Erfindung,

Dezember 1963, Nr. 12, S. 3449 bis 461), daß der F i g. 2 das Schaltbild eines Irnpedanzzweiges des

Frequenzgang ein<s Wellenfilters vom erwünschten Kreuzgliedes nach Fig. 1,

Frequenzgang deshalb abweicht, weil in den Filter- F i g. 3 eine Ansicht des Impedanzzweiges nach

elementen eine Verlustleistung stattfindet. Besonders 30 Fig. 2, wobei jedoch der piezoelektrische Kristall

unangenehm ist dabei die Abflachung des Übergangs- durch sein aus konzentrierten Schaltungselementen

bereiches zwischen Durchlaßbereich und Sperrbereich, aufgebautes Ersatzschaltbild ersetzt ist,

und der angeführte Artikel befaßt sich mit diesem F i g. 4 ein Polstellen/Nullstellen-Diagramm für

Problem. ein Kreuzglied der in F i g. 1 dargestellten Art,

In gewissen elektronischen Schaltungen, beispiels- 35 F i g. 5 die Impedanzeigenschaften eines Kreuzweise in Fernsprechübertragungssystemen, werden gliedes für ein Filter gemäß der Erfindung,
Bandpaßfilter zum Trennen von Nachrichtenmengen F i g. 6 das Schaltbild eines Filters mit mehreren benötigt, die sich innerhalb vorbestimmter, schmaler Durchlaßbereichen (Kammfilter) in Differential-Frequenzbänder befinden. Um einen hohen Selektiv; ■ Brückenschaltung entsprechend der Erfindung,
tätsgrad zu erhalten, ist es vorteilhaft, piezoelektrische 40 F i g. 7 die Übettragungskennlinie des Kamm-Kristalle in derartige Filter einzubauen. Bei der An- filters nach F i g. 6.

wendung derartiger Filter stand deren hoher Selektivi- Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ist eine

tätsgrad bisher im Vordergrund des Interesses, ohne Spannungsquelle lO. deren Innenwiderstand bei 11

Rücksicht auf die Ebenheit der Durchlaßbereiche und dargestellt ist, an die Eingangsanschlüsse 12 und 13

der Sperrbereiche sowie auf das relative Dämpfungs- 45 eines symmetrischen Kreuzgliedes angeschlossen, in

verhältnis zwischen den Durchlaßbereichen und den welchem die Impedanzzweige Z_a und Z& liegen. Die

Sperrbereichen. Reihenimpedanzzweige Z_n liegen jeweils zwischen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter einem der Eingangsanschlüsse 12 und 13 und dem

der angegebenen Art zu schaffen, dessen Dämpfungs- entsprechenden Ausgangsanschluß 14 bzw. 15. Ande-

verlauf innerhalb der Durchlaßbereiche und der Sperr- 50 rerseits liegen die Diagonalimpedanzzweige Zb jeweils

bereiche eben ist und bei dem das jeweilige Verhältnis zwischen einem der Eingangsanschlüsse 12 und 13 und

der Dämpfung in den Durchlaßbereichen und den dem diagonal gegenüberliegenden der Ausgangs-

Sperrbereichen in gewünschter Weise festlegbar ist. anschlüsse 15 bzw. 14. Ein Belastungswiderstand 16

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeder liegt an den Ausgangsanschlüssen 14 und 15.

Filterzweig eine Anzahl parallelgeschalteter, die Kri- 55 Jeder der Impedanzzweige Z₀ und Z» der F i g. 1

stalle aufweisende Abschnitte aufweist, zu denen ein hat die in F i g. 2 dargestellte Form, d. h., sie weiser

Dämpfungsglied parallel geschaltet ist, daß die Im· jeweils die Reihenkombination eines Widerstandes 2(

pedanzen der die Kristalle aufweisenden Abschnitte der Größe R₃ und eines piezoelektrischen Kristalls 2

bei deren Resonanzfrequenz einander nahezu gteich auf, die zwischen den Anschlüssen A und B geleget

sind und daß die Impedanz des Dämpfungsgliedes ein 60 ist, sowie einen Widerstand 22 der Größe Ra, de

Mehrfaches der Impedanz der Abschnitte beträgt und direkt zwischen den Anschlüssen A und B, als

so gewählt ist, daß die Dämpfung in den Sperrbereichen parallel zu der Reihenkombination des Widerstände

im wesentlichen konstant gehalten wird und das 20 und des Kristalls 21 liegt.

Dämpfungsverhältnis zwischen den Durchlaßbereichen Um den richtigen Entwurf des Kreuzgliedes zu er

und den Sperrbereichen festgelegt wird. 65 leichtern, ist es zweckmäßig, den Kristall 21 de

Das Filter kann ein symmetrisches Kreuzgliedfilter F i g. 2 durch sein Ersatzschaltbild darzusteller

mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Zweigen und F i g. 3 zeigt das Schaltbild des Impedanzzweiges de

zumindest zwei Diagonalzweigen sein. F i g. 2, wobei der Kristall 21 durch sein Ersatz

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schaltbild ersetzt worden ist, das die Rejhenkombination von Kristallinduktivität £», K-ristallkapazität C_x und Kristallwiderstand K* aufweist, die durch die Parallelkapazität C_a„ des Kristalls überbrückt ist,

Beim Entwurf eines Kreuzgiiedfilters der in F i g, 1 dargestellten Art werden die Kristalle für die Impedanzzweige Z„ und Z₆ so gewählt, daß sie die speziellen Bandpaß- und Grenzfrequenz-Anforderungen des speziellen Anwendungsfalles erfüllen. F i g. 4 ist ein Polstellen/NuUstellen-Diagramm, und F i g, 5 zeigt die Impedanzkennlinie eines derartigen Kreuzglied-Bandpaßfilters. Die untere Grenzfrequenz des gewünschten Durchlaßbereichs ist die Reihenresonanzfrequenz J₀ der Reihenimpedanzzweige Za, während die obere Grenzfrequenz die Resonanzfrequenz/;, der Diagonalimpedanzzweige Z₆ ist. Ein zweiter Durchlaßbereich zwischen den Frequenzen/a' und /„' wird als Ergebnis der Paraüelresonanz der einzelnen Kristalle erzeugt. Die Wirksamkeit des Filters bei dem ersten Durchlaßbereich um die Fr-quenan/„ »» und Jb und die wirksame Eliminierung des zweiten Durchlaßbereichs um die Frequenzen/« und /₆' wird durch Abschluß des Filters durch eine geeignete niedrige Lastimpedanz R₁. sichergestellt.

Als Folge des hohen Wellenwiderstandes und der a₅ niedrigen Abschlußimpedanz R_L des Filters unterliegt das höhere Frequenzband Ju-Ja' einer sehr hohen Reflexionsdämpfung, und se.ne Wirkungen werden dadurch wirksam eliminiert, so daß der einzige nutzbare Durchlaßbereich des Filters zwischen den Frebestimmt, Pas heißt, durch EinWgen des Reihen-Widerstandes mit einem vorbestimmten wen λ ,u in spezieller Beziehung zu den Spaltung.PJ^rftg?£^r" des Filters steht, wird sichergestellt. ■daß d eljamp fungskennlinien der einzelnen P^ucl^^aßbS^eJS konstant und vorhersagbar sind. stand Rs ist mit der Bandm
Kristallindukt.vität U dem ^".f der effektiven Übertragungsgute Qe nach Gleichung verknüpft:

2π J_mL

e.nes

Wie vorher dargelegt, J vergleichswe.se groß gemacht durch A

kleinen. Wertes für Q₁. wodurch das F.lteneffek ν von Parameter-Änderungen unabhr. ^.g gemacht:wM me von Herstellungstoleranzen odtr von lemperatur änderungen herrühren. Amvpnrfunesfällen war

Bei bekannten ^BandP^aß^filter;^A™^eÄ es allgemein ausreichend, e.ne Minde^darnprung m den Sperrberejchen zu erzeugen und a«freh*uerhal ten, ohne die Dampfungs«hwankun^n in den Spw bereichen zu betrachten. Das ^Bt. DämpfungspU«n waren beispielsweise f Belassen, solange die landet dämpfung in der, Sperrbereichen aufrechtgehalten

wurde. _M , ·

Ein Hauptmerkmal der Erfindung «

w derstandes Rs und des Verlustes des Filterabschnit- 35 dargestellt wird ergibt einen tes verwenaet. wobei Q_e sich aus dem Kristallfilter be- verlauf in den Sperrbereichen stimmt, b-vor der Reihenwiderstand Rs und bevor d kt

der Parallelwiderstand Ra in die Schaltung eingefügt sind. Um den Entwurf des Filtfs zu optimalisieren, Dämpfung^

verlauf i p

festgelegen und konstanten ^DaP^JS!

zwischen dem Durchlaßbere.ch und den Sperrbere«

chen. .„,.,, timal zu

stand Rs in Reihe mit den einzelnen Kristallen einzu- beträgt. Das D^amPj^u.ⁿe*y£^h£

fügen, wodurch die Effekte von Änderungen des Durchlaßbereichen und den Sperrbere.cher.1J* anderer

e-Wertes von Kristall zu Kristall als Folge von Her- seits hauptsack hch ^hangg von den dl« &ha^

stellungsanterschieden oder als Folge von Tempera- tungserfordermssen des ein« nen A

turänderungen minimalisiert werden. Im Ergebnis ,st ₅c und kann entsprecnend hiermit

es möglich die Dämpfung des Filterabschnittes genau Die Gesamldampfungseigen

vorauszusagen und d.esc auch auf konstanten Wert zu JjUjJ^J^" djj das

der Gleichung

Verlust (Abschnitt) (db) = —

(J

^7 (Ja-Jb)Qe bestimmt w,e dieses für den speziellen Anwendungsfall erforderlich ist. Das Dämpfungsmaß bei der Bandmittenfrequenz J_m umfaßt dreii Komponenten, nämlich das Dämpfungsmaß des Firter-Hauptzweigs 60 plus einer Paralleldämpfung, die durch das Dämp-

frequenz; ö« die eWtive Gütezahl und k, eine Konstante, die sich hauptsächlich auf die Steigung der Phasenverschiebutigskennlinie des Filters bezieht,

Die Dämpfungsker,nlinien der einzelnen Durchlaßbereiche sind hauptsächlich durch den Reihenwiderstand Rs in den einzelnen Impedanzzweigen des Filters

Abschluß.mpedanz des F.lters
Das Paralleldämpfungsmaß hat folgenden Wert

, R + L

= 2 20 log,„ -----

R + L -

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Das Reflexiortsdänipfungeglied hat folgenden Wert

= 20 iog_1o Ai-A-

][4R_pRf

Hierin bedeuten R_p und Λ/ die Impedanzwerte des Dämpfungsgliedes bzw. Filters.

Um das Filter nach der Erfindung einstellbar zu machen, können der Reihenwiderstand Rs und das Dämpfungsglied Ra variabel gemacht werden. Die Einfügung derart variabler Komponenten ermöglicht es, das Filter zur Kompensation von Herstellungsunterschieden zu justieren und dadurch die exakten Filtereigenschaften zu erzeugen, wie diese für den speziellen Einzelfall erforderlich sind.

F i g. 6 zeigt das Schaltbild eines speziellen Filters mit mehreren Durchlaßbereichen in Differentialbrückenschaltung, das entsprechend der F.rfindung aufgebaut ist und die frequenzselektiven Eigenschaften entsprechend F i g. 7 hat. Das f ilter nach F i g. 6 hat sechs sehr schmale Durchlaßbereiche, die auf die angegebenen Frequenzen zentriert sind. F i g. 7 zeigt die Merkmale der F.rfindung. nämlich die weitgehende Ebenheit sowohl der Durchlaßbereiche als auch der Sperrhereiche, zweitens die identischen Dämpfungswerte sowohl der Durchlaßbereiche als auch der Sperrbereiche und drittens das fixierte Dämpfungsverhältnis zwischen den Durchlaßbereichen und den Sperrbereichen.

Das Bandpaßfilter .lach F i g. 6 empfängt sein Eingangssignal von einer Quelle 30 über die Primärwicklung 31-1 und eine mittelangezapfte Sekundärwicklung 31-2 eines Differentialübertragers 31. Ein Bel?stungswiderstand 32 liegt mit der einen Seite am Mittelabgriff der Sekundärwicklung 31-2, während die andere Seite zu den beiden Enden der Sekundärwicklung über Widerstände 33 bzw. 34 zurückgeführt ist. Dem Widerstand 33 sind seinerseits eine Induktivität 35 und sechs einzelne Kristallschaltkreise 36 parallel geschaltet, von denen jeder die Reihenschaltung eines variablen Widerstandes 37. eines piezoelektrischen Kristalls 38 und eines fixierten Widerstandes 39 aufweist. Andererseits sind dem Widerstand 34 eine Induktivität 40 und sechs einzelne Kristallschaltkreise 41 parallel geschaltet, von denen jeder die Reihenschaltung eines fixierten Widerstandes 42 mit einem Kristall 43 aufweist.

Das in F i g. 6 gezeichnete Bandpaßfilter ist als Differential-Brückenschaltungsfilter ausgebildet, welches das Äquivalent eines symmetrischen Kreuzglied-Kammfikers mit sechs zueinander parallel angeordneten Kristallabschnitten und einem Dämpfungsglied in jedem Serien- und Diagonalzweig ist, die in Übereinstimmung mit dem Erfindungsgedanken ausgelegt sind. Die Umwandlung des üblichen symmetrischen Kreuzgliedes in das Differentiai-Brückenschaltungsäquivalent wird in der Filtertechnik üblicherweise vorgenommen (s. beispielsweise »Reference Data for Radio Engineers«, 4. Auflage, 1957, S. 235, herausgegeben durch die International Telephone and Telegraph Corporation). Bei der Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 6 bilden die Widerstände 33 und 34 die Dämpfungsglieder für die einzelnen Kristallahschnitte. um das erforderliche Dämpfungsverhältnis zwischen den Durchlaßbereichen und den Sperr· befeichen zu erzeugen, für jeden der DurchlaÖbereißhe arbeiten zwei Kristallschalteinheiten 36 und 41 zu» sammen, um die erforderliehe Bandbreite für den spezielten Durchlaßbereieh zu erzeugen, Die jeweiligen Kristalle 38 und 43 werden so ausgewählt, daß sie die effofderliehe obere bzw, untere Grenzfrequenz haben, während die jeweiligen Widerstände 37, 39 und 42 zusammen für den benötigten Reihenwiderstand des

ίο speziellen Durchlaßbereiches sorgen Der Reihen-Widerstand 37 ist variabel, um Schaltungsänderungen kompensieren und damit genaue Durchlaßeigenschaften sicherstellen zu können. Die Parallelinduktivitäten und 40 dienen andererseits zur Auslöschung der Parallelkapazitäteffekte der einzelnen Kristalle, und zwar parallel zu der betreffenden Induktivität im interessierenden Frequenzbereich F i g. 7 zeigt die resultierende Filterkennlinie, die durch die geebneten Durchlaßbereiche und Sperrbereiche charakterisiert

so ist, ebenso durch das fixierte und vorbestimmte Dämpfungsverhältnis zwischen den Durchlaßbereithen und den Sperrbereichen.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   as >. Kristall-Kammfilter mit mehreren Zweigen,

   welches ein kammförmiges Frequenzspektrum mit einer Anzahl schmaler DurchlalJbereichi Mnd davon getrennter breiterer Spenbereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder FiI- terzweig eine Anzahl parallelgeschalteter, die Kristalle aufweisende Abschnitte (36, 41) aufvteist. zu denen ein Dämpfungsglied (22. 33. 34) parallelgeschaltet ist, daß die Impedanzen der die Kristalle aufweisenden Abschnitte (36. 41) bei deren Resonanzfrequenz einander nahezu gleich sind und daß die Impedanz des Dämpfungsgliedes (22. 33. 34) ein Mehrfaches der Impedanz der Abschnitte beträgt und so gewählt ist. daß die Dämpfung in den Sperrbereichcn im wesentlichen konstant gehalten wird und das Dämpfungsverhältnis zwischer den Durchlaßbereichen und den Sperrbereicher festgelegt wird.
2. 2. Filter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt (36, 41) eine Reihen kombination eines piezoelektrischen Kristalls (21 38, 43) und eines Widerstandes (20. 37, 39. 42 enthält, dessen Widerstandswert um ein Mehr faches größer ist als der Reihenwiderstand de; Kristalls, um die Durchlaßbereichskennlinien de:

   Filters im wesentlichen geebnet und konstant zi halten.
3. 3. Filter nach Anspruch 1. dadurch gekenn zeichnet, daß das Filter ein Paar Eingangs- und eii Paar Ausgangsanschlüsse, einen Brückenübertrage

   (31) mit einer Primärwicklung (31-1) und eine mittig angezapften Sekundärwicklung (31-2) sowii weiterhin zumindest zwei Fiiterzweige enthält urn daß die Primärwicklung (31-1) mit einem Paa Eingangsanschlüssen verbunden ist zur Aufnahme eines Eingangssignals und die Mictelanzapfung de Sekundärwicklung (31-2) mit einem der Ausgangs anschlüsse verbunden ist.
4. 4. Filter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durcl ein Paar Induktivitäten (35, 40), die einen Ende miteinander und mit der Verbindungssteil« de Dämpfungsglieder verbunden sind und anderei Endes jeweils an ein Ende der Sekundärwicklun. (31-2) angeschlossen sind, und daß die Induktiv]

   täten (35, 40) jeweils einen Wert haben, der zum Unwirksammachen der Parallelkapazität der Kristalle ausreichend ist, um dadurch eine im wesentlichen ebene Dämpfungscharakteristik in den Sperrbereichen des Filters im interessierenden Frequenzbereich sicherzustellen.
5. 5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekenn· zeichnet, daß zumindest einer der Widerstände (3?) der Widerstand'KristalNReihenkombination einen einstellbaren Widerstandswert zur Einstellung der Dämpfung der Durchlaßbereiche des Filters aufweist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   109548/356

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