DE1920078A1 - Elektromechanische Filteranordnung - Google Patents

Description

Western Electric Gompany Reynolds.1 -

New York

Elektrome chani sehe

Die Erfindung bezieht sich, auf eine ©lekt rom© chani sehe leiteranordnung für ein ausgewähltes J^oguensband mit ausgewählter Last kennlinie, mit einem piesoelektrigoheis Kristallkörper mit gegenüberliegenden MLHohen und einem Schnitt für einen Betrieb in Dickenscherschwingußgen bei Anregung in einem Frequenzbereich, sowie mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Elektrodlenpaar auf dem Kristallkörper, wobei das dritte Elektrodenpaar von den beiden anderen so im Abstand angeordnet ist» daß es mechanisch mit einem anderen Älektrodenpaar gekoppelt ist, und wobei die Elektroden der gekoppelten Paare ausreichende Massen besitzen, sowie ausreichend weit von dem anderen Elektrodenpaar, mit welchem sie gekoppelt sind, angeordnet sind derart, daß bei Betrachtung nur der beiden gekoppelten Elektrodenpaare eine Real-Wellenwiderstand-Prequenζ-Kennlinie vorhanden ist, die einen kontinuierlichen Teil, der innerhalb eines begrenzten Impedanzbereiches von null aus auf einen Maximalwert zunimmt und dann wieder auf null abnimmt, besitzt.

Energieübertragungsvorrichtungen mit selektivdämpfungsarmer Energieübertragung zwischen jeweiligen Energiewegen sind durch die Verwendung resonantea? Kristallplättchen

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erhalten worden, wobei man die gegenüberliegenden Flächen . eines Kristallplättcnens mit den Massen einer Reihe im Abstand voneinander liegender Elektrodenpaare belastet, welche mit dem Plättchen Resonatoren bilden und die Dickenscherschwingungen zwischen den Elektroden jedes Paares konzentrieren, und wobei Jüan die -Resonatoren aui* dem einstückigen Plättchen so im Abstand voneinander anordnet_? daß vorbestimmte Teile der Schwingungen des einen Resonators den anderen beeinflussen.

Ein monolithisches Wellenfilter wird erhalten durch Aufdampfen zweier Elektrodenpaare auf gegenüberliegende Flächen eines piezoelektrischen' Qiaarzplättchens und durch Verbinden eines der Paare mit einer Quelle und des anderen mit einer Hast. Hierbei bilden die Elektrodenpaare auf dem Plättchen jeweils Resonatoren. Die Elektroden haben ausreichende Masse und die Paare sind weit genug voneinander im Abstand angeordnet, so daß die Kopplung zwischen den Resonatoren klein genug ist, um die tJbertragungskennlinie auf ein vor-

ausgewähltes .Band zu begrenzen und um die Real-Wellenwiderstand-Kennlinie auf einen Impedanzbereich zu begrenzen, der kleiner als ein vorbestimmtes Maximum in einem Frequenzband ist, sowie auf einen anderen Impedanzbereich, der größer ist als ein vorbestimmtes Minimum In einem zweiten Frequenzbereich ist.

■Von den Seitenbändern solcher filter wurde gefunden, daß sie

in ihrer Steilheit steuerbar sind durch einen"größeren Ab-H-/ -9:09844/ 1322

stand der Resonatoren und durch. Meaersehlagen zusätzlicher, Resonatoren bildender Elektrodenpaare hierzwischen. Vfährend diese mittleren Elektrodenpaare wünschenswerte Effekte lieferten, wurde gefunden, daß die Kapazität, die durch die Elektroden der mittleren Paare gebildet ist, das An sprechv erhalt en des Filters beeinträchtigte. WJährend dieses nicht notwendigerweise unerwünscht war, wurde auch gefunden, daß zusätzliche Streukapazitäten der Leiter und metallischer Umgebungsteile gleichfalls die Kennlinien beeinträchtigten, und zwar durch Beeinträchtigung der Kapazität, die durch die mittleren Elektrodenpaare erzeugt wird. Im Ergebnis war es schwierig, solche HIter auf zuverlässige Übertragungskennlinien abzustimmen.

Das vorstehende Problem wird erfinuungsgemäß für die elektiomechanische Filteranordnung der einleitend beschriebenen Art dadurch gelöst, daß das dritte Elektrodenpaar eine Elektrode auf jeder Fläche des Kristalls besitzt und daß die Elektroden kurzgeschlossen sind. Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben} es zeigen! Figur 1 eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgernäß aus-gebildetes Filter,

Figur 2 eine Schnittansicht der Anordnung nach Figur 1 Figur 3 ein Diagramm zur Darstellung der Übertragungskennlinie, deren Ordnung nach Figuren 1 und 2, Figur 4 eine schematische Ansicht eines Filters wie nach Figuren 1 und 2, jedoch mit nur 2 Elektrodenpaaren,

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Figur 5 das Gitter -Equivalenzschaltbild für das Filter nach Figur 4,

Figur 6 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des .Blindwiderstands, d.h. der Heaktanz, von der Frequenz für die Komponentenresonanzschaltung in Figur 5, wenn die Elektroden in Figur 4 praktisch keine Massen besitzen und in einem Abstand derart angeordnet sind, daß eine starke Kopplung nierζwischen voriianden

Figur Ί ein Diagramm zur Darstellung des reellen Wellenwiderstandes, d.h. des Wellenwirkwiderstandes, oder der reellen Kennlinienimpedanz der Söhaltung nach Figur 4 für die Bedingungen der Figur 6,

Figur 8 ein Diagramm zur Darstellung der Übertragungskennlinie für die Schaltungen nach Figuren 4 und 5 unter den Bedingungen der Figuren 6 und 7, bei Abschluß mit einem fixierten Widerstand,

Figur 9 ein Diagramm zur Darstellung der Änderung der Komponenten Reaktanz in der Schaltung nach Figur 5, wenn die Elektroden der Figur 4 mit Massen versehen werden und so im Abstand voneinander angeordnet sind, daß eine schwache Kopplung vorhanden ist, Figur 10 ein Diagramm slur Darstellung der Änderungen des Realteils der charakteristischen Impedanz, d.h. der Änderungen des Wellenwirkwiderstands der Schaltungen nach Figuren 4 und 5 in den beiden Passbandbereichen unter den Bedingungen der Figur 9,

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Figur 11 ein Diagramm zur Darstellung der Übertragungskennlinie der Schaltungen nach. Figuren 4 und 5 für die Bedingungen der Figuren 9 und 10, und zwar bei Abscnluß mit einem fixierten Widerstand, der für das untere Band der richtige ist,

Figur 12 eine schematisclie Darstellung zur Erläuterung eines Prüfverfahrens zur Messung der Kopplung zwischen den •"■esonatoren, die durch die Elektrod'enpaare der Figuren 1 und 2 gebildet sind und

Figuren 13, 14 und 15 Diagramme zur Darstellung der Parameter-Beziehungen zur Bestimmung der Abmessungen der FiI-teranordnung nacti Figuren 1 und 2.

Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform des Filters sind 8 Elektrodenpaare 12, I4f 16, 18$ 20, 22} 24, 26; 28, 30* 32, 34f 36, 38f 40, 42 in Ausrichtung mit der kri st allograph! sehen 7}- Achse auf einem rechteckigen AI-Sehnitt-Quarzkristall-Plättchen 44 aufgedampft oder aufplattiert. Die Dicken der Elektroden und des Plattchens sind in Figur 2 der Klarheit halber vergrößert dargestellt. Die Elektroden eines jeden Paares stehen einander gegenüber. Eine Quelle S liefert eine Hochfrequenzspannung an die Eingangselektroden 12 und H und ereeugt auf piezoelektrischem Wege Dickenseherschwingungen im Kristallplättchen 44. Die Schwingungen regen im Kristallplättehen

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zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenpaareri 12 bis 42 Sfchwingungen an und erzeugen an den Elektroden 40 und 42 wiederum elektrische Energie. Jedes Elektrodenpaar bildet zusammen mit dem Plättchen einen Resonator, der an benachbarte Resonatoren angekoppelt ist. Ein Lastwiderstand Rq empfängt die an den Atisgangselektroden 40 und 42 auftretende elektrische Energie. Pie mittleren Elektrodenpaare 16 bis 38 sind sämtlich mite&Aander kurzgeschlossen und geerdet» .

Die Massen der Elektroden 12 bie 42 sind ausreichend groß, um die Shwingungsenergie im Plättchen auf das Volumen des Plattchens zwischen den Elektroden jedes Paares zu konzentrieren und die Energie mit zunehmender Entfernung von dem betrachteten Paar exponentiell zu dämpfen. Dieses begrenzt die Wirkung der Plattchenbegrenzungen auf die Schwingungen innerhalb des Plättchens. Gleichzeitig ist der Abstand zwischen den Elektrodenpaaren, zusammen mit dem Grad der Massenbelastung so, daß die Paare miteinander gekoppelt sind, üb mit einem bestimmten Passband innerhalb der Bandbreitengrenzen (figur 3) konform zu gehen.

Darüberhinaus sind die Massen und ist der Abstand so gewählt, daß zwei beliebige benachbarte Hektrodenpaare sicm in definierter Kopplungsbeziehung befindet. Dieses bedeutet, daß bei Vernachlässigung der Wirkungen aller übrigen Elek-

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troden, die reelle Y/ellenimpedanz, d.U. der ftilenwirkviiderstand oder der Realteil der cnarakteristisehen Impedanz, die irgend zwei benachbarte Paare zeigen, wenn die Frequenz zunimmt, zwei reelle Impedanzbänder oder Wirkwiderstandsbänder in jeweils getrennten Frequenzbereichen erzeugt, wobei im ersten derselben der Wellenwirkwiderstand ein mittleres, endliches Maximum zwischen äußeren Frequenzgrenzen des Widerstandes null aufweist,und wobei im zweiten derselben die Impedanz ein mittleres Minimum zwisenen äußeren Frequenzgrenzen eines unendlichen reellen Widerstandes aufweist. Dieser Effekt wird bewerkstelligt durch genügend massives Ausbilden irgend zweier Paare benachbarter Elektroden und durch Vorsehen eines hinreichend großen Abstandes hierzwisenen derart, daß die ansonsten ungestörte Kopplung hierzwischen so ist, daß eine Frequenzbandbreite von einer null-Impedanz-Resonanz zu einer anderen null-Impedanz-Resonanz (Kopplungsbandbreite) vorhanden ist, die kleiner ist als der kleinste Frequenzbereich zwischen -der Resonanz und Antiresonanz eines der beiden gekoppelten Paare. Bei der Ausführungsform nach Figur 1 ist der Effekt betont, so daß zwei beliebige benachbarte Elektrodenpaare schwächer gekoppelt sind als ein Drittel der maximal definitiven Kopplung. Das heißt, sie sind ausreichend massiv und sind ausreichend voneinander entfernt, daß die ansonsten ungestörte; Kopplung hierzwischen so ist, daß die Kopplungsbandbreite (d.h., die null-Impedanz-Resonanz-bis-

Resonanzfrequenz-Bandbreite) kleiner ist als ein Drittel 9098U/1322

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des kleinsten Resonanz-Antiresonanz-.Bereichs eines der gekoppelten Resonatoren.

Sie Wirkungen im Falle von nur zwei solcher Elektrodenpaare können anhand eines solchen Iwei-Resonator-Filters, einer Quelle S und eines iastwiderständeβ R₀ (Figur 4) sowie anhand des elektrischen Ersatzschaltbildes in Gitterform der Figur 5 betrachtet «erden. Bas Ersatzschaltbild der Figur 5 zeigt elektrisch die Kopplungewirkung zweier Resonatoren auf Filter, die nur ewei gekoppelte Resonatoren hftb en. Hler steuern die Kondensatoren Q^. und O^ die Resonanefrequeneen von Z, und Zg und Ändern sich alt der Kopplung. Für den nichjFgekoppelten Fall let Cf* gleich C_1B· Je it Mr Ice r die Kopplung 1st, desto grufer lit O^ und desto kleiner 1st 0_1B- Xn Figur 5 1st die charakteristische Zfipedine de» Filters oder der Wellenwiderstand

^Zoc ^Zbo* *^ob#i· ³⁵OC ^⁰¹* ²SC ^d;le leptdaneen sinö, wenn die lAit offen bew. kurEgeechlossen ist. FUr dl· Gitterstruktur der Figur 5 ist Z^ »J ZjJL% U* der Krlitallfcörpor 44 einen hohen friert besitct, bestehen die Werte von Z^ und Z_B praktisch aussohlieillch mus ihren fteaktAnsea I^ und Daher let der Wellenwider*tand Z₁

Bei Krifftftllanordnungen, die nicht durch die Elektroden alt Hasse belastet sind, regen durch die Quelle β »rseugte Schwingungen weite Gebiet· d·· Krlntallkttrpere ftn.

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Die Kopplung ist dann viel stärker als mit Massen belasteten Elektroden. Bei sehr starker Kopplung ändern sich dann die Reaktanzen X^ und Xg mit der Frequenz so, wie dieses
in Figur 6 dargestellt ist.

Da X. und Xg Imaginärzahlen sind, d.h. daß sie gleich
jX¹^ und jXg sind, ist ihr Produkt negativ, nenn sie
gleiches Vorzeichen führen, aber positiv, wenn sie unterschiedliches Vorzeichen führen. Nur die Quadratwurzel
aus einer positiven Zahl ist reell. Daher hat das HIter
nur in den Frequenzbereichen, in welchen X» und Xg auf
gegenüberliegenden Seiten der Abszisse erscheinen, Wellen-Widerstände Z., die positiv und reell sind. Dieser reelle
positive Wellenwiderstand ist der Wellenwirkwiderstand Rj. Wie durch die Kurven des Eealteils von Z. in Figur 7 dargestellt ist, existieren zwei reelle positive Wellenwiderstände oder Wirkwiderstände R. für die starke Kopplung
nach Figur 6. Sie erstrecken sich jeweils über den unteren Resonanz-Antireeonanz-Eereich, f. bis f^ und über den oberen Resonanz-Antiresonanz-Bereich f-g bie f^ der !Resonatoren, die durch die einzelnen Impedanzen Z. und Z-gäargesteilt sind. Da die Einftigunfsääapfung ein Minimum ist, wenn der Abschlußwiderstand Rq an den reellen WLlenwirkwiderstand R₁ angepaßt ist, ist die Einfügungsdämpfung für eine solche Vorrichtung sehr hoch in Wellenblindwidtrstandsbtreicht'f^

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. - ίο -

bis f-Q. Sie ist nur niedrig in der Nähe der beiden Frequenzen, wo Eq den Wert H^ über kreuzt. Mr niedrige lastwiderstände erzeugen die Kurven der Figur 6 die Einfügungsdämpfung oder die Übertragungskennlinie, wie diese in Figur 8 dargestellt ist.

Erhalten die Elektroden ausreichende Massen, so wird die Bickenscherschwingungsenergie im Plättchen 44 zwischen die Elektroden der jeweiligen Paare konzentriert, so daß der Kristallkörper 44 mit sich exponentiell vermindernder Amplitude außerhalb des Volumens zwischen den Elektroden schwingt. Die Kopplung zwischen den Resonatoren nimmt daher ab. Ss wird verhindert, daß nennenswerte Energie die Begrenzungen des Körpers erreicht. Eine solche Massenbelastung der Elektroden erzeugt zwei Resonatoren, wenn zwei Elektrodenpaare benutzt werden. Werden die Resonatoren im wirksamen Feld des jeweils anderen angeordnet, so arbeiten si· ähnlich wie ein zweifach abgestimmter !Transformator.

Eine Erhöhung des Abstandes zwischen den Elektrodenpaaren und eine Erhöhung der Elektrodenmassen reduziert die Kopplung zwischen den Resonatoren. Wenn dieses auftritt, nähexn sich die Resonanzfrequenzen f. und f-o einander. Ist die Kopplung niedrig genug, so daß f-g kleiner ist als f^ so erhalten die einzelnen Blindwiderstandskurven X. und

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die aus Figur 9 ersichtliche Form. Dort überlappen sich die Eesonanz-Antiresonanz-Bereiche. Daher ist f-g - f^ kleiner als f^, - f.« Der resultierende Wellenwirkwiderstand Z., d.h. E₁ erscheint in der reellen Ebene der Figur 10. Hie aus Figur 10 ersichtlich, besitzt der Widerstand IL zwei positiv· reelle Bereiche. Der eine Bereich er« streckt sich zwischen den Eesonanzirequenzen und hat ein zwischen den Werten null liegendes Maximum« Ein zweiter Bereich liegt zwischen f^ und f^. Dort beginnt E^ im . Unendlichen,und wird wieder unendlich» wenn die Frequenz zunimmt. Einer der beiden Frequenzbereiche kann zurückgewiesen werden durch Abschließen der Elektrode innerhalb des Widerstandsbereichs eines Widerstandes R._t aber entfernt vom anderen. Da in Figur 10 Eg dem Wellenwirkwiderstand innerhalb des unteren Bereichs dichtangepaöt ist, läßt das System die Frequenzen zwischen f* und fg bei geringer Dämpfung durch. Die Kurve, die die Einfügangadämpfung fflir ein Filter unter diesen Bedingungen undJt>ei einer Belastung mit einem Widerstand Eq zeigt, ist in Figur 1Ϊ dargestellt.

Die Bedingungen der Figuren 9, 10 und 11 können stellt werden durch Zuführen einer iteuerepanflung est-fe einer Quellenimpedanz bu einen Eltktrodtnpaar und duroh Kuresohließen des anderen In eint» monoIithisohen Filter aiit zwei Elektrodenpaaren. Die iingangssparmung bum gesteuertta Paar wird dann notiert.

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Die Frequenzen, bei welchen die notierte Eingangsspannung am niedrigsten 1st, werden dann gemessen. Dieses stellt dann die Frequenzen f .und f_ß dar. Wenn f_B f., d.h.» die Kopplungsbandbreite oder die Bandbreite von einer null-Impedanz-Resonanz zur anderen_r kleiner ist als fL. - f», der Antiresonanz-Resonanz-FaBg.uenzberelch eines jeden der beiden gekoppelten Resonatoren, dann existieren die Bedingungen der Figuren 9»10 und 11. Dieses ist die Bedingung, die hler als die definitive Kopplungsbedingung bezeichnet ist, Die Resonatoren oder Elektrodenpaare sind daher "definitiv}! gekoppelt. Ψβηη f_B - f. gleich oder größer f * - f^ wird, gelten die Bedingungen der Figuren 6, 7 und 8. Der Kopplunge·* koeffizient k zwischen diesen Paaren ist dann gleich

Für praktische Zwecke liegt, um den maximalen Impedanzwert zwischen f_ß und f^ viel kleiner als den minimal«! Impedanzwert zwischen f^ '-♦ f^ zu machen, der Wert f_B -■ f_A allgemein unterhalb sowohl (f^ - *_B)/5' als aach (fg^ - ^fj^)/3- Dieses stellt eine adequate Abweisung eines Bandes und einen adequate^ Durchlass des anderen bei geeigneten Abschlußwerten des Widerstandes R_Q sicher.

In Figuren 1 und 2 sind benachbarte Elektrodenpaare, wenn für sich allein betrachtet, gleichfalls im obendÄfinierten

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"definitiven" Kopplungszustand. Das heißt, sie gehorchen der in den Figuren 9» 10 und 11 dargestellten Regel. Diese Bedingungen können für jegliche zwei benachbarte Paare sichergestellt werden durch Zuführen einer frequenzvariablen IDreibspannung zu einem der benachbarten Paare, durch Kurzschließen des anderen benachbarten Paares und durch Offenlassen der verbleibenden Paare, Bin Beispiel einer brauchbaren Anordnung zum Prüfen der Kopplung zwischen zwei benachbarten Paaren ist in figur 12 dargestellt. Hier ist eine frequenzvariable Prüfquelle 60 an die Elektroden 20 und 22 angeschlossen, und die Elektroden 24 und 26 sind kurzgeschlossen. Die übrigen Elektrodenpaare sind offen. Die den Elektroden 20 uflö 22 zugeführte Spannung wird durch ein Voltmeter 62 gemessen. Die zugeführte Frequenz der Quelle 60 wird bei den beiden niedrigsten vom Voltmeter 62 angegebenen Spannungen gemessen, wenn der Frequenzausgang der Quelle 60 geändert wird* Diese beiden gemessenen Frequenzen sind die Frequenzen f^ und f_B. In Figur 1 ist f_B - f_A kleiner als fg^ - f^ _oder ^faB "" ^fB* kalter ^{s;Ljad aie be}i^den Paare im definitivem Kopplungszustand.

Die übrigen Elektroden sind nicht in der Ijage, diese Mes sungen nennenswert zu beeinflussen, da die Kapazität Oq der Metallelektroden die Frequenzen dieser Paare weit ge nug vom Frequenzspektrum f-g - f. wegschiebt-« um nenaens-Interverenz zu. vermeiden.

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■ - H -

Falls erforderlich, kann eine zusätzliche Induktivität parallel zu den verbleibenden Elektroden 12 bis und 28 bis 42 geschaltet werden, um deren Frequenzen noch weiter vom Bereich fg - f * wegzuschieben.

Ein Beispiel geeigneter Abmessungen für die Anordung nach Figuren 1 und 2 iat das folgende. Diese Abmessungen sind lediglich im erläuternden, nicht aber im begrenzenden Sinne zu verstehen. Bei diesem Beisel besteht der Kristallkörper aus einem 3,480 cm langen, 0,118 cm breiten waä annähernd 0,01982/ cm dicken AT-Schnitt-Quaarakristall-Körper. Die Abmessungen der Elektrodenpaare 12 bis 42 sind 0,2464 cm längs des Kristallkörpers, d.h. längs der Z'-Achse und 0,288 cm senkrecht zur Z¹-Achse. Die Stektrodenabstände d| bis d,- zwischen benachbarten Kanten, gemessen in Längsrichtung, sind in Zentimeter cäß folgenden §

d_t =0,0945 * d₂ - 0,1059 d,. * 0,10823 d₄ = 0,108? O₅ S= 0,10823 .d₆ » 0,1059

äry * 0,0945

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Diese Abstandsabmessungen haben Toleranzen von + 0,000254 cm. Die Elektrodenmassen sind so gewählt, daß "Plateback" - Werte von 3,0 # erreicht werden. Der Ausdruck "Plateback¹· stellt ein Maß für die Massen der Elektroden oder deren Wirkungen dar. Im einzelnen ist das Plateback der fcruchteilige Abfall (f - f_r)/f in der Resonanzfrequenz f eines mit einem einzigen Elektrodenpaar kontaktierten Kristallkörpers gegenüber der Dickenscherschwingungsgrundfrequenz f des unkontaktierten Kristallkörpers infolge der zunehmenden Elektrodenmassen. Dieses trägt dem Umstand Rechnung, daß bei zunehmenden Elektrodenmassen die Resonanzfrequenz des einzelnen Resonators, gemessen bei verstimmten anderen Resonatoren, erniedrigt wird.

Die resultierenden jeweils normierten Kopplungskoeffizienten k zwischen aufdnanderfolgenden Paaren von links nach rechts in ilguren 1 and 2 sind 0,7277f 0,5451 $ 0,5156Of 0,5i01f O,5i6Of 0,5451 und 0,7277« Die Anordung nach ELgur 1 und 2 läßt eine Mittenbandfrequenz von 8,14"B3) Megahertz durch und hat eine Passbandbreite von etwa 3,2 Kilohertz. Die Resonatorinduktivität ist 44,2 mHy und der Gütefaktor Q des Resonators ist etwa 160,000, um eine gute Passbandform zu erhalten. Die Quelle S. hat einen Widerstand von 7 36 0hm, und die Ausgangsspannung der Elektroden und 42 wird der Oiimsehen last Rq von 736 Ohm zugeführt.

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Infolge der abgestimmten Elektroden werden, während sie zur Mitte des gewünschten Bandes kurzgeschlossen sind, praktisch nur diejenigen Frequenzen, welche der nied-• rigen Impedanz zugeordnet sind, durch die aufeinanderfolgenden Elektrodenpaare durchgelassen. Aufeinanderfolgende Resonatoren, die je durch ein kurzgeschlossenes Elektrodenpaar gebildet sind, arbeiten ähnlicn, bis das letzte Elektrodenpaar die Spannungen zur Last Rq gibt.

Bei dem Prozess zur Bestimmung der Kopplung zwischen benachbarten Paaren ( Figur 12} sind es die Kapazitäten Oq der offenen Paare, die diese ausreichend verstimmen, um die Messung von f^ und f-g nicht zu stören. Wenn aus irgendeinem Grunde die Verstimmung infolge des offenen Zustandes nicht hinreichend ist, wird eine Induktivität parallel zu denjenigen Elektroden geschaltet, deren Kopplung nicht gemessen wird, um sie zu verstimmen oder Gq an-öresonant zu machen.

Ein Betrieb liefert die Quelle S eine Wechselspannung an die Elektroden 12 und 1-4« Diese Elektroden erzeugen auf piezoelektrischem Wege akkustisehe Energie im Kristallplättchen zwischen den Elektroden. Wegen ihrer Massenbelastung, die das Plateback erzeugt, fangen diese Elektroden das meiste der Schwingungsenergie innerhalb des Kristallkörpers 44 in das Volumen zwischen den Elektroden

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ein und ziehen diese Schwingungseneriie von den Kanten des Körpers 44 ab. Jedoch breiten sich die Schwingungen zwischen dem ersten Elektrodenpaar aufeinanderfolgend in den akkustischen Bereich der nachfolgenden Elektrodenpaare aus und regen innerhalb den Bereichen zwischen diesen Elektroden Schwingungen der gleichen Frequenz an. Die Schwingungen am letzten Elektrodenpaar erzeugen auf piezoelektrischem Wege eine elektrische Ausgangsspannung, die an der last erscheint.

Der Ausdruck "Dickenschersehwingungen¹¹ oder "Di cken scherschwing ungsform" wird in dem Sinne benutzt, wie dieser in McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology, veröffentlicht von Me-Graw-KLll Book Company of New York, 1966, Band 10, Seiten 220, 221 und 222 beschrieben ist, und umfaßt die Schwingungen, unter welchen die gegenüberliegenden Flächen längs ihrer Ebenen in zueinander entgegengesetzten Richtungen schwingen.und schließt die Schwingungen ein, bei welchen die Seile der gleichen Fläche sowohl in Phase als auch außer Phase oder gegenphasig schwingen. Die letztere Form der DickenscherBchwingungen wird manchmal als die Dickenverdrehungsschwingungsform bezeichnet. Sie tritt auf, wenn auf einem AT-Schnitt Quarzkristall die Elektroden in der Z'-Eiehtung ausgerichtet sind. JJer In-Phase-Zustand tritt auf, wenn auf diesem Kristall die Elektroden in der X-Eichtung aasge-

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richtet sind. Dickenscherechwingungen und Dickenscnerschwingungsform beziehen sich aus?h auf Schwingungen, die auftreten, wenn die Elektroden auf dem beispielhaften AI-Schnitt-Kristall in Bichtungen zwischen den X- und Z'-Sichtungen ausgerichtet sind.

Ein Beispiel von Kurven, die für Anordnungen,beispielsweise der in !Figur 4 dargestellten Art, welche in der Grund-Dickenscherschwingungsform arbeitet, entwickelt worden und für den Entwurf der Kristallanordnung brauchbar sind, sind in den Figuren 13» 14 und 15 dargestellt.

Die Kr ist allanOrdnung nach Figuren 1 und 2 wird dadurch hergestellt, daß man zuerst die gesamte Bandbreite Bw auswählt und auf der Basis der gewöhalicnen Schaltungstheorie die Kopplungskoeffizienten (f-g - f^A/f^ig zwischen jedem Elektrodenpaar berechnet. Elektrodengrössen und ein geeigneter Plateback-Wert (von 0,3 bis 3 $) wird aus Kurven, z.B. der in Figuren 13, 14 und 15 dargestellten Art, ausgewählt. Bedeutet t die Plättchendicke und r die Breite der Elektroden sovwird r/tim allgemefaen gleich 12 "gemacht, obgleich in der Praxis jeder Wert zwischen 20 und 6 brauchbar ist. Ein Y/ert von 15 t wird hüfig als die Länge der Elektroden senkrecht zur Kopplungsachse benutzt, um gute Unterdrückung anderer Scnwin= gungsformen au haben. Die Dickenschexsc/i^ingungsgrundfrequens f wird so bestimmt, daß sie dem gewänlten Plate-

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back Pj. entspricht, und zwar dadurch., daß man die gewün schte iiittenbandfrequenz ^_1n = £_χ macht. Folglich gilt

PB	f	f	^r	f	—	fm
f					i
	L -
	PB

Die Herstellung beginnt mit dem Abschneiden eines Plättchens 16 von einem Quarzkristall der gewünschten kristallographischen Orientierung, z.B. ein AI-Schnitt. Das Plättchen wird dann auf eine Dicke t geschliffen und geätzt, die der gewünschten Grundfrequenz f der Scherschwingung, entweder der parallelen oder der "Verdrehungs scher schwingung, entspricht. Allgemein ist de Dicke umgekehrt proportional zur gewünschten Frequenz. Masken mit entsprechenden Ausschnitten, die auf jeder Fläche des Kristallplättciiens angeordnet werden, dienen zum Niederschlagen der Elektroden. Die Geometrie der Elektroden wird durch die Erwägungen über de gewünschte Bandbreite und das zweckmäßige Plateback bestimmt.

Der richtige Abstand d zwischen den Elektroden kann anhand von Kurven, beispielsweise der in Figur 13, 14 und 15 dargestellten Art, bestimmt werden, die die Abhängigkeit der Kopplung für verschiedene Verhältnisse von Elektrodenabstand zu Plattchendicke und für verschiedene Plateoack - V/erte,. ebenso für verschiedene Y/erte von r/t bei

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einer Mittenfrequenz zeigen.

Um die gewünschten Plateback-Werte zu erhalten,wird Gold oder Nickel beispielsweise durch schichtweises Aufdampfen durch die Maske hindurch niedergeschlagen, um auch die Anschlüsse zu ermöglichen und nahezu das insgesamt gewünschte Plateback zu erreichen. Energie wird jedem Elektrodenpaar gesondert zugeführt und Masse wird den Elektroden so lange zugefügt, bis eine FrequenzverSchiebung entsprechend dem gewünschten gesamten Platebaek auftritt* Dieses tfrd so lange gemacht, bis das Paar bei der Frequenz f in Resonanz kommt. Während dieser Niederschlagsprozedur werden die anderen Elektrodenpaare verstimmt, indem sie offen bleiben. Es kann jedoch notwendig sein, den Einfluss der anderen Paare dadurch zu vermeiden, daß man diese induktiv abschließt. Die mittleren Elektroden werden dann kurzgeschlossen. Die Kopplung und das Ansprechverhalten jedes Paares gekoppelter Resonatoren werden dann gemessen und die gewünschten Bandbreiten sollten. Einstellungeö können durch leichte Änderungim Platebaek eines jeden Elektrodenpaare gemacht werden.

Man erhält also ein zuverlässiges Energieübertragungssystem und -filter, das auf nur einem Kristall in kleinen Größe» hergestellt werden kann. "

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Claims (5)

Patentansprüche

1.) Elektromechanische leiteranordnung (Figur 1 und 2) für ein ausgewähltes Frequenzband mit ausgewählter Lastkennlinie, mit einem piezoelektrischen Kristallkörper (44) mit gegenüberliegenden Flächen und einem Schnitt für einen Betrieb in Dickenscherschwingungen bei Anregung in einem Frequenzbereich, sowie mit einer Mehrzahl Elektrodenpaare ( 12 bis 42) mit einem ersten (12, 14) einem zweiten (16 bis 38) und einem dritten (40, 42) Elektrodenpaar auf dem Kristallkörper, wobei das dritte Elektrodenpaar von den beiden anderen so im Abstand angeordnet ist, daß es mechanisch mit den anderen Elektrodenpaaren gekoppelt ist, und wobei die Elektroden der gekoppelten Paare ausreichende Hassen besitzen sowie ausreichend weit von dem Elektrodenpaar, mit welchem sie gekoppelt sind, angeordnet sind, derart, daß bei Betrachtung nur der beiden gekoppelten Ebktrodenpaare eine Heal-Wellenwiderstand-Frequenz-Kennlinie vorhanden ist, die einen kontinuierlichen Seil, der innerhalb eines begrenzten Impedanzbereiches von null aus auf einen Maximalwert zunimmt und dann wieder auf null abnimmt, besitzt,

dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Elektrodenpaar eine Elektrode auf jeder Fläche des Kristalls besitzt,und daß die Elektroden kurzgeschlossen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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das dritte Elektrodenpaar zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet ist

3. Anordnung nach Ansprach 1, dadurch, gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenpaar eine Mehrzahl je kurzgeschlossener Elektrodenpaare angeordnet sind

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,,, daß eine Mehrzahl kurzgeschlossener Elektrodenpaare mit auf gegenüberliegenden Seiten des Kristallkörpers befindlichen Elektroden jedes Paares zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenpaar in Abstand voneinander angeordnet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare je ausreichende Massen besitzen und ausreichend weit voneinander entfernt sind derart, daß die Kopplung nur zwischen einem Blektrodenpaar und einem weiteren, anddas dieses angekoppelt ist, derart ist, daß eine null~Impedanz-Eesonanz-bis-null-Impedanz-Eesonanz-Prequenzbandbreite vorhanden ist, die kleiner ist als der Antiresonanz-Eesonanz-Srequenzbereich eines jeden der gekoppelten Elektrodenpaare.

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