DE1920687C3 - Elektromechanisches Filter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Filter mit mehreren mechanisch gekoppelten, Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren, dessen Endresonatoren derart mit elektrostriktiven elektromechanischen Wandlerelementen zur Umwandlung der elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen bzw. umgekehrt versehen sind, daß die Schwingungsumwandlung über den transversalen oder den direkten piezoelektrischen Effekt erfolgt.

Elektromechanische Filter haben bekanntlich wegen ihres geringen Raumbedarfs und wegen der hohen Güte der einzelnen Resonatoren eine große praktische Bedeutung erlangt, da sie zumindest in dem für sie geeigneten Frequenzbereich den aus konzentrierten Schaltelementen bestehenden Filtern zum Teil erheblich überlegen sind. Mechanische Filter bestehen bekanntlich aus mehreren mechanischen Resonatoren, die über mechanische Koppelelemente miteinander gekoppelt sind. Am Eingang und am Ausgang eines derartigen Filters sind geeignete elektrostriktiv^ Wandlerelemente vorgesehen, die in der Lage sind, die ankommenden elektrischen Schwingungen einerseits in mechanische Schwingungen umzuwandeln bzw. andererseits die vom Filter ausgeführten mechanischen Schwingungen wieder in elektrische Schwingungen zurückzuverwandeln. Die elektrostriktiven Wandlerelemente verbindet man dabei unmittelbar mit den End resonatoren des Filters, so daß diese Endresonatoren als sogenannte Verbundresonatoren, d. h. also als aus einem metallischen Material und einem elektrostriktiven Material bestehende Resonatoren, anzusehen sind. Insbesondere wenn die sogenannte relative Bandbreite eines derartigen Filters auf Grund der vorgegebenen Anforderungen verhältnismäßig groß werden muß, werden die den elckliostriktiven Wandlcrelcmcnlen zuzuordnenden Kapazitäten mit Hilfe von Spulen zu einem Resonanzkreis ergänzt. Im Zuge des Aufbaus miniaturisierter elektrischer Schaltungen sind konzentrierte Spulen jedoch deshalb unerwünscht, weil für die Spulen ein verhältnismäßig hoher Raumbedarf erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau und eine derartige Bemessung von End-

i.0 resonatoren eines elektromechanischen Filters, die elektrostriktive Wandlerelcmentc enthalten, anzugeben, daß die zur Kompensation der den elcktrostriktiven Wandlerclcmenlcn anhaftenden Kapazitäten üblicherweise verwendeten Spulen nicht erforderlich sind.

Ausgehend von einem elektromechanischen Filter mit mehreren mechanisch gekoppelten, Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren, dessen Endresonatoren derart mit elektrostriktiven elektromechanischen Wandlerclementen zur Umwandlung der elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen bzw. umgekehrt versehen sind, daß die Schwingungsumwandlung über den transversalen oder den direkten piezoelektrischen Effekt erfolgt, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Resonanzfrequenz der einzelnen Resonatoren und der Anteil des den elektromechanischen Kopplungsfaktor bestimmenden, an den Endresonatoren vorgesehenen elektrostriktiven Materials derart gewählt sind, daß das Quadrat des elektromechanischen Kopplungsfaktors zwei- bis dreimal größer ist als die für das Filter geforderte relative Bandbreite.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der elektromechanische Kopplungsfaktor k etwa den Wert k =0,5 hai und wenn die Resonanzfrequenz der einzelnen Resonatoren etwa bei 40 kHz liegt.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Es zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 den Aufbau eines mechanischen Filters,
Fig. 2 das zum Filter nach Fig. 1 gehörende elektrische Ersatzschaltbild,

F i g. 3 die Schwingungsanregung über den transversalen piezoelektrischen Effekt.

Das in F i g. 1 dargestellte mechanische Filter besteht aus mehreren mechanischen Resonatoren 3 und den Endresonatoren 4. Die einzelnen Resonatoren sind über ein Längsschwingungen ausführendes Koppelelement 5 miteinander gekoppelt. In den Endresonatoren sind aus elektrostriktivem Material bestehende Wandlerelemente 6 angeordnet, die derart ausgebildet sind, daß die Schwingungsanregung über den direkten piezoelektrischen Effekt erfolgt. In der Art der Endresonatoren 4 ausgebildete elektromechanische Wandler sind an sich beispielsweise durch die deutsche Patentschrift 1203 321 bereits bekanntgeworden, und es läuft ihre Wirkung darauf hinaus, zu beiden Seiten der neutralen Faser eines

6a Biegeresonators aus elektrostriktivem Material bestehende Plättchen oder Klötzchen anzuordnen, die jeweils gegensinnig polarisiert sind, wie dies durch die eingezeichneten Pfeile 8 kenntlich gemacht ist. Mit Hilfe der elektrosiriktiven Wandlersysteme erzeugt eine an den metallischen Teilen der Resonatoren 4 über die Klemmen ί, 2 zugciührte elektrische Wechselspannung eine Biegeschwingung, wodurch alle Filterresonatoren auf Grund der Verkopplung

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Il

über das Koppelelement S Biegescinvingungcn ent- bis dreimal größer ist als die für das Filter geforderte

sprechend der gestrichelt eingezeichneten elastischen relative Bandbreite.

Linie 9 ausführen. Im zweiten Endresonalor 4' wer- Insbesondere ist eine solche Frequiinzlagc der

den diese Biegeschwingungen drrch die elekirostrik- einzelnen Resonatoren vorteilhaft, bei der der

iivcn Wandlerelcmcntc wieder in elektrische Schwin- 5 Kopplungsfaktor k der Wandler unter der Bedingung

gungen zurückvcrwandelt und können an den Aus- tw ]/2,5·Β, mit B als relativer Bandbreite des FiI-

gangsklemmen Γ und 2' als elektrische Wechsel- tcrs, realisiert ist. Unter dieser Bedingung kann das

spannung abgenommen werden. Filter eingangs- und ausgangsseitig ohne Spulen mit

Zur Halterung des gesamten Systems sind in den geebnetem Durchlaßbereich nach der an sich bckannhinsichllich Biegeschwingungen auftretenden Schwin- io ten Betriebsparametertheorie dimensioniert werden, gungsknoten 10 Halleelemente vorgesehen, die bei- Im elektrischen Ersatzschaltbild der Fig. 2 ist die spielsv/eise in einer entsprechenden Haltevorrichtung dynamische Kapazität der elektrostriktiven Wandlerverankert sind und die zur besseren Übersicht nicht elemente mit C₁, und die statische Kapazität mit C₁, im einzelnen dargestellt sind. bezeichnet. Der erforderliche Kopplungsfaktor der

Bei einem derartigen Filter lassen sich Dämp- 15 Wandler ergibt sich aus den Daten der Ersatzschalfungspolc dadurch erzeugen, daß einander nicht un- tung mit k ^ ycjC,,. Mit einem Kopplungsfaktor mittelbar benachbarte Resonatoren durch wenigstens von Λ —0,5 ergibt sich mit B^k²Jl₁S eine relative ein zusätzliches Koppelelement 11 überbrückt sind, Bandbreite von B- )/,//„ = 0,1 und daraus für eine das entweder an gleichphasig oder gegenphasig absolute Bandbreite von 1/, = 4 kHz eine Miltenfreschwingenden Abschnitten clereinzelnen Resonatoren 3 ao quenz des Filters von /„ = 40 kHz. Bei einem solchen angreifen kann. Filter aus Biegeresonatoren mit Zug-Druck-Kopplung

Eine Schwingungsanregung über den transversalen können störende Nebenwellen durch die Möglichpiezoelektrischen Effekt ist in Fig. 3 dargestellt. keilen der Verkleinerung des Aufbaus weitgehend Dabei wird in an sich bekannter Weise auf die vermieden werden und nicht zuletzt deshalb, weil die Oberfläche des Endresonators 4 ein aus elektrostrik- as zweite Eigenschwingung von Biegeresonatoren um tivem Material bestehendes Plättchen 6' aufgebracht. den Faktor 2,7 höher liegt als die erste, also nicht Das Plättchen 6' ist auf der dem Resonator 4 abgc- nur um den Faktor 2 wie bei Längs- und Torsionswandtcn Seite mit einer Metallisierung versehen, mit resonatoren.

der der zur Anschlußklemme 2 führende Anschluß- Die Keramikkapazität C_/;ändertsich an sich beiTcm-

draht verbunden ist. Ein weiterer Anschlußdraht 30 peraturänderungen verhältnismäßig stark, z. B. mit

führt von der Anschlußklemme 1 unmittelbar zum aC_kjC_k-- i_k = ± 0,005/± 15" C. Des erforderlichen

metallischen Resonator 4, und es entsteht beim An- großen Kopplungsfaktors wegen tritt weiterhin eine

legen einer elektrischen Wechselspannung an die verhältnismäßig starke Frequenzänderung/1 ///^::i-',·,·/·/<.

Anschlußklemmen I und 2 ebenfalls eine der elasti- der Verbundresonatoren 4 und 4' bei Temperatur-

schen Linie 9 entsprechende Biegeschwingung. Diese 35 änderungen z. B. entsprechend

Biegeschwingungen werden dann über das Koppel- . ,..,_ _q qq- 1+15⁰C

element 5 auf die weiteren Filterresonatoren über- ''"''·' '

tragen, die im einzelnen nicht mehr dargestellt sind, ein. Diese Temperatureinflüsse auf das Durchlali-

da ihre Ausbildung ebenso wie beim Ausführungs- verhalten sind beispielsweise an einem ausgeführ-

beispiel der Fig. 1 gewählt ist. 40 ten Filter rrut acht Resonatoren, einer Bandbreite

Im elektrischen Ersatzschaltbild der Fig. 2 sind Af₁ ^-3,6 kHz einer Mittenfrequenz von/„ = 50 kHz die einzelnen elektrischen Elemente mit den gleichen und mit einem Tschebyscheff-Verhalten des Re-Bezugsziffern wie im Ausführungsbeispiel der Fig. I flexionsfaktors von « 5% untersucht worden. Dabei versehen. Es sind wiederum die gestrichelt ein- wurden die Güte der Keramikkapazität Q_k = 100, die gerahmten Endresonjtoren 4 und 4' zu erkennen, die 45 Güte der Verbundschwinger Q_v-300 und die Güte Resonatoren sind als in den Längszweigen einer Ab- der Stahlresonatoren Q₁ -8000, berücksichtigt. Trotz zweigschaltung liegende Serienresonanzkreise 3 dar- der vorerwäh.iten temperaturbedingten Änderungen gestellt, und die das Koppelelement 5 ersetzenden ergibt sich als größte Veränderung. Ia₀ der Durchlaßelektrischen Elemente sind als in den Querzweigen dämpfung bei Temperaturen von 25 ±15° C ledigder Vierpolschaltung liegende Kondensatoren an- 50 lieh ein Wert von Aa₀ ^? 2 mNp, was in der Praxis als enommen. zulässige Änderung angesehen werden Linn.

Bekanntlich wird bei einem Filter, auch bei einem Wie sich zeigt, ist die Größe der maximalen Abmechanischen Filter, die Bandbreite durch den Wert weichung der Grunddämpfung Aa_nnwy praktisch under Kopplung bestimmt. I'nter der relativen Band- abhängig von der Frequenzlage, der Bandbreite und breite wird dann der Quotient aus der absoluten 55 der Kreiszahl des Filters. Eine höhere Frequenzlage, Bandbreite und der Resonanzfrequenz der einzelnen bei der man mit einem kleineren Kopplungsfaktor Resonatoren verstanden. Auf die Verwendung von auskommt, bringt demnach keine Vorteile. Sie ist Spulen zur Kompensation der den elektrostriktiven dagecen nachteilig hinsichtlich einer größeren erlor-Wandlcrelemcnlcn anhaftenden Kapazitäten kann derlichen Abstimmgenauigkeit und eines größeren dann verzichtet werden, wenn die Resonanzfrequenz 60 Einflusses der Verluste auf das Durchlaßverhalten, der einzelnen Resonatoren und der Anteil des den \a_Qmux kann weiterhin klein gehalten werden durch elektromechanischen Kopplungsfaktor bestimmenden. Wahl eines kleinen Reflexionsfaktors /» und/oder daan den Endresonatoren vorgesehenen elektrostriktiven durch, daß die Verbundresonatoren so bemessen Materials derart gewählt sind, daß das Quadrat des werden, daß i_k ^- 4 i_veri,Jk² möglichst kleine Werte fl'ktromechanischen Kopplungsfaktors etwa zwei- 65 annimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1, Elektromechanischen Filter mil mehreren mechanisch gekoppelten, Bicgcscliwingungcn ausführenden mechanischen Resonatoren, dessen Endresonatoren derart mit elcktrostriktiven elektromechanischen Wandlcrclcmuntcn zur Umwandlung der elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen bzw, umgekehrt versehen sind, daß die Schwingungsumwandlung über den transversalen oder den direkten piezoelektrischen Effekt erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz der einzelnen Resonatoren (3,4, 4') und der Anteil des den elektromechanischen Kopplungsfaktor (/<) bestimmenden, an den Endresonatoren (4, 4') vorgesehenen elektrosiriktiven Materials (6, 6') derart gewählt sind, daß das Quadrat des elektromechanischen Kopplungsfaktors zwei- bis dreimal größer ist als die für das Filter geforderte relative Bandbreite.
2. 2. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor Λ etwa den Wert k = 0,5 hat und daß die Resonanzfrequenz der einzelnen Resonatoren (3 4, 4') etwa bei 4OkHz liegt.