DE2001433C3 - Bandpaßfilter - Google Patents
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
423 54,6 67,ί 83,3
0,138 0,178 0,220 0,?72
0,138 0,178 0,220 0,?72
111 kHz
0362
0362
Die Erfindung geht aus von einem Bandpaßfilter, bei welchem zwei zu Längsschwingungen erregte keramische
Resonatoren in Form von dünnen Plättchen mit rechteckförmigen Hauptflächen und vier Elektroden
unter Zwischenfügung einer als Querzweig dienenden Spule in Kette geschaltet sind und bei welchem dem
Eingangsklemmenpaar des ersten Resonators und dem Ausgangsklemmenpaar des zweiten Resonators eine
Spule parallel liegt und bei welchem am zweiten keramischen Resonator eine zusätzliche Phasenverschiebung
von 180° zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung durch die Verbindung von zwei Elektroden
mit dem Bezugspoter.tial der Gesamtanordnung herbeigeführt ist, die unterschiedlichen Hauptflächen angehören,
und bei welchem ferner durch die Bemessung der Induktivitätswerte der als Querzweige vorgesehenen
Spulen im Hinblick auf die an den Elektrodenpaaren der beiden Resonatoren in Erscheinung tretenden Kapazitätswerte
die Spulen Bestandteile von Parallelschwingkreisen bilden, die auf die Mittenfrequenz des
Filter-Durchlaßbereiches abgestimmt sind.
Selche Bandpaßfilter sind hinsichtlich ihrer Konfigu=
ration und ihrer Berechnungsweise beispielsweise durch die DE-PS 7 42 179 bekannt.
Des weiteren enthält die DE-PS 9 28 969 die Lehre, die Konfiguration von Bandpaßfiltern der eingangs
umrissenen Art in der Weise zu modifizieren, daß die beim zweiten Resonator zu bewirkende zusätzliche
Phasenverschiebung von I8OC durch die gegensinnige
Orientierung der Ar-Achsen der beiden piezoelektrischen
Resonatoren aus Quarzkristall zustande kommt
Durch die Vortragssammlung »1961 IRE International Convention Record« (VoI, 9) Part 6, Seiten 189 bis
203 und durch die Zeitschrift »Archiv der elektrischen Übertragung« (A.E,Ü.) Band 17, Heft 11, Seiten 519 bis
524 (November 1963) gehören bereits Bandpaßfilter dem Stande der Technik an, bei welchen zwei oder mehr
keramische Resonatoren mit drei oder vier Elektroden unter Zwischenfügung von Kondensatoren in Kette
geschaltet sind. Diese Kondensatoren dienen entweder als kapazitive Längszweige oder als kapazitive Quer-
• zweige.
Die Resonatoren mit drei oder vier Elektroden, die bei den vorangehend behandelten Bandpaßfiltern zur
Anwendung gelangen, weisen eine starke Neben welligkeit auf, die zu Dämpfungseinbrüchen erheblichen
Ausmaßes in den Filter-Sperrbereichen oberhalb und · unterhalb des vorgeschriebenen Durchlaßbereiches
führen. Um diesen Dämpfungseinbrüchen zu begegnen, sind bisher für den Zusammenbau der einzelnen Filter
Resonatoren mit voneinander abweichendem Nebenwellenspektrum bereitgehalten worden, so daß durch
diese Maßnahme innerhalb eines Filters die Nebendurchlaßbereiche der einzelnen Schwinger gegeneinander
versetzt liegen, vgl. diesbezüglich in der bereits benannten Zeitschrift »Archiv der elektrischen Übertragung«
Band 17, Heft Π die Seite 522. Die Bereitstellung von Resonatoren mit unterschiedlichem Nebenwellenspektrum
erschwert die Massenfertigung von Filtern der eingangs umrissanen Gattung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Baridpaßfiltern der eingangs umrissenen Gattung den
störenden Einfluß der Nebenwellenspektren der keramischen Resonatoren auf den Dämpfungsverlauf in den
Filter-Sperrbereichen herabzusetzen, ohne daß es der Bereitstellung von Resonatoren mit unterschiedlichen
Nebenwellenspektren, jedoch gleicher Übertragungscharakteristik für ein und dasselbe Filter bedarf.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemiß dadurch gelöst, daß bei der Bemessung des Filters für die im einzelnen
angegebenen Bandmittenfrequenzen im Bereich von 423 bis 111 kHz keramische Vierelektrodenschwinger
mit den angeführten Breiten/Längenverhältnis ihrer Hauptflächen Anwendung finden:
42,3 54,6 67,4 83,3 111 kHz 0,138 0,178 0,220 0,272 0,362
Durch die Anwendung der Lehre nach der Erfindung so wird erreicht, daß die Nebenresonanzen der Vierelektrodenschwinger
bei Frequenzen auftreten, die außerhalb des Frequenzbandes von anderen Übertragungskanälcn
liegen.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In letzteren zeigt
Fig. 1 das als bekannt vorauszusetzende Schaltbild
des Bandpaßfilters nach der Erfindung,
Fig. 2 die schaubildliche Darstellung des einen der
beiden Resonatoren mit vier Elektroden, der im Bandpaßfilter nach der Erfindung verwendet wird,
Fig. 3 das bekannte vollständige Ersatzschaltbild eines erdsymmetrisch betriebenen Resonators mit vier
Elektroden,
F i g. 4 das bekannte vereinfachte Ersatzschaltbild des durch Fig. 2 wiedergegebenen Resonators mit vier
Elektroden und kapazitiver Überkopplung.
F i g. 5 die schaubildliche Darstellung des anderen der beiden Resonatoren mit vier Elektroden, der im
Bandpsßfilter nach der Erfindung Anwendung findet,
F i g. 6 das bekannte vereinfachte Ersatzschaltbild des
durch Fig,5 veranschaulichten Resonators mit vier Elektroden und kapazitiver Oberkopplung,
F i g. 7 das bekannte vereinfachte Ersatzschaltbild des in F i g. 1 dargestellten Bandpaßfilters,
Fi g. 8 die graphische Darstellung der Übertragungscharakteristik
des Bandpaßfilters nach der Erfindung im Vergleich zur Übertragungscharakteristik eines anderen
Bandpaßfilters,
F i g. 9 die graphische Darstellung der Übertragungscharakteristik
eines Ausführungsbeispieles des Bandpaßfilters nach der Erfindung mit einer Bandmittenfrequenz
von 423 kHz.
Die F i g. 1 zeigt das Schaltbild des erfindungsgemäßen piezoelektrischen keramischen Bandpaßfilters 1,
das einen ersten piezoelektrischen keramischen Resonator 2, einen zweiten piezoelektrischen keramischen
Resonator 3, eine erste als Querzweig vorgesehene Spule 4, eine zweite als Querzweig vorgesehene Spule 5
und eine dritte als Querzweig vorgesehene Spule 6 aufweist. Das Bandpaßfiker ist mit den Eingangsklemmen
7 und 8 versehen, von denen die Klemme -3 geerdet ist. Ferner sind die Ausgangsklemmen 9 und 10 vorgesehen,
von denen die Klemme 10 geerdet ist. Wie aus der F i g. 1 zu ersehen ist, ist an die Eingangsklemmen 7 und
8 eine Signalquelle 11 und an die Ausgangsklemmen 9 und 10 eine Belastung 12 angeschlossen. In der Praxis
kann die Signalquelle 11 aus einem Verstärker des Empfängers einer Mehrkanal-Fernmeldeeinrichtung
und die Belastung 12 aus einem zweiten Verstärker des Empfängers bestehen und das Bandpaßfilter dient als
eines der Kanalfilter.
Die beiden Resonatoren 2 und 3 weisen die gleiche Größe und Form auf, werden einzeln als elektromechanische
Filter benutzt und führen bei einer vorgeschriebenen Frequenz Resonanzschwingungen aus. Die drei
als Querzweige vorgesehenen Spulen 4,5 und 6 können aus den herkömmlichen abstimmbaren Spulen bestehen.
Die genannte vorgeschriebene Frequenz entspricht einer der Fuquenzen der Trägerwellen, die in einer
Mehrkanal-Fernmeldeeinrichtung benutzt werden, und liegt im Frequenzbereich zwischen 42 und 111 kHz.
Die F i g. 2 zeigt den ersten piezoelektrischen keramischen Resonator 2, der aus einer rechteckigen,
dünnen piezoelektrischen keramischen Platte 13 besteht. An den beiden gegenüberliegenden Hauptflächen
der keramischen Platte 13 sind parallel zur Platten-Längsachse zwei Eingangselektroden 14, 15 und zwei
Ausgangselektroden 16, 17 angebracht. Die beiden Elektrodenpaare 14, Ib und 16, 17 verlaufen im
wesentlichen symmetrisch zur Längsmittelachse X-X' der keramischen Platte 13 und sind mit den Anschlußklemmen
18, 19 und 20, 21 versehen. Zwischen die Klemmen 18, 19 und die Eingangsklemmen 7, 8 des
Bandpaßfilters 1 ist die erste als Querzweig vorgesehene Spule 4 geschaltet.
Zwischen die Klt.nmen 20, 21 des Resonators 2 ist die
zweite als Querzweig vorgesehene Spule 5 geschaltet, welcher der zweite piezoelektrische Resonator 3
nachfolgt. Die keramische Platte 13 ist in Richtung ihrer Dicke vorpolarisiert.
Die eine Elektrode, z. B. 14. der beiden Eingangselektroden
14 und 15 des Resonators 2 wirkt als spannungführende Eingangselektrode für ein elektrisches
Eingangssignal, während die andere Elektrode 15 als geerdete Elektrode dient. Von den beiden anderen
Elektroden 16, 17 des Resonators 2 wirkt die Elektrode 16 als spannungführende Ausgangselektrode und die
Elektrode 17 als weitere geerdete Elektrode, Wird an die beiden Eingangselektroden 14, 15 des Resonators 2
eine elektrische Eingangsspannung angelegt, so leitet
die Elektrode 16 der beiden Ausgangselektroden 16, ^7
ein vom Resonator 2 hervorgerufenes elektrisches Signal ab. Dieses Signal weist im Fall der Übereinstimmung
seiner Frequenz mit der Resonanzfrequenz des Längsschwingungen ausführenden Resonators 2 die
ι ο vergleichsweise größte Amplitude auf.
In dem durch F i g. 3 wiedergegebenen vollständigen Ersatzschaltbild eines Resonators mit vier Elektroden
im Fall des erdsymmetrischen Betriebes finden hinsichtlich der Bezeichnung der Klemmen die gleichen
is Bezugszeichen wie in Fig.2 Anwendung. Charakteristisch
für das Ersatzschaltbild sind zwei als Längszweige in Erscheinung tretende Serienresonanzkreise mit den
Induktivitäten L\I2 und den Kapazitäten 2G, die durch einen idealen Übertrager Tmiteinander verbunden sind.
;o Ferner treten im Ersatzschaltbild die Querzweigkapazitäten
Gh und Ca sowie die Überkopnlungskapazitäten
Ca, Ca, Go und Cn auf.
Der Übertrager T weist ein Impedunztransformationsverhältnis
von 1 : -1 auf. Die eine Eingangsklemme des Übertragers T steht über den Serienresonanzkreis
mit der Induktivität U/2 und der Kapazität 2C\ mit der Eiiigangsklemme 18 in Verbindung, während die
andere Eingangsklemme des Übertragers T mit der Klemme 19 in Verbindung steht, die bei dem durch
jo F i g. 2 gezeigten Resonator geerdet ist. Der Serienresonanzkreis
aus der Induktivität L\I2 und der Kapazität 2Ct bildet die mechanischen Eigenschaften des Resonators
2 nach. L\I2 ist als die der Masse der einen Hälfte des
Resonators 2 äquivalente Induktivität aufzufassen, während 2Ct die der Elastizität dieser Hälfte des
Resonators 2 äquivalente Kapazität wiedergibt Die zwischen den Klemmen 18,19 auftretende Kapazität Gm
ist die Eingangskapazität des Resonators 2.
Ebenso steht die eine Ausgangskiemine des Übertragers T über den zweiten Serienresonanzkreis aus der
Induktivität Ζ,,/2 und der Kapazität 2G mit der Au^sangsklemme 20 in Verbindung, während die andere
Ausgangsklemme des Übertragers Tmitder Klemme 21
verbunden ist, die bei dem durch Fig. 2 gezeigten Resonator geerdet ist. Der zweite Serienresonanzkreis
aus der Induktivität L\I2 und der Kapazität 2C, bildet
die mechanischen Eigenschaften der anderen Hälfte des Resonators 2 nach. Die Bedeutung von L\/2 und 2C1 ist
die gleiche, wie oben ausgeführt. Die an den Klemmen
so 20 und 21 auftretende Kapazität G» ist die Ausgangskapazität
des Resonators 2. Die Kapazität Cn zwischen den Klemmen 18 und 20 stellt die Überkopplungskapazität
zwischen den Elektroden 14 und 16 dar. Die Kapazität Cs2 zwischen den Klemmen 18 und 21 stellt
die Überkopplungskapazität zwischen den Elektroden 14 und 17 dar. Die Kapazität Co zwischen den Klemmen
19 und 20 ist die Überkopplungskapazität zwischen den Elektroden 15 und 16. Die Kapazität C* zwischen den
Klemmen 19 und 21 stellt die Überkopplungskapazität zwischen den Elek '.roden 15 und 17 dar.
Bei erdunsymmetrischem Betrieb des Resonators 2 fällt Cn weg, da die Klemmen 19 und 21 geerdet sind. Bei
der Erdung dieser Klemmen addieren sich die Kapazitäten Cs2 und Co zu den Kapazitäten Gh bzw. G».
b5 Der Einfachheit halber kann dor ideale Übertrager Tim
Ersatzschaltbild nach der Fig. 3 weggelassen werden.
Die Schaltung nach der Fig. 3 kann hierdurch in das
Ersatzschaltbild nach F i g. 4 umgewandelt werden.
Die in der Fig.4 dargestellte Schaltung weist die
Querzweigkapazitäten Cn und Cn, einen Serienresonanzkreis
aus der Induktivität L\ und der Kapazität G sowie einen Überkopplungskondensator C, auf. Der
Serienresonanzkreis ist zwischen die Klemmen 18 und 20 angeschlossen und stellt die mechanischen Eigenschaften
des gesamten Resonators 2 dar. L\ ist die der gesamten Masse des Resonators 2 äquivalente Induktivität,
während C1 als die der gesamten Elastizität des Resonators 2 äquivalente Kapazität aufzufassen ist.
Der zwischen die Klemmen 18 und 19 eingefügte Kondensator Cn stellt die wirksame Eingangskapazität
des Resonators 2 dar und ist wie folgt definiert:
G , = Gi +2Csi + G2
Der an die Klemmen 20 und 21 angeschlossene Kondensator Q? stellt die wirksame Ausganeskapazität
des Resonators 2 dar und ist wie folgt definiert:
G2+ 2CS, + C,
Die zum Serienresonanzkreis aus der Induktivität L\
und der Kapazität G parallelgeschaltete Kapazität G stellt die wirksame Überkopplungskapazität des Resonators
2 dar und ist wie folgt definiert:
G- -C1,
Nunmehr werden die Übertragungseigenschaften der Ersatzschaltung nach Fig. 4 beschrieben. Nach der
elektrischen Netzwerktheorie sind die Übertragungseigenschaften dieser Ersatzschaltung durch die nachfolgenden
vier charakteristische Frequenzen überschaubar und zwar
F, =
F, =
F; =
1
2,-
(4)
2.7 -//.,G
C1 | (G.+ C22) | |
G, | G2 | -G(G,+G2) |
(5) | ||
"c, | (6) | |
C, | (C11 +C22) |
2[C1, G..-G(G,+G2)]
(7)
Dabei ist mit Fr die untere Grenzfrequenz des
Durchlaßbereiches und mit Fa die obere Grenzfrequenz
des Durchlaßbereiches bezeichnet Fx gibt die Frequenz
des Dämpfungspoles und Fm die Bandmittenfrequenz
des Durchlaßbereiches an.
Die F i g. 5 zeigt den als Ganzes mit 3 bezeichneten zweiten piezoelektrischen keramischen Resonator und
die elektrischen Verbindungen der Elektroden des Resonators 3.
Der zweite Resonator 3 weist die gleiche Form und die gleichen Abmessungen auf wie der erste Resonator
2 und besteht aus einer keramischen Platte 22. aus zwei Elektrodenpaaren 23, 24 und 25, 26 sowie aus zwei
Klemmenpaaren 27, 28 und 29, 30, die mit den Elektroden 23, 24, 25 und 26 verbunden sind. In diesem
Falle sind jedoch andere elektrische Verbindungen vorgesehen als bei dem ersten Resonator 2.
Die Elektrode 23 dient als spannungführende Eingangselektrode und die Elektrode 24 als geerdete Elektrode,
während von den anderen beiden Elektroden die Elektrode 26 als spannungführende Ausgangselektrode
und die Elektrode 25 als geerdete Elektrode vorgesehen ist. Die spannungführenden Elektroden 23
und 26 sowie die geerdeten Elektroden 24 und 25 der Elektrodenpaare 23, 24 und 25, 26 gehören somit
unterschiedlichen Hauptflächen an.
Die Klemmen 27 und 28 des Resonators 3 sind mit den Klemmen 20 und 21 des Resonators 2 sowie mit den
Klemmen der als Querzweig zwischen diesen Resonatoren eingefügten Spule 5 verbunden. Die Klemmen 29
und 30 des Resonators 3 sind mit den Ausgangsklemmen 9 und 10 des Bandpaßfitiers verbunden. Die Ausgangsklemmen
9 und 10 sind ferner mit der dritten, als Querzweig dienenden Spule 6 beschaltet.
Ό Der zweite Resonator 3 ist in der gleichen Weise in
die Schaltung eingefügt wie der erste Resonator 2 mit der Ausnahme, daß aufgrund der beim Resonator 3
angewandten Verteilung der spannungführenden und geerdeten Elektroden auf dessen Hauptflächen ersatz-
schaltbildmäßig beim Resonator 3 das Übersetzungsverhältnis des Übertragers T 1 : 1 ist. Das vereinfachte
Ersatzschaltbild des Resonators 3 ist in F i g. 6 dargestellt.
Die Schaltelemente der Schaltung nach der F i g. 6
jo sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, die in der
Fig. 4 verwendet wurden mit df Ausnahme, daß die
Bezugszeichen apostrophiert wurden.
Die Querzweigkapazität Cu' und C22' und die
Überkopplungskapazität C, ergeben sich wie folgt:
G', = G1+G,
G = Ci
(8)
(9)
(10)
Die charakteristischen Frequenzen des Resonators 3 können durch die nachstehenden Gleichungen definiert
werden:
2-
(11)
C,
(Cu
+
FL =
Fl =
1+—.
G1 ,C22+ G(G',+ J2
(12)
(12)
(13)
C1 (C,', +Cj2)
2[C'!iC2'2-C'sCi,+C2'2)]
2[C'!iC2'2-C'sCi,+C2'2)]
(14)
Die Überkopplungskapazitäten Csi... C54' der beiden
Resonatoren sind viel kleiner als die Querzweigkapazitäten Cu-.. Cz2. Alle Überkopplungskapazitäten sind
im wesentlichen gleich C5, während die Querzweigkapazitäten
Co, und Qa im wesentlichen gleich C0 sind.
Dabei ermöglicht die Einführung der Größe Q, eine
abgekürzte Schreibweise der nachfolgenden Gleichungen (I7)bis(2l)
Cn =
_ 2 [C, ι C22 -C1(C1, +C22)]
C11
,_ 2[C1 -C2V-C(C,
Ci+C2
Ci+C2
C0= Cn.
(15)
(16) (17)
Der Vergleich der Übertragungseigensrhaften der Resonatoren 2 und 3 anhand der Gleichungen (4) bis (7)
und (I I) bis (14) führt zu dem durch die Gleichungen (18) bis (22) dargestellten Ergebnis:
Fa = Fn = —
Fn = F1,: - ■== 1 + ^-
FL =
(18) (19) (20) (21) (22)
Bekanntlich ist bei dem durch Fig. I gezeigten Bandpaßfilter die Einfügung von passend bemessenen
Spulen als Querzweige dafür ausschlaggebend, daß sich mit einer solchen Siebschaltung merklich höhere Bandbreiten
des Durchlaßbereiches erzielen lassen als bei einer spulenlosen Ausführung.
In dem durch Fig. 7 wiedergegebenen Ersatzschaltbild
sind für die entsprechenden Schaltelemente die gleichen Bezugszeichen verwende» worden wie in der
ίο Fig. 1. Gemäß Fig. 7 kann das Ersatzschaltbild des
Bandpaßfilters nach Fig. 1 dargestellt werden durch zwei Filterabschnitte 31 und 32, die durch Teilung des
Bandpaßfilters 1 längs der Mittellinie M-M' erhalten werden können. Der erste Filterabschnitt 31 ν eist die
is Ersatzschaltung des piezoelektrischen keramischen
Resonators 2 sowie die erste als Querzweig vorgesehene Spule 4 und ferner die Induktivität 33 auf, die parallel
an die Ausgangsklemmen 20 und 21 des ersten Resonators 2 angeschlossen ist. Der zweite Filterab-
:n schnitt 32 besteht aus der Ersatzschaltung des zweiten
keramischen Resonators 3, der dritten als Querzweig vorgesehenen Spule 6 und aus der Induktivität 34, die
parallel an die Eingangsklemmen 27 und 28 der Ersatzschaltung des zweiten Resonators 3 angeschlossen
ist. In diesem Falle ist der Wert jeder der beiden Induktivitäten 3.3 und 34 ungefähr gleich dem doppelten
Induktivitätswert der zweiten, als Querzweig vorgesehenen Spule 5.
Es ist bekannt, daß über die optimalen Obertragungseigenschaften eines solchen Bandpaßfilters die charakteristischen Frequenzen der ersten Filterabschnittes 31 und des zweiten Filterabschnittes 32 Aufschluß geben. Es gilt für den ersten Filterabschnitt 31:
Es ist bekannt, daß über die optimalen Obertragungseigenschaften eines solchen Bandpaßfilters die charakteristischen Frequenzen der ersten Filterabschnittes 31 und des zweiten Filterabschnittes 32 Aufschluß geben. Es gilt für den ersten Filterabschnitt 31:
Es stimmen somit bei entsprechender Bemessung der Resonatoren 2 und 3 die oberen und unteren fm ~
Grenzfrequenzen sowie die Mittenfrequenzen der Durchlaßbereiche dieser Resonatoren überein. Die
Kettenschaltung derart bemessener Resonatoren ohne Verwendung von Spulen als Querzweige ergibt ein 40 /, =
Bandpaßfilter mit einem Durchlaßbereich von geringer InVL^ C
Bandbreite und mit je: einem Dämpfungspol im oberen und unteren Sperrbereich. Für die relative Bandbreite
(26)
AL
Fr
eines solchen Bandpaßfilters gilt
eines solchen Bandpaßfilters gilt
AL = F°~F' = £l
Fr F, C0
(23)
45
C1, | +C | -C3- /(C1 | -C)2+ 2 | CC1 |
C,-2 | C | (27) | ||
Cu | + C | -C+Z(C | -C^+2 | cc. |
C,-2 C
J l/i - £
/LTc K cs
(28)
(29)
(29)
und demgemäß ergibt sich für die Bandbreite A F AF= Fr ■ ^- (24)
Zusätzlich haben die Induktivität Lot der ersten als
Querzweig vorgesehenen Spule 4 und der Induktivitätswert Lei der Induktivität 33 der nachstehenden
Beziehung zu genügen:
AF =
C0
(25)
(30)
60
In dem durch Fig.8 dargestellten Diagramm ist
durch die gestrichelte Linie die Übertragungscharakteristik eines Bandpaßfilters wiedergegeben, bei welchem
zwei Resonatoren der durch F i g. 2 und 5 veranschaulichten An und mit der durch die Gleichungen (18) bis
(22) beschriebenen Bemessung ohne Verwendung von Spulen als Querzweige in Kette geschaltet sind.
63 Dabei ist im einzelnen fm die Mittenfrequenz des
Durchlaßbandes des Filterabschnittes 31, während mit fi die untere Grenzfrequenz und mit fa die obere
Grenzfrequenz des Filterabschnittes 31 bezeichnet ist /■» ist die Frequenz des Dämpfungspoies. Der Induktivitätswert
L'tn der Induktivität 33 ist ungefähr gleich 2Z02-
Lm ist der Induktivitätswert der zweiten, als Querzweig
vorgesehenen Spule 5.
Entsprechend den oben dargelegten Voraussetzungen in bezug auf die Kapazitätswerte des Resonators 2
können die Gleichungen (27) und (28) vereinfacht werden, und die Bandbreite Of des Filterabschnittes 31
kann nach der nachstehenden Gleichung berechnet werden
(31)
! 1 TrT
folglich ist
Af = Af
r- W)
(33)
2 —- mal
C1
C1
so breit wie das der beiden Resonatoren in dem Fall, daß diese ohne Heranziehung von Spulen
direkt miteinander in Kette geschaltet sind,
die beiden Dämpfungspolfrequenzen des Filters liegen symmetrisch in bezug auf die Bandmittenfrequenz des Filters und sind beim Entwurf des Filters in gewissen Grenzen frei wählbar,
der Induktivitätswert Un der zweiten als Querzweig vorgesehenen Spule 5 ergibt sich als Induktivitätswert der beiden parallelgeschalteten Induktivitäten Lo2' und Un" und es gilt:
die beiden Dämpfungspolfrequenzen des Filters liegen symmetrisch in bezug auf die Bandmittenfrequenz des Filters und sind beim Entwurf des Filters in gewissen Grenzen frei wählbar,
der Induktivitätswert Un der zweiten als Querzweig vorgesehenen Spule 5 ergibt sich als Induktivitätswert der beiden parallelgeschalteten Induktivitäten Lo2' und Un" und es gilt:
(e) jede der drei als Querzweige vorgesehenen Spulen
hat einen Induktivitätswert, der die betreffenden Kapazitäten zwischen den Elektrodenpaaren zu
abgestimmten Parallelschwingkreisen ergänzt,
In ähnlicher Weise können bekanntlich die für die Erzielung optimaler Übertragungseigenschaften wissenswerten
charakteristischen Frequenzen des zweiten Filterabschnittes 32 ermittelt werden und es ergibt sich
dabei für die Bandbreite of'des Durchlaßbereiches des
zweiten Filterabschnittes 32:
Hierbei ist mit f'„ die obere Grenzfrequenz und mit
fi' die untere Grenzfrequenz des zweiten Filterabschnittes 32 bezeichnet.
Unter Mitberücksichtigung der vorangehend nicht formelmäßig belegten Rechenergebnisse für die Bandmittenfrequenz
fm,die untere Grenzfrequenz //'und die
obere Grenzfrequenz /„' des Durchlaßbereiches des
zweiten Filterabschnittes 32 sowie für die Frequenz f'„
des Dämpfungspoies dieses Filterabschnittes lassen sich die an und für sich bekannten Eigenschaften eines
Bandpaßfilters mit der durch F i g. 1 veranschaulichten Konfiguration wie folgt zusammenfassen:
(a) Die Bandmittenfrequenz des Filters fällt mit der Resonanzfrequenz der beiden piezoelektrischen
keramischen Resonatoren 2 und 3 zusammen,
(b) das Durchlaßband des Filters ist
(0 die beiden zusammengeschalteten beiden Filterabschnitte 311',Id 32 sind miteinander vertauschbar.
In dem durch Fig.8 veranschaulichten Diagramm sind die Frequenzen auf der waagerechten Achse und
die Spannungsübertragungswerte in dB auf der senkrechten Achse aufgetragen. Die voll ausgezogen
dargestellte Kurve zeigt die Übertragungscharakteristik des Bandpaßfilters 1, während die gestrichelte
Kurve die Übertragungscharakteristik der beiden direkt in Kette schalteten Resonatoren 2 und 3 ohne Einfügung
der Spulen 4,5 und 6 als Querzweige zeigt.
Es ist bemerkenswert — wenngleich das einschlägige Schrifttum bereits darüber Aufschluß gibt — daß die
Bandbreite des Filters 1 viel größer bemessen werden kann als die Bandbreite eines Filters, bei welchem die
beiden Resonatoren 2 und 3 ohne Heranziehung von Spulen in Kette geschaltet sind und daß die Frequenzcharakteristik
des Bandpaßfilters 1 einen geebneten Verlauf der Dämpfung im Durchlaßband und im oberen
sowie im unteren Sperrbereich scharf ausgeprägte Dämpfungspole aufweist.
Nachfolgend wird das Wesen der Erfindung dargelegt. Das piezoelektrische keramische Bandpaßfilter soll
als Kanalfilter bei einer Mehrkanal-Fernmeldeanlage verwendbar sein. In diesem Falle muß bei der
Festlegung der Frequenzlage der Übertragungskanäle und damit auch der Trägerfrequenzen in einem
gegebenen Frequenzbereich die Nebenwelligkeit der Resonatoren des Filters berücksichtigt werden.
Liegen die Nebenresonanzen der Resonatoren des für einen bestimmten Kanal vorgesehenen Filters im
Durchlaßband eines anderen Kanals, so stören sich die Signale gegenseitig.
In dem durch Fig.9 wiedergegebenen Diagramm
sind auf der waagerechten Achse die Frequenzen in kHz und auf der senkrechten Achse die Spannungsübertragungswerte
in dB aufgetragen. Mit dem Bezugszeichen fist das Durchlaßband des Filters für den Kanal mit der
Trägerwellenfrequenz 42.3 kHz bezeichnet, während mit 5i... 5g die Nebenresonanzen der Resonatoren 2
und 3 des Filters bezeichnet sind, die von Biege-Nebenschwingungen und von Harmonischen der Nutzschwingung
herrühren. Es ist erforderlich, daß diese Nebenresonanzen außerhalb der Frequenzbänder der einzelnen
Kanäle liegen. Nach den Trägerwellenfrequenzen richten sich die Längenabmessungen der für Längsschwingungen
vorgesehenen piezoelektrischen keramischen Resonatoren, während die Frequenzlage der
Nebenresonanzen jeweils durch das Verhältnis Breite/ Länge der Resonatoren beeinflußbar ist. Gemäß der
Erfindung hat sich gezeigt, daß von der Kanalverteilui;g,
die sich unter Berücksichtigung aller einschlägigen Gesichtspunkte am besten für die Plazierung von fünf
Übertragungskanälen mit einer Mindestbandbreite von 6 kHz im Frequenzbereich zwischen 40 und 12OkHz
eignet und die aus diesem Grunde Trägerfrequenzen von 42,3, 54,6, 67,4, 833 und 111 kHz vorsieht, dann
Gebrauch gemacht werden kann, wenn bei den piezoelektrischen keramischen Resonatoren der Kanalfilter
das Verhältnis Breite/Länge ungefähr 0,14; 0,18; 0,22; 0,27 bzw. 036 bei den angeführten Trägerfrequenzen
beträgt
Die Resonatoren für ein piezoelektrisches Bandpaßfilier nach der Erfindung werden aus einem piezoelektrischen
keramischen Material hergestellt, ζ. B. aus dem in der US-PS 32 68 453 offenbarten piezoelektrischen
keramischen Material, dessen piezoelektrische Merk-
maie fur Längsschwingungen in der nachstehenden Tabelle I angeführt sind.
Frequenzkonstante
Dielektrizitätskonstante
Dielektrizitätskonstante
Kanal Nr.
Verhältnis
Breite/Länge
Breite/Länge
Abmessung in mm
Kapazitätsverhältnisf—— )
\2C|/
\2C|/
mechan. Gütefaktor Q
180OkHz- mn 13.Ό |
5 | 3 4 5 |
III | 0,220 0,272 0,362 |
27,3X6,0X0,8 22,1X6,0X0,8 16,6X6,0X0,8 |
25 | |||||
500 | IO | Tabelle | |||
Die piezoelektrischen keramischen Resonatoren bestehen aus dünnen rechteckigen Platten mit zwei
Elektrodenpaaren von der durch F i g. 2 und 5 dargestellten Art.
Die für die einzelnen Kanäle entworfenen Bandpaßfiiter enthalten jeweils zwei gleiche piezoelektrische
keramische Resonatoren, deren Breite : Länge-Verhältnis und deren Abmessungen in der Tabelle II aneeführt
sind. In der Tabelle III sind für die einzelnen Filter die Werte der 6 ei als Querzweig vorgesehenen Spulen
angegeben.
Tabelle Il | Verhältnis Breite/Länge |
Abmessung in mm |
Kanal Nr. | 0,138 0,178 |
43,5X6,0X0,8 33,7X6,0X0,8 |
1 2 |
||
20
25
30
Kanal
Nr
Induktivität (mH)
erste
zweite
dritte
1 | 9,86 | 4,93 | 9,86 | Toleranz: ± 25°/ |
2 | 7,64 | 3,82 | 7,64 | |
3 | 6,19 | 3,09 | 6,19 | |
4 | 5.01 | 2,51 | 5.01 | |
5 | 3,76 | 1,88 | 3,76 | |
Wie aus der Tabelle IV hervorgeht, läßt sich über die gemäß den Lehren nach der Erfindung entworfenen
Bandpaßfilter aussagen, daß sie unbeschadet der Verwendung von piezoelektrischen keramischen Resonatoren
mit einer beträchtlichen Breite des Durchlaßbereiches ausführbar sind, eine hohe Nachbarkanal-Dämpfung
ergeben und geringe Abmessungen aufweisen.
Kanal Nr.
1
Mittenfrequenz (kHz)
Anpassungswiderstand (Eingang
und Ausgang) in Kiloohm
Anpassungswiderstand (Eingang
und Ausgang) in Kiloohm
Betriebsdämpfung im Durchlaßbereich (dB)
Bandbreite bei-6dB (kHz)
Bandbreite bei -4OdB (kHz)
Nachbarkanal-Dämpfung (dB;
Bandbreite bei -4OdB (kHz)
Nachbarkanal-Dämpfung (dB;
Gehäusemaße in mm: 8X20X60
42,3
10
10
54,6
10
10
2,5
67,4
10
10
83,3
10
10
111
10
10
6 | 7,5 | 9 | 12 | 14 |
13 | 17 | 21 | 24 | 27 |
>50 | >5C | >40 | >45 | >40 |
Hierzu 6 Blatt Zeichnuneen
Claims (1)
- Patentanspruch;Bandpaßfilter, bei welchem zwei zu Längsschwingungen erregte keramische Resonatoren in Form von dünnen Plättchen mit rechteckförmigen Hauptflächen und vier Elektroden unter Zwischenfügung einer als Querzweig dienenden Spule in Kette geschaltet sind und bei welchem dem Eingangsklemmenpaar des ersten Resonators und dem Ausgangsklemmenpaar des zweiten Resonators eine Spule parallel liegt und bei welchem am zweiten keramischen Resonator eine zusätzliche Phasenverschiebung von 180° zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung durch die Verbindung von zwei Elektroden mit dem Bezugspotential der Gesamtanordnung herbeigeführt ist, die unterschiedlichen Hauptflächen angehören, und bei welchem ferner durch die Bemessung der Induktivitätswerte der als Querzweige vorgesehenen Spulen im Hinblick auf die an den Elektrodenpaaren der beiden Resonatoren in Erscheinung tretenden Kapazitätswerte die Spulen Bestandteile von Parallelschwingkreisen bilden, die auf die Mittenfrequenz des Filter-Durchlaßbereiches abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei ,der Bemessung des Filters für die im einzelnen angegebenen Bandmittenfrequenzen im Bereich von 42,3... 111 kHz keramische Vierelektrodenschwinger mit den angeführten Breiten/Längenverhältnis ihrer Hauptflächen Anwendung finden:
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001433A DE2001433C3 (de) | 1970-01-07 | 1970-01-07 | Bandpaßfilter |
US4196A US3624564A (en) | 1970-01-07 | 1970-01-20 | Piezoelectric ceramic band-pass filter |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001433A DE2001433C3 (de) | 1970-01-07 | 1970-01-07 | Bandpaßfilter |
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Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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DE2001433A1 DE2001433A1 (de) | 1971-07-22 |
DE2001433B2 DE2001433B2 (de) | 1981-10-22 |
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ID=25758492
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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---|---|
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-
1970
- 1970-01-07 DE DE2001433A patent/DE2001433C3/de not_active Expired
- 1970-01-20 US US4196A patent/US3624564A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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