DE2001433C3

DE2001433C3 - Bandpaßfilter

Info

Publication number: DE2001433C3
Application number: DE2001433A
Authority: DE
Inventors: Yukihiko Suita Osaka Ise; Yuichi Kaizuka Osaka Kaname; Kingo Neyagawa Osaka Wada
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1970-01-07
Filing date: 1970-01-07
Publication date: 1983-06-01
Also published as: DE2001433B2; DE2001433A1; US3624564A

Description

423 54,6 67,ί 83,3
0,138 0,178 0,220 0,?⁷2

111 kHz
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 I8O^C 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 2C_t 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 C_s2 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 C_s2 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+ 2C_S, + 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 F_r die untere Grenzfrequenz des Durchlaßbereiches und mit F_a die obere Grenzfrequenz des Durchlaßbereiches bezeichnet F_x gibt die Frequenz des Dämpfungspoles und F_m 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)

(13)

C₁ (C,', +Cj₂)
2[C'_!iC₂'₂-C'_sCi,+C₂'₂)]

(14)

Die Überkopplungskapazitäten C_si... 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

C₀= C_n.

(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 = F_n = —

F_n = 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 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

F_r
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 c_s

(28)
(29)

und demgemäß ergibt sich für die Bandbreite A F AF= F_r ■ ^- (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 f_a 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

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:

(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.

Tabelle 1

Frequenzkonstante
Dielektrizitätskonstante

Kanal Nr.

Verhältnis
Breite/Länge

Abmessung in mm

Kapazitätsverhältnisf—— )
\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.

Tabelle IV

Kanal Nr.

1

Mittenfrequenz (kHz)
Anpassungswiderstand (Eingang
und Ausgang) in Kiloohm

Betriebsdämpfung im Durchlaßbereich (dB)

Bandbreite bei-6dB (kHz)
Bandbreite bei -4OdB (kHz)
Nachbarkanal-Dämpfung (dB;

Gehäusemaße in mm: 8X20X60

42,3
10

54,6
10

2,5

67,4
10

83,3
10

111
10

6	7,5	9	12	14
13	17	21	24	27
>50	>5C	>40	>45	>40

Hierzu 6 Blatt Zeichnuneen

Claims

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: