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Mechanisches Filter mit mehreren, achsparallel angeordneten Torsionsresonatoren
Die Erfindung betrifft ein mechanisches Filter mit mehreren, achsparallel angeordneten
Torsionsresonatoren, dessen Endresonatoren mit elektromechanischen Wandlern zum
über gang von elektrischen auf mechanische bzw. zum Übergang von mechanischen auf
elektrische Schwingungen verbunden sind und dessen einzelne Resonatoren über wenigstens
ein Längsschwingungen ausführendes, als durchgehender Draht mit über seine gesamte
Länge gleichbleibendet Querschnitt ausgebildetes Koppelelement gekoppelt sind, das
senkrecht zu den Längsachsen der Resonatoren verläuft und mit den einzelnen Resonatoren
an den jeweiligen Kopplungsstellen kraftschlüssig verbunden ist, und bei dem weiterhin
zur Erzielung einer vorgegebenen Filtercharakteristik die Kopplung zwischen aufeinanderfolgenden
Resonatoren unterschiedlich gewählt ist.
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Bekanntlich haben mechanische Filter in der modernen Nachrichtentechnik
deshalb eine große Bedeutung erlangt, weil sie in dem für sie geeigneten Frequenzbereich
gegenüber den mit konzentrierten Schaltelementen aufgebauten Filtern eine Reihe
von Vorteilen aufzuweisen haben, wie beispielsweise die hohe Schwinggüte der einzelnen
Resonatoren, den geringen Raumverbrauch des Filters sowie geringe Temperaturabhingigkeit.
Es ist beim Aufbau solcher Filter möglich, verschiedene mechanische Schwingungsformen
heranzuziehen, wovon unter anderem Torsionsschwingungen der Resonatoren und Längs
schwingungen der Koppelelemente eine mögliche Kolbination darstellen. In diesem
Zusanenhang ist es durch die Zeitschrift nArchiv der elektrischen Übertragung"
(AEÜ),
Band 17, März 1963, Seiten 103 bis 107 bereits bekannt geworden, bei einem derartigen
Filter die einzelnen, achsparallel zueinander angeordneten Torsionsresonatoren durch
Längsschwingungen ausführende Koppelelemente in einer solchen Weise miteinander
zu verbinden, daß der Abstand der Koppel stellen direkt benachbarter Resonatoren
ein Viertel der im Koppelelement auftretenden Wellenlänge beträgt. Beim Entwurf
eines Filters nach den Regeln der sogenannten Betriebsparametertheorie zeigt sich,
daß zur Erzielung einer vorgegebenen Filtercharakteristik, wie beispielsweise einer
maximal flachen oder einer Tschebyscheffschen-Charakteristik, der Kopplungsgrad
benachbarter Resonatoren unterschiedlich ausgebildet werden muß, was durch Verwendung
von Koppelelement-Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers, oder bei Verwendung
untereinander gleicher goppelelement-Abschnitte durch unterschiedliche Resonatormassen,
die beim bekannten Filter durch in einigen Resonatoren vorgesehenen Längsbohrungen
erzeugt werden, erzielbar ist. Gegebenenfalls lassen sich benachbarte Resonatoren
auch durch zusktzliche Koppelelemente unterschiedlich verkoppeln, wie dies beispielsweise
durch die deutsche Auslegeschrift t 147 335 bekannt geworden ist. Der Aufbau solcher
Filter erfordert jedoch zusåtzliche fertigungstechnische Maßnahmen insofern, als
zur Erzielung unterschiedlicher Kopplungen zwischen aufeinanderfolgenden Resonatoren
entweder verhältnismäßig genau tolerierte Bohrungen in einigen Resonatoren vorgesehen
werden müssen, oder es diesen bei Verwendung von Resonatoren gleicher Resonatormasse
wenigstens ein zusätzliches, der direkten Verkopplung benachbarter Resonatoren dienender
Koppelelement-Abschnitt zwingend vorgesehen werden. Wegen der fest vorgegebenen
Länge der einzelnen Koppelelemente läßt sich somit ¢.ine von der unzahl der Resonatoren
abhängige Mindstbsu1änge nicht unterschreiten. darübar hinaus wird bei den bekanten
Filtern eine Halterung verwendet, bei
denen sämtliche Resonatoren
durch einen gemeinsamen Haltedraht miteinander verbunden sind, der an sich in Schwingungsknoten
der Resonatoren angreift. Wenn, bedingt durch unvermeidliche Herstellungstoleranzen,
der Haltedraht nicht mehr genau im Schwingungsknoten befestigt ist, dann wird er
in den Schwingungsvorgang einbezogen und wirkt damit als zusätzlicher Koppler, durch
den die ursprünglich gewünschte Kopplung verfälscht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zuFrunrlef el mechanisches Filter
anzugeben, bei dem eine an sich beliebige Filter charakteristik erzielbar ist, und
das bei möglichst einfacher Herstellung gleichzeitig eine erhebliche Verkürzung
der Baulänge bei gegebenenfalls völliger Entkopplung der Resonatoren durch die Halterung
ermöglicht.
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Ausgehend von einem mechanischen Filter mit mehreren, achsparallel
angeordneten Torsionsresonatoren, dessen Endresonatoren mit elektromechanischen
Wandlern zum uebergang von elektrischen auf mechanische bzw. zum Übergang von mechanischen
auf elektrische Schwingungen verbunden sind und dessen einzelne Resonatoren über
wenigstens ein Längsschwingungen ausführendes, als durchgehender Draht mit über
seine gesamte Länge gleichbleibendem Querschnitt ausgebildetes Koppelelement gekoppelt
sind, das senkrecht zu den Längsachsen der Resonatoren verläuft und mit den einzelnen
Resonatoren an den Jeweiligen Kopplungsstellen kraftschlüssig verbunden ist, und
bei dem weiterhin zur Erzielung einer vorgegebenen Filtercharakteristik die Kopplung
zwischen aufeinanderfolgenden Resonatoren unterschiedlich gewählt ist, wird diese
Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abstände zwischen einander benachbarten
Kopplungsstellen unterschiedlich sind, und daß der Abstand zwischen wenigstens zwei
benachbarten Kopplungsstellen um wenigstens 35 % kürzer oder länger als ein Viertel
der im Koppel element zwischen den einzel-
nen Kopplungsstellen
auftretenden Wellenlänge gewählt ist.
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Nachatehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch
näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig.1 schematisch ein Ausführungsbeispiel
in perspektivischer Darstellung; Fig.2 einen Ausschnitt aus einem mechanischen Filter
in der Draufsicht unter Verwendung zusätzlicher Überkopplungen; Fig.3 einen Ausschnitt
in der stirnseitigen Ansicht unter Verwendung einer zusätzliche Überkopplung; Fig.4
einen Ausschnitt aus einem mechan-ischen Filter mit unterschiedlichen Resonatoren.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig.1 ist ein aus sieben Torsionsresonatoren
1 bis 7 bestehendes mechanisches Filter dargestellt, dessen einzelne Torsionsrescnatoren
über die Koppelelemente 9 und 9' miteinander gekoppelt sind. Gegebenenfalls läßt
sich mit bereits einem Koppelelement, beispielsweise den Koppelelement 9, eine ausreichende
Kopplung zwischen den einzelnen Resonatoren erzielen, bzw. sind bei dünner Ausbildung
der einzelnen Koppeldrähte zwei weitere Koppeldrähte suf der Unterseite der REsonatoren
anbringbar, so daß sich eine vollständig symmetrische AusfUhrung ergibt. Das Koppelelement
9 ist über die Endresonatoren 1 und 7 hinausgeführt und endet in elektrosechanisohen
Wandlern 8 und 8', die derart ausgebildet sein müssen, daß sie in der Lage sind,
an ihnen anliegende elek-
trische Schwingungen in mechanische Längsschwingungen
umzuwandeln, so daß die Koppelelemente 9 mechanische Längsschwingungen ausführen,
wie dies durch die Pfeile 19 kenntlich gemacht ist. Elektromechanische Wandler,
die derartige Bedingungen erfüllen, sind an sich bekannt und können beispielsweise
aus Längsresonatoren bestehen. Im einzelnen soll an dieser Stelle nicht näher darauf
eingegangen werden, da an sich beliebige, geeignete Wandlerelemente verwendbar sind,
wenn nur dafür gesorgt ist, daß beispielsweise der elektromechanische Wandler 8
elektrische Schwingungen in mechanische Längsschwingungen umwandelt, die im elektromechanischen
Wandler 8' in elektrische Schwingungen zurückverwandelt werden.
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Die einzelnen Torsioneresonatoren 1 bis 7 bestehen aus zylindrischen
Körpern, die derart angeordnet sind, daß ihre mittleren Längsachsen zueinander parallel
verlaufen.
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Der einzelne Koppeldraht 9 bzw. 9' verläuft senkrecht eu den Längsachsen
der Resonatoren und ist mit diesen an den Jeweiligen Koppelatellen 21 bis 27, die
im Ausfuhrungibeispiel auf Mantellinien der Resonatoren 1 bis 7 liegen, kraftschlüssig
verbunden. Wenn die Resonatoren und die Koppelelemente aus einem metallischen Material
bestehen, wird man zweckmäßig die kraftschlüssige Verbindung durch Schweißen herstellen.
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Bei Torsioneresonatoren bildet sich bekanntlich entlang ihrer Mittelebene,
die durch die doppelt strichpunktierte Linie 17 kenntlich gemacht ist, ein Schwingungsknoten
aus, d.h. an dieser Stelle führen die Resonatoren praktisch keine Bewegung aus.
In diesen Stellen greifen Haltedrähte 11 an, die andererseits in einer Halteplatine
10 verankert sind. Vorzugsweise versieht man Jeden der Resonatoren 1 bis 7 mit einem
derartigen Haltedraht und es kann gegebenenfalls auf der Unterseite des Filters
eine weitere Halteplatine vorgesehen sein, so daß sämtliche Resonatoren
beidseitig
gestützt bzw. aufgehängt sind. Als Halteplatine 10 benutzt man zweckmäßig gleich
das Filtergehäuse oder eine Grundplatte, Die Länge der Haltedrähte 11 kann an sich
beliebig kurze gewählt werden, wodurch die Höhenabmesaungen des Filters nur wenig
größer als der Durchmesser der Resonatoren werden. Es muß nur dafür gesorgt sein,
daß die Torsionsresonatoren 1 bis 7 in Verbindung mit den Koppelelementen 9, 9'
frei schwingen können.
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Wenn durch den elektromechanischen Wandler &, der im Ausführungsbeispiel
den Elngangswandler darstellen soll, der Resonator 1 zu Torsionsschwingungen entsprechend
der durch den Pfeil 20 kenntlich gemachten Schwingungsrichtung angeregt wird, dann
haben diese Torsionsschwingungen Längsschwingungen im Koppelement 9 bzw. 9' zur
Folge.
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Diese Längsschwingungen regen auch die Resonatoren 2 bis 7 zu Torsionsschwingungen
an und es können schließlith im elektromechanischen Wandler 8' die mechanischen
Schwingungen in elektrische Schwingungen zurückverwandlet werden.
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Die rrequenzlage des Durchlaßbereicba des mechanischen Filters gemäß
Pig.t wird bekanntlich im wesentlichen von der Eigenresonanzfrequenz der Torsionsresonatoren
1 bis 7 bestimmt, die wiederum im wesentlichen von der Länge des einzelnen Resonators
abhängig ist. Für die Band breite und die Filtercharakteristik ist außerdem die
Stärke der Kopplung zwischen den einzelnen Resonatoren bestimmend-und es können
Je nach der Kopplung an sich beliebige Filtercharakteristiken, wie beispielsweise
ein maximal flacher oder ein Tschebyscheffscher Dämpfungsverlauf, erzielt werden.
Für die Stärke der Kopplung ist einerseite die Querschnittsabmessung des Koppeldrahtes
9 bzw. 9' sowie der Abstand b des Koppeidrahtes 9 bzw. 9' vom Schwingungsknoten
17 maßgebend, da nämlich mit sunehmendem Abstand b der Koppeldraht 9 in Bereiche
größerer Schwingungsamplituden gelangt und damit die Kopplung verstärkt wird. Abgesehen
von diesen fest vorgegebenen
Bemessungen wird die Stärke der Kopplung
durch den Abstand einander benachbarter Kopplungsssteì.en bestimmt. In Fig.1 ist
bereits ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel insofern dargestellt, als der Abstand
einander benachbarter Kopplungsstellen zur Filtermitte hin zunimmt. So haben die
Kopplungsstellen 21 und 22 bzw. die Kopplungsstellen 26 und 27 den Abstand al, die
Kopplungsstellen 22 und 23 bzw. die Kopplungsstellen 25 und 26 den Abstand a2 und
schließlich die Kopplungsstellin 23 und 24 bzw. 24 und 25 den Abstand a3 Wie eingangs
bereits erwähnt, ist die Stufung, d.h. also die unterschiedliche Wahl der Starke
der Kopplung einander benachbarter Resonatoren immer dann erforderlich, wenn es
darauf aiikommt, bei einem beispielsweise nach der Betriebsparametertheorie berechneten
Filter eine vorgegebene Filterocharakteristik zu erzielen. Im allgemeinen wird vorzugsweise
eine Filtercharakteristik mit maximal flachem Verlauf oder mit einem Tschebyscheffschen
Verlauf angestrebt, bei dem sämtliche Maxima die gleiche Höhe hinsichtlich der Dämpfung
bzw. des Reflexionsfaktors besitzen. Um eine möglichst gedrängte Bauweise hinsichtlich
der Längenabmessung des Filters zu erzielen, ist ferner dafür gesorgt, daß selbst
der größte Abstand einander benachbarter Kopplungsstellen, im Ausführungsbeispiel
also der Abstand a3, kleiner als ein Viertel der im Koppelelement, beispielsweise
zwischen den Koppelstellen 27 und 24 auftretenden Wellenlänge ist.
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Es ist ferner darauf geachtet, daß der kürzeste Abstand benachbarter
Koppungsste1ien, z.B. der Abstand al, um wenigstens 35 % kürzer als ein Viertel
der im Koppelelement 9, 9' zwischen den einzelnen Koppelstellen 21 bis 27 auftretenden
WeAlenlänge gewählt ist. Für die technische Realisierbarkeit des Pilters läßt sich
ein gewisser Mindestdurchmesser der- einzelnen Resonatoren selbstverständlich nicht
unterschreiten. Wenn sich dabei zur Erzielung der erforderlichen Kopplung zeigt,
daß der Abstand benachbarter Kopplungsstellen kleiner als der Re-
sonatordurchmesser
werden muß, dann läßt sich der Kopplungsabstand um A/2 vergrößern, wobei der Kopplungsgrad
erhalten bleibt. Dabei ist A die im jeweiligen Kopplungsabschnitt auftretende Wellenlänge.
Bei dieser Maßnahme kann es sich ergeben, daß der Abstand benachbarter Kopplungsstellen
um wenigstens 35 % größer als ein Viertel der im Koppelelement-Abschnitt auftretenden
Wellenlänge wird.
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Wenn es darauf ankommt, sogenannte Polstellen> d.h. kornplexe oder
reelle Polstellen in der Piltercharakteristik zu erzeugen, besteht die Möglichkeit,
einander nicht unmittelbar benachbarte Resonatoren durch wenigstens ein zusätzliches,
Längsschwingungen ausführendes Koppelelement miteinander zu koppeln. Entsprechende
Ausführungsbeispiele sind in den Fig.2 und 3 schematisch dargestellt und es können
dabei Polstellen entweder bei reellen oder bei komplexen Frequenzen oder bei beiden
erzeugt werden.
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Polstellen bei reellen Frequenzen haben bekanntlich Pole im Dämpfungsverhalten
zur Folge, während sich Polstellen bei komplexen Frequenzen auf das Laufzeitverhalten
eines Filters, das häufig ebenfalls vorgegeben ist, auswirken.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ist lediglich ein Ausschnitt aus
dem Filter nach Fig.1 mit den Resonatoren 3 bis 7 in der Draufsicht dargegtellt
und es sind deshalb funktionagleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Zur Erzeugung von Polstellen in der Filtercharakteristik sind einander nicht unmittelbar
benachbarte Resonatoren durch das zusätzliche Koppelelement 12 miteinander gekoppelt,
im Ausführungebeispiel nach Fig.2 also die Resonatoren 4 und 7, so daß die Resonatoren
5 und 6 durch das Koppelelement 12 überbrückt sind. Wenn Polstellen in der Dämpfungscharakteristik
erzeugt werden sollen, dann zeigt sich bei der Berechnung eines derartigen Filters,
daß die Kopplung zwischen Uberbrückten Resonatoren
verhältnismäßig
fest sein muß und es ist deshalb der Abstand a2' der überbrückten Resonatoren 5
und 6 kleiner gewählt als der Abstand a11 bzw. a3' der ihnen unmittelbar benachbarten
Resonatoren 4 bzw. 7. Das Koppelelement 12 ist dabei so angebracht, daß es parallel
zu den durchgehenden Koppeldrähten 9 bzw. 9' verläuft. Je nach der Anzahl der überbrückten
Resonatoren und der gewählten Länge der Koppelelement-Abschnitte und damit der Länge
des zusätzlichen Elements 12 ergeben sich entweder Polstellen in der Filtercbarakteristik
bei reellen oder bei komplexen Frequenzen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Anbringung wenigstens eines zusätzlichen
Koppelelements, das einander nicht unmittelbar benachbarte Resonatoren miteinander
verbindet, ist schematisch in Fig.3 dargestellt, die in stirnseitiger Ansicht einen
Ausschnitt mit den Resonatoren 4 bis 7 aus Fig.1 zeigt. Dabei wird das zusätzliche
Koppelelement 12' an den Stirnseiten der Resonatoren 5 und 7 in der Weise befestigt,
daß die Befestigungspunkte auf verschiedenen Seiten der allen Resonatoren gemeinsamen
Mittelebene 15 liegen. Das zusätzliche Koppelelement ist mit der Bezugsziffer 12'
bezeichnet und führt ebenfalls überwiegend Längsschwingungen aus. Die Stärke der
zusätzlichen Kopplung, durch die die Frequenzlage der Polstellen bestimmt wird,
läßt sich, abgesehen von den Abmessungen und den Materialeigenschaften, durch den
Abstand der Befestigungspunkte vom Mittelpunkt M regulieren, wobei vorzugsweise
die Befestigungspunkte in einer durch die Mittelpunkte M gehenden Linie liegen,
die senkrecht auf die gemeinsame Mittelebene 15 steht.
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Je nach der Anzahl der Uberbrückten Resonatoren und der gewählten
Länge der Koppelelement-Abschnitte und damit der Länge des zusätzlichen Elements
12 ergeben sich entweder Polstellen in der Filtercharakteristik bei komplexen
oder
bei reellen Frequenzen, d.h. also lediglich in umgekehrter Zordnung wie beim Ausführungsbeispiel
nach Fig.2.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig.2 und 3 lassen sich Pole
bei reellen und komplexen Frequenzen, d.h. also Dämpfungepole und die Beeinflussung
der Laufzeit noch in der Weise vornehmen, daß überbrückte Resonatoren einschließlich
von wenigstens einem ihnen unmittelbar benachbarten Resonator durch wenigstens ein
weiteres Koppelelement überbrückt werden. Wird. en^.Kt echende Ausführung ist in
Fig.2 gezeigt, in der zusätzlich die Resonatoren 3 und 7 durch das Koppelelement
13 überbrückt sind.
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In den Ausführungsbeispielen nach den Fig.2 und 5 können die zusätzlichen
Koppelelemente 12, 12' und 13 an sich eine beliebige Anzahl von Resonatoren überbrücken,
oder es können auch weitere zusätzliche Überbrückungen vorgesehen sein, die beispielsweise
im Ausführungsbeispiel nach Fig.1 zusätzlich zwischen den Resonatoren 1 und 4 liegen.
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Im allgemeinen bemißt man die Resonatoren so, daß ihre Durchmesser
untereinander gleich groß sind, Jedoch kleiner als der kleinste auftretende Abstand
benachbarter Kopplungsstellen. Auf diese Weise erhält man ein Filter, das eine verhältnismäßig
geringe Baulänge erforderlich macht und das hinsichtlich der Anforderungen bei der
Fertigung am besten zu beherrschen ist.
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Es ist Jedoch auch möglich, wie in Fig.4 gezeigt, bei wenigstens einem
Resonator den Durchmesser unterschiedlich gegenüber den Durchmessern der übrigen
Resonatoren zu wählen, falls dies durch die für die Erzielung der Filteroharakteristik
erforderliche Kopplung gewünscht ist. Bemißt man nämlich den Durchmesser eines einzelnen
Resonators unterschiedlich gegenüber dem Durchmesser der
ihm benachbarten
Resonstoren, daiui ergibt sich dadurch ebenfalls die Möglichkeit, eine unterschiedliche
Kopplung aufeinanderfolgender Resonatoren einzustellen, und zwar deshalb, weil bei
gleichbleibendem Kopplungsdraht und gleichbleibendem Kopplungsabstand die Masse
des den kleineren Durchmesser aufweisenden Resonators geringer ist, was zwingend
auf die Stärke der Kopplung zurückwirkt.
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Bei der Verschweißung der Koppelelemente 9 bzw. 9' mit den Resonatoren
1 bi 7 zeigen si th mituntei nicht exakte Schweißstellen in den Bereichen, in denen
die KoppeY-elemente gewissermaßen eine Tangente der Resonatoren bilden. Wenn solche
Schweißstellen beispielsweise durch eine Stoßbeanspruchung aufgelöst werden, dann
ändert sich dadurch der Abstand der Koppelabschnitte und damit der Kopplungsgrad.
Um dies zu vermeiden, versieht man die einzelnen Resonatoren zumindest in den Bereichen
der jeweiligen Kopplungsstellen mit einer Abflachung, wie dies in Fig.4 ebenfalls
zu erkennen ist. Auf diese Weise ergeben sich verhältnismäßig scharfe Ubergänge
zwischen den einzelnen Resonatoren und dem Koppelelement und es entstehen an jedem
Resonator zwei besonders ausgeprägt Schweißstellen, die in Fig.4 mit den Bezugszi.ffern
24 bis 27 bzw. 24' bis 27' kenntlich gemacht sind und die an den Übergangsstellen
von der Abflachung zur kreisförmigen Kontur der Resonatoren liegen. Anstelle der
Anbringung der Abflachung im Bereich der Koppelstellen iet auch eine Abflachung
über die gesamte Resonatorlänge möglich. Abgesehen von der durch diese Maßnahme
exakt erzielbaren Kopplung läßt sich eine weitere Verringerung des Kopplungsabstandes
erzielen.
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Wie bereits erwähnt, läßt sich bei dem beschriebenen Filter trotz
einer möglichst geringen Baulänge, die durch einen sehr engen Abstand der einzelnen
Resonatoren möglich wird, an sich Jede gewünschte Piltercharakteristik
einstellen.
Durch die zusätzlichen Koppelelemente können erforderlichenfalls Pole in der Filtercharakteristik
erzielt werden, wodurch die Anzahl der Resonatoren möglichst gering gehalten werden
kann. Da weiterhin jeder einzelne Resonator für sich gehaltert ist, wird die zwischen
den Resonatoren erforderliche Kopplung auch dann nicht verfälscht, wenn aufgrund
der Herstellungstoleranzen die Haltedrähte 11 nicht exakt in den Schwingungsknoten
an greifen und somit geringfügig in das Schwingungsgeschehen der Resonatoren einbezogen
erden. Die sich daraus erge bende Abweichung der Resonanzfrequenz des Resonators
läßt sich beim Abgleich ohne weiteres in den Resonator einstimmen. Weiterhin stellt
die Halteplatine 10 eine gegenüber den Halteelementen 11 derart große Masse dar,
daß auf sie auftreffende Schwingungen praktisch nicht übertragen werden, und somit
die ursprünglich eingestellte Kopplung erhalten bleibt.
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11 Patentansprüche 4 Figuren