DE2145703A1 - Bandsperre fuer elektrische schwingungen - Google Patents

Description

SIEMENS MTIENGESELLSCHAFT München, den 1 3.SEf? 1971

Berlin 'laid München Witteisbacherplatz 2

71/6655

Bandaperre für elektrische Schwingungen

Die Erfindung betrifft eine Bandsperre für elektrische Schwingungen, die in Form eines Allpaßgliedes vierter Ord nung als überbrücktes T-Glied ausgebildet ist, in dessen Iiängszweigen Serienresonanzkreise angeordnet sind und in dessen Querzweig und Überbrückungszweig jeweils ein Paral lelresonanzkreis liegt.

Die zur Regelung und Überwachung von Trägerfrequenzsystemen notwendigen Steuersignale, die sogenannten Pilotsigna le, müssen bekanntlich am Ende einer Übertragungsstrecke durch Bandsperren mit schmalem Sperrbereich, die meistens. Quarze enthalten, unterdrückt werden. Zu diesem Zweck können Allpässe oder Tiefpässe mit einer schmalbandigen Quarzstörung eingesetzt werden, wie sie durch.die britische Patentschrift 816 463 und die deutsche Patentschrift 1 257 990 bekannt geworden sind. Bei diesen Schal tungen werden zur Übersetzung der Quarzimpedanz an das Widerstandsniveau der übrigen Schaltung Übertrager verwen det, jedoch sind diese Schaltungen zur Nebenwellen unterdrückung nur bedingt brauchbar und insbesondere sind die Übertrager beim Einsatz derartiger Bandsperren in Trä gerfrequenzsysteraen mit verhältnismäßig hoher Frequenz nur schwer realisierbar. ■

Bei Vorhandensein von störenden Grund- bzw. Oberwellen werden nebenwellenunterdrückende Weichenallpässe verwendet, wie sie beispielsweise durch die deutsche Auslegeschrift 1 142 424, durch die deutsche Patent- ' schrift 1 268 289 bzw. die deutsche Offenlegungsschrift 1 948 802 bekanntgeworden sind.

Da bei den derzeit zum Einsatz kommenden breitbandigen VPA 9/647/1002 Hka/Bri 309812/0425 ~ 2 -

Trägerfrequenzsystemen die obere Übertragungsgrenze bei etwa 60 MHz liegt, werden Filterbandsperren mit entsprechend hohen Sperrfrequenzen benötigt. Um Sperren mit solchen Eigenschaften realisieren zu können, sind Schaltungen erforderlich, die eine wirkungsvolle Unterdrückung der Obertöne'bzw. des Grundtones sowie eine kapazitive Übersetzung der Quarzimpedanz ermöglichen.

In diesem Zusammenhang ist zur Unterdrückung von Hebenwellen beispielsweise durch die deutsche Äuslegeschrift 1 142 ein Allpaß in Doppel-T-Schaltung bekanntgeworden, der im Querzweig seines Bandpaßfilters Quarze enthält. Die Quarze sind untereinander durch Widerstände entkoppelt. Bei wirksamer Entkopplung führt das im allgemeinen zu nicht tragbaren Grunddämpfungen, andernfalls wächst die Sperrdämpfung nur mit dem Logarithmus der Quarzzahl.

Zur Umgehung dieser Nachteile sind in der deutschen Patentschrift 1 268 289 beliebig erweiterungsfähige quarzgestörte Weichenallpässe angegeben, bei denen die Sperrdämpfung proportional mit der Quarzzahl wächst. Weiterhin sind in der deutschen Offenlegungsschrift 1 948 802.Quarzbandsperren beschrieben, bei denen quarzgestörte Allpässe oder Tiefpässe zwischen die Teilfilter zweier sich zu einem Weichenallpaß ergänzender Weichen geschaltet werden. Es haben sich diese Schaltungen wegen ihrer allgemeinen Verwendbarkeit und ihrer Erweiterungsfähigkeit zu Bandsperren mit an sich beliebig steilen Dämpfungsflanken gut bewährt, jedoch sind diese Schaltungen für eine Reihe von speziellen Anwendungsfällen mit geringeren Anforderungen an die Sperrdämpfung noch zu aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den erwähnten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise abzuhelfen! insbesondere sollen Quarzbandsperren angegeben werden, bei (Jenen zur Übersetzung der Quarzimpedana

VPl 9/647/1002

Übertrager erforderlich sind und außerdem sollen störende Obertöne bei Verwendung von Grundtonschwingern oder der Grundton bei Verwendung von Obertonschwingern ohne Einfluß auf die Übertragungseigenschaften sein. Darüber hinaus soll die Sperrdämpfung möglichst proportional zur Quarzzahl wachsen und die Entzerrung soll durch Zuschalten ohmscher Widerstände möglich sein.

Ausgehend von einer Bandsperre für elektrische Schwingungen, die in Form eines Allpaßgliedes vierter Ordnung als überbrücktes T-Glied ausgebildet ist, in dessen Längszweigen Serienresonanzkreise angeordnet sind und in dessen Querzweig und Überbrückungszweig jeweils ein Parallelre- ^ sonanzkreis liegt, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß den Kondensatoren der Längsserienschwingkreise Quarze parallel geschaltet sind, und das Impedanzniveau der Schaltung durch eine kapazitive Widerstandsübersetzung an die Impedanz der Quarze angepaßt ist.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigen in der Zeichnung:

Fig.1 ein Allpaßglied zweiter Ordnung;

Fig.2 ein Allpaßglied vierter Ordnung;

Fig.3 den Blindwiderstandsverlauf für den Kurzschluß- und Leerlauffall des halben Gliedes einer Schaltung nach Fig.2;

Flg.4 eine Bandsperre gemäß der Erfindung;

Fig.5 eine weitere Ausfuhrungsform einer Bandsperre gemäß der Erfindung.

VPA 9/647/1002 _ 4 _

309812/0425

2U57D3

Im Gegensatz zu den durch die deutsche Patentschrift 1 268 289 bzw. den durch die deutsche Offenlegungsschrift i 948 802 bekanntgewordenen Schaltungen geht man bei der erfindungsgemäßen Schaltung nicht von einem aus strengen Weichen bestehenden Weichenallpaß mit gerader charakteristischer Funktion aus, sondern von dem in Fig»1 dargestellten'Allpaßglied zweiter Ordnung. Dieses Allpaßglied besteht aus einer überbrückten T-Schaltung, in deren Längszweigen die Spulen L und in deren Querzweig der Kondensator 2C liegt. Im Überbrückungszweig liegt der Kondensator c/2. Durch eine sogenannte Tiefpaß-Bandpaßtransformation, wie dies durch den Pfeil !EP/BP kenntlich gemacht ist, wird das Allpaßglied zweiter Ordnung gemäß Fig.1 umgewandelt in ei-n Allpaßglied vierter Ordnung gemäß Pig.2. Ein solches Allpaßglied ist beispielsweise in dem Aufsatz "Vierpole für Reaktanz-Allpässe der vierten Ordnung und ihre Realisierungsbedingungen" in der Zeitschrift "Frequenz", 1970, Heft 6, Seiten 167 bis 173, insbesondere Seite 171, erwähnt. Es ist als überbrücktes T-Glied ausgebildet, in dessen Längszweigen die Serienresonanzkreise mit den Kondensatoren Cp und den Spulen L₂ liegen, v/ährend im Querzweig und im Überbrückungszweig je ein Parallelresonanzkreis angeordnet ist. Der Parallelresonanzkreis im Quer-, zweig besteht aus der Spule L../2 und dem Kondensator 2C-, der Parallelresonanzkreis im Überbrückungszweig besteht aus der Spule 2L₁ und dem Kondensator C../2. Sämtliche Resonanzkreise sind auf die Resonanzfrequenz f bzw. die zugehörige Kreisfrequenz ω abgestimmt.

In Fig.3 ist der Verlauf des Leerlauf- und Kurzschlußwiderstandes Xg. bzw. Χχ als gestrichelte bzw. ausgezogene Kurve in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz ω dargestellt. Für die Bemessung der Schaltelemente des Ällpaßgliedes. vierter Ordnung gemäß Fig.2 gelten die folgenden Formeln:

^L2 ⁼ ^₂

VPA 9/647/1002 - 5 -

309812/0425

wo~bei A = ^^ωσ·ι/^ωΓη ~^(uca'^ωε1''
Z S=. Wellenwiderstand,
ω - Resonanzfrequenz.

Sämtliche Resonanzfrequenzen ω sind gleich und werden auf die Mittenfrequenz der Quarzbandsperre gelegt. Zur Steuerung des Cp/Cq-Verhältnisses bzw. zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses bleibt als freier Parameter die Allpaßresonanzfrequenz W₁ bzw. das zu ω .. spiegelbildliche ω ρ·

Bei der Wahl von (U₁ ist zu beachten, daß die laufzeitbe-

g ι
dingte Verlustdämpfung durch zu dichtes Heranrücken von ω an ω nicht zu groß wird. Andererseits wird durch gerin- ( gen Abstand von ω .. und ω - also durch Erhöhung der Laufzeitmaxima - ein großes Cp/Cq-Verhältnis der Quarze und eine hohe Übersetzung sowie eine starke Nebenwellenunterdrückung möglich. Im allgemeinen dürfte der Abstand von ω * zu ω mit 20 ... 40 5S bezogen auf ω beiden Forderungen gerecht werden.

Durch Einbeziehen von Schwingquarzen in die Allpaßschaltung gemäß Fig.2 entsteht die erfindungsgemäße Bandsperrenschaltung gemäß Fig.4· Wie ein Vergleich der beiden Schaltungen zeigt, sind die Werte der Schaltelemente im Überbrückungszweig sowie auch die Induktivität der Spule Lp der ^ in den Längszweigen liegenden Serienresonanzkreise gleichgeblieben. Den Kondensatoren der LängsSerienschwingkreise sind die Quarze Q₁ und Q₂ parallel geschaltet. Das Impedanzniveau der Schaltung wird durch eine kapazitive Widerstandsübersetzung an die Impedanz der Quarze Q₁ und Q₂ angepaßt. Aus diesem Grund erscheint im Querzweig der

t 2 /
Schaltung die Spule L₁=L₁U /2, der der Kondensa-

1 P

tor Cj=2(Cj-C₂(ü-1))/ü parallel geschaltet ist. Die Kondensatoren der Längsserienschwingkreise nehmen den Wert Cp/ü an und die zur kapazitiven Widerstandsübersetzung

Il

schließlich noch erforderlichen Kondensatoren C₁, die

VPA 9/647/1002 - 6 -

309812/0425

einerseits am gemeinsamen Bezugspotential B liegen und andererseits an den Verbindungspunkt der im Längszweig liegenden Spule L₀ mit dem Kondensator C_o/ü angeschaltet sind, haben den Wert C₁=Cp (ü-1)/ü. Eine dreiwertige Quarzsperre erhält man in der Weise, daß dem aus der Parallelschaltung der Spule L. und dem Kondensator Cj bestehenden Querzweig ein weiterer Schwingquarz Q-, parallel geschaltet wird, wie dies in I*ig.4 gestrichelt angedeutet ist. Zur Entzerrung bzw. Entdämpfung kann weiterhin die im Überbrückungszweig liegende Spule .2L₁ mit einer Mittelanzapfung versehen werden, an die ein Widerstand R₁ an das gemeinsame Bezugspotential B geschaltet wird. Weiterhin kann, im Überbrückungszweig wenigstens ein Widerstand Rp in Serie zum dort liegenden Parallelresonanzkreis geschaltet werden, gelegentlich wird man aus Symmetriegründen zu beiden Seiten des Parallelresonanzkreises C.,/2 und 2L₁ die Widerstände R^ vorsehen.

Der den Allpaß bestimmende Faktor A, der durch ω und ω gegeben ist, wird nach den im vorigen Abschnitt beschriebenen Gesichtspunkten .gewählt. Anschließend ist das für die Widerstandstransformation erforderliche ü bzw. der zwischen Quarzparallel- und -Serienresonanz (ω und ω ) liegende Abstand Δω = (ω -ω ), der die Sperrbandbreite bestimmt, zu ermitteln. Bei' gegebener Quarzinduktivität L ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis ü=2AAcoqL /Z. Die mit einem vorgegebenen Abstand Δω maximal erzielbare Sperrdämpfung a, ist durch die im folgenden noch angegebenen Beziehungen bestimmt.

Bei einer Sperre gemäß Fig.4-_f die nur mit den Quarzen Q₁ und Qg ausgerüstet ist, läßt sich die folgende maximale Sperrdämpfung a, _mnv erzielen.

U lllaX.

9/647/1002 - 7 -

309812/0425

2U5703

Unter der Annahme	gleicher	Quarze	mit ω	P=W00	O	ist
RT			r	2
ab max = ln i# [	i*A2(ü-ir	- + I	In 1 +	A2'(

-ψ]

mit B = 4Q% (-^r bzw. R «4QL· ω (^) ^

■ ^- CD ^ ^ OO

wobei Q die Quarzgüte und R₀₁ der Serienverlustwiderstand des Quarzes ist.

Die erreichbare Sperrdämpfung ist stark von ü abhängig, welches zwischen ü=1 und ü =(1+1/A ) liegen kann. Da

IJl et Λ.

bei ü=1 der zwischen den Quarzparallelkreisen verbleibende Blindwiderstand (L..,C.) für ω^ hochohmig wird, wirkt hier die 2-quarzige Sperre so, als wären die beiden Quarzkreise in Reihe geschaltet, d.h. die Sperrdämpfung wächst nur mit dem Logarithmus der Quarzzahl.

Pur ü=1 ist a, „„ =ln R„/Z, die Schaltung also nicht zweck-

D Πι 3,X C[

mäßig. Erst wenn ü >1 wird, kann eine proportional zur Quarzzahl zunehmende Sperrdämpfung erreicht werden, weil dann der zwischen den Quarzkreisen liegende Blindwider-

I I

stand (L₁₁C₁) für ω einen endlichen Wert besitzt.

Die Auswertung der !Formel für a, _mnv zeigt, daß im Bereich üA51,6 bis ü_m_„ die Sperrdämpfung annähernd proportional

IuclX

der Quarzzahl ist. Das Maximum der Dämpfung wird bei gegebener Bandbreite für ü=2 erreicht.

Schaltet man zwischen die beiden Längsquarze noch den in Pig.4 mit Q, bezeichneten Querquarz, so ist die Forderung nach einem möglichst niederohmigen Restblindwiderstand (oder ü >1), zwischen den Längsquarzen hinfällig, da an dieser Stelle dann der niederohmige Serienverlust-

VPA 9/64t/iOO2 - 8 -

309812/0425

2H5703

widerstand des Quarzes liegt. Unter der Voraussetzung, daß die Quarzparallelresonanzen der Längskreise und die Serienresonanz des Querquarzes bei oü„ liegen sowie alle drei Quarze gleiche Induktivitäten haben, ist die hierbei erzielbare maximale Sperrdämpfung a!

.D

«4

U U

^ab max^^{5 ln} 3Αω /w_ro+ln8[VAü+A(ti-i)²/ii|.

Die Auswertung der Formel ergibt, daß die Sperrdämpfung von derartigen Sperren mit drei Quarzen für alle ü annähernd proportional mit der Quarzzahl wächst.

Bei der beschriebenen Bandsperre sind die durch Verluste verursachten Dämpfungsverzerrungen vorwiegend durch den Abstand zwischen ω und ω * bestimmt. Sie sind wegen der bei diesen Anwendungsfällen großen Abstände relativ klein und langwellig. Die Entzerrung erfolgt zum Teil durch den im Bandsperrenzweig liegenden, den Parallelkreis entdämpfenden Widerstand R₁. Sie kann aber durch Zuschalten von Längswiderständen Rp, deren Einfügungsdämpfung die Größe der Restverzerrung hat, wesentlich verbessert werden. Erd- und Wickelkapazitäten können im wesentlichen in die Allpaßelemente einbezogen werden, was bei hohen Frequenzen ebenso von Vorteil ist, wie das Fehlen von Übertragerstreuinduktivitäten.

Zwar kann die Schaltung nach Fig.4 nicht in allen Fällen die durch die deutsche Patentschrift 1 268 289 bzw. die durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 948 802 bekanntgewordenen Schaltungen ersetzen, jedoch ergibt sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme eine wesentlich weniger aufwendige Allpaß-Weichenschaltung, deren Bandsperrenzweig

VPA 9/647/1002 - 9 -

309812/0425

2U5703

- ir -9

nur noch vom Grad 2 ist, während bei der bekannten Schaltung der Grad 4 erforderlich ist. Die Quarze werden nicht wie bei der bekannten Schaltung in zusätzlich geschaltete quarzgestörte Tief- oder Allpässe, sondern direkt in.den Bandpaßzweig des Allpaßgliedes vierter Ordnung einbezogen. Es kann weiterhin je ein Quarz den Bandpaß-Längskondensatoren und dem Bandpaß-Querparallelkreis parallel geschaltet werden, wodurch sich dann eine ein-, zwei- oder dreiwertige Quarzbandsperre ergibt, deren Sperrdämpfung proportional mit der Quarzzahl wächst. Die Obersetzung der Quarzimpedanz an das Impedanzniveau der Schaltung kann darüber hinaus kapazitiv an den Bandpaß-Längskondensatoren erfolgen. Nebenwellen, insbesondere störende Grund- und Obertäne fallen in den Bandpaßsperrbereich und verursachen so eine vernach.lässigbare Störung des Durchlaßbereiches der Gesamtschaltung.

Bei Bandsperren mit drei Schwingquarzen, die im allgemeinen .Sperrdämpfungen von mehr als 5 Neper aufweisen, kann es zweckmäßiger· sein, statt der in Fig.2 beschriebenen Allpaßgrundschaltung die in der deutschen Offenlegungs- . schrift 1 948 802 angegebene Grundschaltung, die im Sperrenzweig des Weiehenallpasses drei LC-Sperrpole und dadurch eine höhere Sperrdämpfung bei der Frequenz ω aufweist, zu verwenden und diese in der gleichen Weise, wie in Fig.4 angegeben, mit Quarzen zu versehen.

Auf diese Weise entsteht dann eine Bandsperre, wie sie in Fig.5 dargestellt ist. Diese Bandsperre ist als DopjPel-T-Sohaltung ausgebildet, bei der der Parallelschwingkreis im Überbrückungszweig in zwei Parallelschwingkreise unterteilt ist, zwischen denen ein Serienschwingkreis an das gemeinsame Bezugspotential B geschaltet ist. Ein Vergleich der Schaltungen nach den Fig.4 und 5 läßt den im wesentlichen gleichen Aufbau der beiden Schaltungen er kennen, so daß im einzelnen nicht mehr darauf eingegangen

VPA 9/647/1002 - 10 -

309812/0425

werden muß. Unterschiedlich gegenüber der Schaltung nach TJLg-4 ist in der Schaltung nach Fig.5 die Ausgestaltung des Überbrückungszweiges, der in zwei in Serie geschaltete Parallelresonanzkreise 5 unterteilt ist. Zwischen den beiden Parallelresonanzkreisen 5 ist ein Serienresonanzkreis 6 an. das gemeinsame Bezugspotential B geschaltet. Wie in der Schaltung nach Mg.4 können auch bei der Schaltung nach Mg.5 zur Entzerrung im Überbrückungszweig die ohmschen Widerstände R2 in Serie zu den Parallelresonanzkreisen 5 geschaltet sein. Weiterhin ist es möglich, die Spulen der im Überbrückungszweig liegenden Parallelresonanzkreise 5 mit einer Mittelanzapfung zu versehen und von dieser aus einen Widerstand auf das gemeinsame Bezugspotential B zu schalten.

5 Patentansprüche
5 Figuren

YPA-9/647/1002 - 11 -

309812/0425

Claims (4)

1. - cH -

   Patentansprüche

   4-ί¹ Bandsperre für elektrische Schwingungen, die in Form eines Allpaßgliedes vierter Ordnung als überbrücktes T-G-lied ausgebildet ist, in dessen Längszweigen Serienresonanzkreise angeordnet sind und in dessen Querzweig und Überbrückungszweig jeweils ein Parallelresonanzkreis liegt, dadurc.h gekennzeichnet, daß den Kondensatoren (Cp/ü) der Längsserienschwingkreise Quarze (Q₁,Qp) parallel geschaltet sind, und das Impedanzniveau der Schaltung durch eine kapazitive Widerstandsübersetzung (C!j ,C₁ ¹ ,C₂/ü) an die Impedanz der Quarze (Q₁₅Qp) angepaßt ist.
2. 2. Bandsperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dem Querzweig ein weiterer Quarz (Q-,) parallel geschaltet ist.
3. 3. Bandsperre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Spule (2L₁) des im Überbrückungszweig liegenden Parallelresonanzkreises (2L-JjC₁/^) eine Mittelanzapfung aufweist, an der ein ohmscher Widerstand (R₁) gegen das gemeinsame Bezugspotential (B) geschaltet ist.
4. 4. Bandsperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß im Überbrückungszweig in Reihe zum Parallelresonanzkreis (2L-JjC-../2) ein bzw. zwei ohmsche Widerstände (R₂) geschaltet sind.

   5· Bandsperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Doppel-T-Schaltung, bei der der Parallelschwingkreis im Überbrückungszweig in zwei Parallelschwing-

   VPA 9/647/1002 - 12 -

   309812/0425

   2.H5703

   kreise (5) unterteilt ist, zwischen denen ein Serienschwinglrreis an das gemeinsame Bezugspotential (B) geschaltet ist.

   VPA 9/64 7/100?

   309812/0425