DE2145703B2 - Bandsperre für elektrische Schwingungen unter Verwendung von Quarzen und kapazitiven Widerstandsübersetzungen in Form eines als überbrücktes T-Glied ausgebildeten Allpaßgliedes vierter Ordnung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Bandsperre Tür elektrische Schwingungen, die unter Verwendung von Quarzen und kapazitiven Widerstandsübersetzungen 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 Parallelresonanzkreis liegt.

Die zur Regelung und überwachung von Trägerfrequenzsystemen notwendigen Steuersignale, die sogenannten Pilotsignale, müssen bekanntlich am Ende einer Ubertragungsstrecke 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 bekanntgeworden sind. Bei diesen Schaltungen werden zur übersetzung der Quarzimpedanz an das Widerstandsniveau der übrigen Schaltung übertrager verwendet, jedoch sind diese Schaltungen zur Nebenwellenunterdrückung nur bedingt brauchbar und insbesondere sind die übertrager beim Einsatz derartiger Bandsperren in Trägerfrequenzsystemen 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 Patentschrift 1 268 289 bzw, die deutsche Offenlegungsschrift 1 948 802 bekanntgeworden sind.

Da bei den derzeit zum Einsatz kommenden breitbandigen Trägerfrequenzsystemen die obere Ubertragungsgrenze 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 Grundtons sowie eine kapazitive übersetzung der Quarzimpedanz ermöglichen.

In diesem Zusammenhang ist zur Unterdrückung von Nebenwellen beispielsweise durch die deutsche Auslegeschrift 1 142 424 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 durch Quarzbandsperren, bei denen zur übersetzung der Quarzimpedanz keine übertrager erforderlich sind und außerdem störende Obertöne bei Verwendung von Grundtonschwingern oder der Grundton bei Verwendung von Obertonschwingern ohne Einfluß auf die Ubertragungseigenschaften sind. 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 unter Verwendung von Quarzen und kapazitiven Widerstandsübersetzungen 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 Parallelresonanzkreis liegt, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Quarze den Kondensatoren der Längsserienschwingkreise parallel geschaltet sind, und die kapazitive Widerstandsübersetzung derart gewählt ist, daß das Impedanzniveau der Schaltung an die Impedanz der Quarze angepaßt ist.

An Hand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt in der Zeichnung
F i g. I ein Allpaßglied zwuter Ordnung, F i g. 2 ein Allpaßglied vierter Ordnung, F i g. 3 den Blindwiderstandsverlauf für den Kurzschluß- und Leerlauffall des halben Gliedes einer Schaltung nach F i g. 2,

F i g. 4 eine Bandsperre gemäß der Erfindung, F i g. 5 eine weitere Ausführungsform einer Bandsperre gemäß der Erfindung.

Im Gegensatz zu den durch die deutsche Patentschrift 1 268 289 bzw den durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 948 802 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 der, η Querzweig der Kondensator IC liegt. Im Uberbrückungszweig liegt der Kondensator C/2. Durch eine sogenannte Tiefpaß-Bandpaßtransformation, wie dies durch den Pfeil TPIBP kenntlich gemacht ist, wird das Allpaßglied zweiter Ordnung gemäß F i g. 1 umgewandelt in ein Allpaßglied vierter Ordnung gemäß F i g. 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, S. !67 bis 173. insbesondere S. 171, erwähnt. Es ist als überbrücktes T-Glied ausgebildet, in dessen Längszweigen die Serienresonanzkreise mit den Kondensatoren C₂ und rücken von »»„, an <»_m nicht zu groß wird. Andererseits wird durch geringen Abstand von (u_Hl und m_x. — also durch Erhöhung der Laufzeitmaxinui — ein großes Cp/Cq-Verhältnis der Quarze und eine hohe

übersetzung sowie eine starke Nebenwellenunterdrückung möglich. Im allgemeinen dürfte der Abstand von Hi₉I zu (U₁₃₀ mit 20 ... 40% bezogen auf Iu₃ beiden Forderungen gerecht werden.
Durch Einbeziehen von Schwingquarzen in die

ίο Allpaßschaltung gemäß Fi g. 2 entsteht die erfindungsgemäße Bandsperrenschaltung gemäß Fig. 4. Wie tin Vergleich der beiden Schaltungen zeigt, sind die Werte der Schaltelemente im Uberbrückungszweig sowie auch die Induktivität der Spule L₂ der in den

Längszweigen liegenden Serienresonanzkreise gleichgeblieben. Den Kondensatoren der Längsserienschwingkreise sind die Quarze Q₁ und Q₁ parallel geschaltet. Das Impedanzniveau der Schaltung wird durch eine kapazitive Widerstandsübersetzung an

ίο die Impedanz der Quarze Q₁ and Q₂ angepaßt. Aus diesem Grund erscheint im Quetiweig der Schaltung die Spule

Ik =£-,üV2,

de»; der Kondensator

C₁ = 2(C₁ - C₂[U - l])/«²

parallel geschaltet ist. Die Kondensatoren der Längsserienschwingkreise nehmen den Wert C₂/ü an und die zur kapazitiven Widerstandsübersetzung schließlich noch erforderlichen Kondensatoren C₁". die einerseits am gemeinsamen Bezugspotential B liegen und andererseits an den Verbindungspunkt der im Längszweig liegenden Spule L₂ mit dem Kondensator

• · · J-- TtI 4.

den Spulen L₂ liegen, während im Querzweig und im 35 C₂/ü angeschaltet sind, haben den Wert

C₁" = C₂(U- l)/ü.

Uberbrückungszweig je ein Parallelresonanzkreis angeordnet ist. Der Parallelresonanzkreis im Querzweig besteht aus der Spule L₁Jl und dem Kondensator 2 C₁, der Parallelresonanzkreis im Uberbrückungszweig besteht aus der Spule IL₁ und dem Kondensator C, /2. Sämtliche Resonanzkreise sind auf die Resonanzfrequenz /„ bzw. die zugehörige Kreisfrequenz (U₀₀ abgestimmt.

In F i g. 3 ist der Verlauf des Leerlauf- und Kurzschlußwiderstands X_K bzw. X₁ als gestrichelte bzw. ausgezogene Kurve in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz id dargestellt. Für die Bemessung der Schaltelemente des AllpaGgliedes vierter Ordnung gemäß Fi g. 2 gelten die folgenden Formeln:

L₁ = Z/l/

C₁ =

wobei

L₂ = ZI(r,_TA), C₂ =

A = («»,ι/"»,, - "J₀₀Au₉₁) Z = Wellenwiderstand, U₃₀ = Resonanzfrequenz.

Sämtliche Resonanzfrequenzen ₀₀ werden auf die Mittenfrequenz der Quarzbandsperre gelegt. Zur Steuerung des Cp/Gj-Verhältnisses bzw. zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses bleibt als freier Parameter die Allpaßresonanzfrequenz ί»_β, bzw. das zu «u spiegelbildliche m_g2.

Bei der Wahl von n>_gi ist zu beachten, daß die laufzeitbedingte Verlustdämpfung durch zu dichtes Heran-Eine dreiwertige Quarzsperre erhält man in der Weise, daß dem aus der Parallelschaltung der Spule L', und dem Kondensator C₁ bestehenden Querzweig ein weiterer Schwingquarz Q₃ parallel geschaltet wird, wie dies in Fig. 4 gestrichelt angedeutet ist. Zur Entzerrung bzw. Entdämpfung kann weiterhin die im Uberbrückungszweig liegende Spule 2L₁ mit einer Mittelanzapfung versehen werden, an die ein Widerstand R₁ an das gemeinsame Bezugspotential B geschaltet wird. Weiterhin kann im Uberbrückungszweig wenigstens ein Widerstand R₂ 'ⁿ Serie zum

dort liegenden Parallelresonanzkreis gescha'tet werden, gelegentlich wird man aus Symmetriegründen zu beiden Seiten des Parallelresonanzkreises C₁ '2 und 2L₁ die Widerstände R₂ vorsehen. Der den Allpaß bestimmende Faktor A, der durch

mg und H)_x gegeben ist, wird nach den im vorigen Abschnitt beschriebenen Gesichtspunkten gewählt. Anschließend ist das für die Widerstandstransformation erforderliche ä bzw. der zwischen Quarzparallel- und -Serienresonanz (ω_ρ und i»_q) liegende Abstand

l(u„ = ((U_n — IH₁₁), der die Sperrbandbreite bestimmt. Bei gegebener Quarzinduktivität L₁₁ ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis

q \'"p

sind gleich und zu ermitteln.

U=IA I mi/ LJZ.

Die mit einem vorgegebenen Abstand \m maximal erzielbare Sperrdämpfung a_hmux ist durch die im folgenden noch angegebenen Beziehungen bestimmt.

Bei einer Sperre gemäß Fi g. 4. die nur mit den Quarzen @, und Q₁ ausgerüstet ist, läßt sich die fol- !cndc maximale Sperrdämpfung a_hmilx erzielen.

Unter der Annahme gleicher Quarze mit /·.,, = «■>, si

wobei Q die Quarzgüte und R₅ der Serienverlustwiderstand des Quarzes ist.

Die erreichbare Sperrdämpfung ist stark von ü abhängig, welches zwischen

ü = 1 und ü_max = (1 + Ι/Λ²)

liegen kann. Da bei ü = 1 der zwischen den Quarzparallelkreisen verbleibende Blindwiderstand [L_x. C^) für in.,, hochohmig wird, wirkt hier die 2-c|uarzige Sperre so. als wären die beiden Quarzkreise in Reihe geschaltet, d. h. die Sperrdämpfung wächst nur mit dem Logarithmus der Quarzzahl.

Für ü - I ist a_hmax = In RJZ, die Schaltung also nicht zweckmäßig. Erst wenn ü > 1 wird, kann eine proportional zur Quarzzahl zunehmende Sperrdämpfung erreicht werden, weil dann der zwischen den Quarzkreisen liegende Blindwiderstand (L',. C₁') für M^ einen endlichen Wert besitzt.

Die Auswertung der Formel für a_bmax zeigt, daß im Bereich ϋϊ 1.6 bis ü_max die Sperrdämpfung annähernd proportional der Quarzzahl ist. Das Maximum der Dämpfung wird bei gegebener Bandbreite für ü = 2 erreicht.

Schaltet man zwischen die beiden Längsquarze noch den in F i g. 4 mit Q₃ 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 Serien verlust widerstand des Quarzes liegt. Unter der Voraussetzung, daß die Quarzparallelresonanzen der Längskreise und die Serienresonanz des Querquarzes bei (O₀₀ liegen sowie alle drei Quarze gleiche Induktivitäten haben, ist die hierbei erzielbare maximale Sperrdämpfung a'_bmüX

^abmax ~

'*-+ In8[lMfi + A(U- if/U].

Die Auswertung der Formel ergibt, daß die Sperrdämpfiing von derartigen Sperren mit drei Quarzen für alle i'i annähernd proportional mit der Quarzzahl wuchst.

Bei der beschriebenen Bandsperre sind die durch Verluste verursachten Dämpfungsverzerrungen vor-

fi wiegend durch den Abstand zwischen <n_T und «>_ei bestimmt. Sie sind wegen der bei diesen Anwendungsfällen großen Abstände relativ klein und langwellig. Die Entzerrung erfolgt zum Teil durch den im Bandspcrrenzweig liegenden, den Parallelkreis entdampfenden Widerstand R₁. Sie kann aber durch Zuschalten von Längswiderständen R₂, 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 Ubertragerstreuinduktivitäten.

Zwar kann die Schaltung nach F i g. 4 nicht in allen Fällen die durch die deutsche Patentschrift I 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 AIlpaü-Weichenschaltung, deren Bandsperrenzweig 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

yo 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 übersetzung der Quarzimpedanz an das Impedanzniveau der Schaltung kann darüber hinaus kapazitiv an den Bandpaß-Längskondensatoren erfolgen. Nebenwellen, insbesondere störende Grund- und Obertöne fallen in den Bandpaßsperrbereich und verursachen so eine vernachlässigbare Störung des Durchlaßbereichs der Gesamtschaltung.

Bei Bandsperren mit drei Schwingquarzen, die im allgemeinen Sperrdämpfungen von mehr als 5 Neper aufweisen, kann es zweckmäßiger sein, statt der in F i g. 2 beschriebenen Allpaßgrundschaltung die in der deutschen Offenlegungsschrift I 948 8^2 angegebene Grundschaltung, die im Sperrenzweig des Weichenallpasses drei LC-Sperrpole und dadurch eine höhere Sperrdämprang bei der Frequenz ω „ aufweist, zu verwenden und diese in der gleichen Weise, wie in F i g. 4 angegeben, mit Quarzen zu versehen.

Auf diese Weise entsteht dann eine Bandsperre wie sie in F i g. 5 dargestellt ist. Diese Bandsperre isl als Doppel-T-Schaltung ausgebildet, bei der dei Parallelschwingkreis im überbrückungszweig in zwe Parallelschwingkreise unterteilt ist, zwischen dener ein Serienschwingkreis an das gemeinsame Bezugs potential B geschaltet ist. Ein Vergleich der Schaltun gen nach den F i g. 4 und 5 läßt den im wesentlicher gleichen Aufbau der beiden Schaltungen erkennen so daß im einzelnen nicht mehr darauf eingegangei werden muß. Unterschiedlich gegenüber der Schal tung nach F i g. 4 ist in der Schaltung nach Fig.:

die Ausgestaltung des überbriickungszweiges, der ii zwei in Serie geschaltete Parallelresonanzkreise ! unterteilt ist. Zwischen den beiden Paraüelresortan* kreisen 5 ist ein Serienresonanzkreis 6 an das gemein

same Bezugspotential B geschaltet. Wie in der Schaltung nach F i g. 4 können auch bei der Schaltung nach Fi g. 5 zur Entzerrung im Uberbrückuiigszweig die ohmschen Widerstände R 2 in Serie zu den Parallelreson'xnzkreisen 5 geschaltet sein. Weiterhin ist es möglich, die Spulen der im Uberbrückungszweig liegenden Parallelresonanzkreise 5 mit einer Mittelanzapfung zu versehen und von dieser aus einen Widerstand auf das gemeinsame Bezugspolential B zu schalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Bandsperre für elektrische Schwingungen, die unter Verwendung von Quarzen und kapazitiven Widerstandsübersetzungen 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 Parallelresonanzkreis liegt, dadurch ge- _[0 kennzeichnet, daß die Quarze (Q₁, Q₂) den Kondensatoren(C₂/ü)derLängsserienschwingkreise (L₂; C₂IQ) parallel geschaltet sind, und die kapazitive Widerstandsubersetzung (C,', C₁", C₁Iu) derart gewählt ist, daß das Impedanzniveau der Schaltung an die Impedanz der Quarze (Q₁, Q₂) angepaßt ist.

2. Bandsperre nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß dem Querzweig (C₁, L\) ein weiterer Quarz (Q₃) parallel geschaltet ist.

3. Bandsperre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (2L₁) des im Überbrückungszweig liegenden Parallelresonanzkreises (2L₁, C₁/2) eine Mittelanzapfung aufweist, an der ein ohmscher Widerstand (R₁) gegen das gemeinsame Bezugspotential (B) geschaltet ist.

4. Bandsperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Überbrückungszweig in Reihe zum Parallelresonanzkreis (2L₁, C₁/2) ein odor zwe" ohmsche Widerstände (R₁) geschaltet sind

5. Bandsperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Doppel-T-Schaltung, bei der der Parallelschwingkreis (2L₁, Ci/2) im Überbrückungszweig in zwei Parallelschwingkreise (5) unterteilt ist, zwischen denen ein Serienschwingkreis (6) an das gemeinsame Bezugspotentiai (B) geschaltet ist.