DE2145703C3

DE2145703C3 - Bandsperre für elektrische Schwingungen unter Verwendung von Quarzen und kapazitiven Widerstandsübersetzungen in Form eines als überbriicktes T-Glied ausgebildeten Allpaßgliedes vierter Ordnung

Info

Publication number: DE2145703C3
Application number: DE2145703A
Authority: DE
Inventors: Heinz 8000 Muenchen Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-09-13
Filing date: 1971-09-13
Publication date: 1974-08-15
Also published as: JPS5236667B2; SE411503B; DE2145703A1; JPS4838646A; IT967368B; FR2153950A5; DE2145703B2; GB1409115A; NL156872B; NL7212444A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Bandsperre für elektrische Schwingungen, die unter Verwendung von Quarzen und kapazitiven Widerstandsübersetzungen in Form eines Allpaßgliedes vierter Ordnung als überbrücktes T-G!ied ausgebildet ist, in dessen Längszweigen Serienresonanzkreise angeordnet sind und in dessen Quer zweig und Uberbrückungszweig 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 1268 289 bzw. die deutsche Offeiilegungsschrift 1948 802 bekanntgeworden

Da bei den derzeit zum Einsatz kommenden breitbandigen Trägerfrequenzsystemen die obere Übertragungsgrenze bei etwa 60 MHz Hegt, 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 sii:h diese Schaltungen wegen ihrer allgemeinen Verwendbarkeit und ihrer Erweiterungsfahigkeit 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 Übertragungseigenschaften 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 Uberbrückungszweig 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
Fi g. 1 ein Allpaßglied zweiter Ordnung,
Fi g. 2 ein Allpaßglied vierter Ordnung,

Fig. 3 den Blind widerstandsverlauf Tür den Kurzschlußund Leerlauffall des halben Gliedes einer Schaltung nach F ig. 2,
Fi g. 4 eine Bandsperre gemäß der Erfindung,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Bandsperre gsaiäß der Erfindung.

Im Gegensatz zu den durch die deutsche Patentschrift 1 268 289 bzw. den durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 548 802 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. Diese? Allpaßglied besteht aus einer überbrückten T-Schaltung, in deren ±» Längszweigen die Spulen L und in deren Querzweig der Kondensator 2 C liegt. Im Uberbrückungszweig liegt der Kondensator C/2. Durch eine sogenannte Tiefpaß-Bandpaßtransformation, wie dies durch den Pfeil TP/BP kenntlich gemacht ist, wird das Allpaßglied zweiter Ordnung gemäß F i g. 1 umgewandelt in ein Allpaßglied vierter Ordnung gemäß Fig. 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. 167 bis 173, insbesondere S. 171, erwähnt. Es ist als überbrücktes T-Glied ausgebildet, in dessen Längszweigen die Serienresonanzkreise mit den Kondensatoren C₂ und den Spulen L₂ liegen, während im Querzweig und im Überbrückungszweig je ein Parallelresonanzkreis angeordnet ist. Der Parallelresonanzkreis im Qnerzweig besteht aus der Spule L, /2 und dem Kondensator 2 C₁, der Parallelresonanzkreis im überbrückungszweig besteht aus der Spule 2L₁ und dem Kondensator C₁ /2. Sämtliche Resonanzkreise sind auf die Resonanzfrequenz /„ bzw. die zugehörige Kreisfrequenz <-.„ abgestimmt.

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

L₁ = L₂ =

C, = l/(o²„L,
C₂ = IAo^L₂

Λ = ("VΛ"» - <·'*>/">_βι) Z = Wellenwiderstand,
)₀₀ = Resonanzfrequenz.

Sämtliche Resonanzfrequenzen ι«>_α. sind gleich und werden auf die Mittenfrequenz der Quarzbandsperre gelegt. Zur Steuerung des Cp/Cq-Verhällnisses bzw. zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses bleibt als freier Parameter die Allpaßresonanzfrequenz t»_gl bzw. das zu «y spiegelbildliche ω_β2-

Bei der Wahl von o>_gl ist zu beachten, daß die laufzeitbedingte Verlustdämpfung durch zu dichtes Heranrücken von <o_gl an cu_m nicüt zu groß wird. Andererseits wird durch geringen Abstand von w_fl und ω^ — also durch Erhöhung der Laufzeitmaxima — ein großes Cp/Q-Verhältnis der Quarze und eine hohe übersetzung sowie eine starke Nebenwellenunterdrückung möglich. Im allgemeinen dürfte der Abstand von CU₉₁ zu OJ₀₀ mit 20 ... 40% bezogen auf ^₀₀ beiden Forderungen gerecht werden.

Durch Einbeziehen von Schwingquarzen in die Allpaßschaltung gemäß F i g. 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 L₂ 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 Schaltung die Spule

L₁ =i

der der Kondensator

C; = 2(C₁ - C₂[U - l])/ü²

parallel geschaltet ist. Die Kondensatoren der Längsserienschwingkreise nehmen den Wert C₂Ai 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 C₂ /ü angeschaltet sind, haben den Wert

C₁" = C₂(U - l)/ö.

Eine dreiwertige Quarzsperre erhält man in der Weise, daß dem aus der Parallelschaltung der Spule L₁ und dem Kondensator C\ 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 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 R₂ in Serie zum dort liegenden Parallelresonanzkreis geschaltet 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

(o. und (O₀₀ 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 w_q) liegende Abstand

\<,_lq = (<n_r - (O₁₁), der die Sperrbandbreite bestimmt,

„_H (_r ₁₁), p

zu ermitteln. Bei gegebener Quarzinduktivität L₁₁ ergibt sich ein übersetzungsverhältnis

ü = 2A.\mqL_q/Z.

Die mit einem vorgegebenen Abstand . Im. maximal erzielbare Sperrdämpfung a_hmax ist durch die im folgenden noch angegebenen Beziehungen bestimmt.

Bei einer Sperre gemäß Fig. 4, die nur mit den Quarzen Q₁ und Q₂ ausgerüstet ist, läßt sich die folgende maximale Sperrdämpfung a_hmax erzielen.

Unter der Annahme gleicher Quarze mit «>_p = O₀₀ ist

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

Die erreichbare Sperrdämpfung ist stark von ü abhängig, welches zwischen

ü = 1 und ü_max = (1 + l/A²)

liegen kann. Da bei ü = 1 der zwischen den Quarzparallelkreisen verbleibende Blindwiderstand (L₁, C,) für Cu₀₀ 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.

Für ü = 1 ist a_bmax = 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 (L₁, C₁') für O)₀₀ einen endlichen Wert besitzt.

Die Auswertung der Formel für a_hmax zeigt, daß im Bereich ü * 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 (>₃ bezeichneten Querquarz, so ist die Forderung nach einem möglichst niederohmigen Restblind widerstand (oder ü > 1) zwischen den Längsquarzen hmfällig, da an dieser Stelle dann der niederohmige Serienverlustwiderstand des Quarzes liegt. Unter der Voraussetzung, daß die Quarzparallelresonanzen der Lärigskreise und die Serienresonanz des Querquarzes beil W₀₀ liegen sowie alle drei Quarze gleiche Induktivitäten haben, ist die hierbei erzielbare maximale Sperrdämpfung a'_hmax

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 <«„ und «>_gl 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 A₁. Sie kann aber durch Zuschalten von Längswiderständen R₂, deren Eiinfügungsdämpfung 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 Fallen 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 ernndu.igsgemäße Maßnahme eine wesentlich weniger aufwendige Allpaß-Weichenschal tung, deren Bandsperrenzweig nur

^5 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-Querpaiallelkreis 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 Allpäßgrundschaliung die in der deutschen Offenlegungsschrift 1 948 802 angegebene Grundschaltung, die im Sperrenzweig des Weichenallpasses drei LC-Sperrpole und dadurch eine höhere Sperrdämpfung bei der Frequenz u>_m 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 Fi g. 5 dargestellt ist. Diese Bandsperre ist als Doppel-T-Schaltung ausgebildet, bei der der Parallelschwingkreis im Uberbriickungszweig in zwei Parallelschwingkreise unterteilt ist, zwischen denen ein Serienschwingkreis an das gemeinsame Bezugspotential B geschaltet ist. Ein Vergleich der Schaltun- gen nach den F i g. 4 und 5 läßt den im wesentlichen gleichen Aufbau der beiden Schaltungen erkennen, so daß im einzelnen nicht mehr darauf eingegangen werden muß. Unterschiedlich gegenüber der Schaltung nach F i g. 4 ist in der Schaltung nach F i g. 5

die Ausgestaltung des Uberbrückungszweiges, der in zwei in Serie geschaltete Parallelresonanzkreise 5 unterteilt ist. Zwischen den beiden Parallelresonanzkreisen 5 ist ein Serien resonanzkreis 6 an das gemein-

same Bezugspotential B geschaltet. Wie in der Schaltung nach F i g. 4 können auch bei der Schaltung nach F i g. 5 zur Entzerrung im Überbrückungszweig die ohmschen Widerstände R 2 in Serie zu den Parallelresonanzkreisen 5 geschaltet sein. Weiterhin ist es

möglich, die Spulen der im Uberbrückungszwei; liegenden Parallelresonanzkreise 5 mit einer Mittel anzapfung zu versehen und von dieser aus einei Widerstand auf das gemeinsame Bezugspotential J zu schalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche :

1. Bandsperre für elektrische Schwingungen, die unter Verwendung von Quarzen und kapazitiven Widerstandsübersetzungen in Form eines Allpaß_sgliedes vierter Ordnung als überbrücktes T-Glied ausgebildet ist, in dessen Längszv/eigen Serienresonanzkreise angeordnet sind und in dessen Querzweig und Uberbrückungszweig jeweils ein Parallelresonanzkreis liegt, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die Quarze (Q₁ , Q₂) den Kondensatoren (C₂Ju) der Längsserienschwingkreise (L₂; C₂Iv) parallel geschaltet sind, und die kapazitive Widerstandsübersetzung (C₁, Ci', C₂Iu) derart gewählt ist, daß das Impedanzniveau der Schaltung an die Impedanz der Quarze (Q₁, Q₂) angepaßt ist.

2. Bandsperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Querzweig (C₁', L{) ein weiterer Quarz (Q_z) parallel geschaltet ist.

3. Bandsperre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (2 L₁) des im Uberbrückungszweig liegenden Parallelresonanzkreises (2L₁, C₁ 12) 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 Uberbrückungszweig in Reihe zum Parallelresonanzkreis (2L₁, C₁/2) ein oder zwei ohmsche Widerstände (R₂) geschaltet sind.

5. Bandsperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet duich ihre Ausbildung als Doppel-T-Schaltung, bei der der Parallelschwingkreis (2L₁, C₁ /2) im Uberbrückungszweig in zwei Parallelschwingkreise (5) unterteilt ist, zwischen denen ein Serienschwingkreis (6) an das gemeinsame Bezugspotential (B) geschaltet ist.