DE2145742A1

DE2145742A1 - ELECTROMECHANICAL FILTER

Info

Publication number: DE2145742A1
Application number: DE2145742A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl Ing Krauss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-09-13
Filing date: 1971-09-13
Publication date: 1973-03-22
Also published as: BE788773A; IL40300A0; GB1390120A; IT967257B; SE384432B; AT321370B; DE2145742B2; NL7212378A; JPS4838648A; IL40300A; AU465685B2; JPS5147561B2; NL153746B; FR2153931A5; AU4642872A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Filter aus mehreren mechanisch gekoppelten, mechanischen·Biegeresonatoren, die in wenigstens zwei Reihen nebeneinanderliegend angeordnet sind.The invention relates to an electromechanical filter from several mechanically coupled, mechanical bending resonators, which are located in at least two rows next to one another are arranged.

Zur Lösung vieler Aufgaben der Filtertechnik werden häufig mechanische Filter verwendet, da sie bekanntlich in dem für sie geeigneten Frequenzbereich sowohl hinsichtlich des Raumverbrauchs als auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften den aus konzentrierten Schaltelementen aufgebauten Filtern zum Teil erheblich überlegen sind. Da mechanische Schwingungselemente je nach der Art der Schwingung sanregung unterschiedliche Sehwingungsformen ausführen können, ist es auch möglich, in mechanischen Filtern für die Schwingungsform der einzelnen Resonatoren und die Schwingungsform der Koppelelemente dem jeweiligen Problem und der jeweiligen Frequenzlage angepaßte Kombinationen zu verwenden. Bei verschiedenen bereits bekannten bzw. vorgeschlagenen Filtern ist dabei eine vorteilhafte Kombination solcher Sehwingungsformen ausgenutzt, nämlich die Biegescfcnvingung für den Resonator und die Längsschwingung für das Koppelelement. Es wird hierbei davon Gebrauch gemacht, daß sich die Resonanzfrequenz von Biegeresonatoren, abgesehen von ihren Materialeigenschaften, außer durch ihre Länge zusätzlich durch den Querschnitt steuern läßt. Das Läng3schwingungen ausführende Koppelelement läßt sich dabei als durchgehender Koppeldraht ausbilden, der in einer senkrecht zur Längsachse der Resonatoren liegenden Ebene verläuft und mit den Resonatoren, beispielsweise durch Schweißung, fest verbunden ist, wodurch für die Herstellung derartiger Filter gut reproduzierbare Verhält—Mechanical filters are often used to solve many tasks in filter technology, as they are known to be in the frequency range suitable for them, both in terms of space consumption and in terms of electrical power Properties are in some cases considerably superior to the filters made up of concentrated switching elements. Because mechanical Vibration elements perform different forms of visual vibration depending on the type of vibration excitation it is also possible to use mechanical filters for the waveform of the individual resonators and the Vibration form of the coupling elements to the respective problem and to use combinations adapted to the respective frequency position. In various already known or proposed Filters an advantageous combination of such forms of visual oscillation is used, namely the Bending deflection for the resonator and the longitudinal oscillation for the coupling element. Use is made here of the fact that the resonance frequency of bending resonators, apart from their material properties, except for their length can also be controlled by the cross-section. The coupling element which carries out longitudinal vibrations can be designed as a continuous coupling wire, the runs in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the resonators and with the resonators, for example is firmly connected by welding, which means that the conditions for the manufacture of such filters are easily reproducible.

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VPA 9/647/1015 Hka/Bri „ 2 -VPA 9/647/1015 Hka / Bri "2 -

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nisse geschaffen werden. Solche Filter haben sich an sich bei größeren relativen Bandbreiten und sogar bei relativen Bandbreiten bis herab zu etwa einem Prozent gut bewährt, jedoch zeigt sich, daß bei Filtern, deren relative Bandbreite aufgrund der gestellten Anforderungen geringer als ein Prozent sein.muß, der längsschwingungen ausführende Koppeldraht einen derart geringen Querschnitt annehmen würde, daß einerseits eine zuverlässige Verbindung des Koppelelements mit den Resonatoren, beispielsweise durch Punktschweißung, immer schwieriger wird und andererseits auch die mechanische Stabilität des Filters nicht mehr gewährleistet ist.nits are created. Such filters have themselves Well proven with larger relative bandwidths and even with relative bandwidths down to about one percent, However, it has been shown that in the case of filters, their relative bandwidth is less than a Percent. Must be, the coupling wire executing the longitudinal vibrations would assume such a small cross section that on the one hand a reliable connection of the coupling element with the resonators, for example by spot welding, becomes more and more difficult and on the other hand also the mechanical stability of the filter is no longer guaranteed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den erwähnten Schwierigkeiten nach Möglichkeit abzuhelfen und den Aufbau eines mechanischen Filters anzugeben, mit dem, sich einerseits extrem geringe relative Bandbreiten realisieren lassen und trotzdem eine ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet ist.The invention is based on the object of remedying the difficulties mentioned as far as possible and the structure of a mechanical filter with which, on the one hand, extremely low relative bandwidths can be realized and still ensure sufficient mechanical stability.

Ausgehend von einem elektromechanischen Filter aus mehreren mechanisch gekoppelten, mechanischen Biegeresonatoren, die in wenigstens zwei Reihen nebeneinanderliegend ange-~ ordnet sind, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Resonatoren der einen Reihe etwa um einen Schwingungsknotenabstand gegenüber den Resonatoren der anderen Reihe versetzt sind, und die Kopplung der einzelnen Resonatoren durch jeweils ein drahtförmiges Kopplungsstück erfolgt, das zumindest näherungsweise in einer Ebene liegt, die durch die Schwingungsknoten von in ihrer Wirkungsweise aufeinanderfolgenden Resonatoren bestimmt ist und die senkrecht steht auf der Schwingungsebene der Resonatoren. Based on an electromechanical filter made up of several mechanically coupled, mechanical bending resonators, which are arranged side by side in at least two rows, this object is achieved according to the invention in FIG Way solved that the resonators of a row about one oscillation node distance from the resonators the other row are offset, and the coupling of the individual resonators by a wire-shaped Coupling piece takes place, which is at least approximately in a plane that is determined by the vibration nodes of successive resonators in their mode of operation and which is perpendicular to the plane of oscillation of the resonators.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.

VPA 9/647/1013 > 3 -VPA 9/647/1013> 3 -

303812/0431303812/0431

Es zeigen in der Zeichnung:It show in the drawing:

Pig.1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßeri Filters;Pig.1 schematically an embodiment of an inventive Filters;

Fig.2 einen Biegeresonator in der Längsansicht;2 shows a bending resonator in a longitudinal view;

Pig.3 den Koppelfrequenzabstand Af in Abhängigkeit Tom Angriffspunkt des Koppelelements.Pig.3 depends on the coupling frequency distance Af Tom point of application of the coupling element.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.1 zeigt ein aus fünf Resonatoren 1a, 1, 2, 3 und 1b bestehendes mechanisches Filter, bei dem die Resonatoren 1a, 2 und 1b in einer ersten Reihe und die Resonatoren 1 und 3 in einer weiteren Reihe liegen. Im Ausführungsbeispiel bestehen die einzelnen Resonatoren aus quaderförrnigen Balken und es sind die Resonatoren unterschiedlicher Reihen zueinander parallel verlaufend angeordnet, wobei sich die mittleren Längsachsen der in der ersten Reihe liegenden Resonatoren 1a, 2 und 1b decken. Auch die in der zweiten Reihe liegenden Resonatoren 1 und 3 sind so angeordnet, daß sich ihre mittleren Längsachsen decken, wobei die Längsachsen unterschiedlicher Resonatorreihen zueinander parallel verlaufen. Erforderlichenfalls lassen sich in entsprechender Erweiterung die einzelnen Resonatoren auch in mehreren solchen. Reihen anordnen, wodurch sich die Stärke der Verkopplung^: aufeinanderfolgender Resonatoren zusätzlich beeinflussen läßt. Aus der Draufsicht von Fig.2 sind die sich am Resonator ausbildenden Schwingungsverhältnisse zu erkennen. Bei einer Länge 1 des Resonators haben die hinsichtlich der Biege3chwingung auftretenden Schwingungsknoten 10 und 10' den Abstand a, wenn dabei die Biegeschwingung in der durch den Doppelpfeil 11 kenntlich gemachten Schwingungsrichtung verläuft.The embodiment according to FIG. 1 shows a mechanical filter consisting of five resonators 1a, 1, 2, 3 and 1b, in which the resonators 1a, 2 and 1b are in a first row and the resonators 1 and 3 are in a further row. In the exemplary embodiment, the individual resonators consist of rectangular bars and the resonators of different rows are arranged running parallel to one another, the central longitudinal axes of the resonators 1a, 2 and 1b in the first row coinciding. The resonators 1 and 3 located in the second row are also arranged in such a way that their central longitudinal axes coincide, the longitudinal axes of different rows of resonators running parallel to one another. If necessary, the individual resonators can also be expanded in a number of such cases. Arrange rows, whereby the strength of the coupling ^: can be influenced in addition to successive resonators. From the top view of FIG. 2, the vibration conditions that develop on the resonator can be seen. With a length 1 of the resonator, the oscillation nodes 10 and 10 'occurring with regard to the flexural oscillation have the distance a if the flexural oscillation runs in the oscillation direction indicated by the double arrow 11.

VPA 9/64 7/1013VPA 9/64 7/1013

-4- 2H5742-4- 2H5742

Im Ausführungsbeispiel der Fig.1 sind nun die Resonatoren unterschiedlicher Keinen um einen Schwingungsknotenabstand a gegeneinander versetzt. An den mit 1a und 1b bezeichneten Endresonatoren ist ein aus elektrostriktivem Material bestehendes Wandlerelement in Form eines Plättchens aufgebracht, das beim Anlegen,einer elektrischen. V/echselspannung einen der Endresonatoren, beispielsweise den Eingangsresonator 1a, zu einer in Richtung des Doppelpfeils 11 verlaufenden Biegeschwingung anregt. Die Kopplung der Resonatoren e-rfolgt mit Hilfe von drahtförmig ausgebildeten Kopplungsstücken 4. Diese Kopplungsstücke sind derart angeordnet, daß sie in einer Ebene liegen, die von den Schwingungsknoten der in ihrer Wirkungsweise aufeinanderfolgenden Resonatoren bestimmt ist und die senkrecht steht auf der Schwingungsebene 11 der einzelnen Resonatoren. Durch diese Kopplungsstücke wird die mechanische Schwingung auf das am zweiten Endresonator 1b aufgebrachte Wandlerelement 6 übertragen und kann dort in elektrische Schwingungen zurückverwandelt werden. Aus Gründen der einfachen Herstellbarkeit sind die Kopplungsstücke 4 an solchen Flächen der Resonatoren befestigt, die senkrecht zur Schwingungsebene liegen. Da die Kopplungsstücke 4 einerseits im Bereich der Schwingungsknoten 10 bzw. 10' liegen, werden sie auf Torsion beansprucht; gleichzeitig werden sie auch auf Biegung beansprucht, da sie gegenüber der eigentlichen Knotenlinie des Resonators versetzt sind und somit durch die Resonator-Biegeschwingungen eine Biegekomponente erhalten. Es bilden sich also in den Kopplungsstücken 4 eine Torsionsund eine Biegeschwingung aus.In the embodiment of FIG. 1 there are now the resonators different nodules by a node distance a offset against each other. On the end resonators designated by 1a and 1b is an electrostrictive Material existing transducer element applied in the form of a plate, which when applied, an electrical. V / echselvoltage one of the end resonators, for example the input resonator 1a, excites a bending vibration in the direction of the double arrow 11. The coupling of the resonators takes place with the help of wire-shaped trained coupling pieces 4. These coupling pieces are arranged such that they lie in one plane, which is determined by the vibration nodes of the successive resonators in their mode of operation and which is perpendicular to the vibration plane 11 of the individual Resonators. Through these coupling pieces, the mechanical vibration is applied to the second end resonator 1b Transmit converter element 6 and can be converted back into electrical oscillations there. the end For reasons of ease of manufacture, the coupling pieces 4 are attached to such surfaces of the resonators, which are perpendicular to the plane of oscillation. Since the coupling pieces 4 on the one hand in the area of the vibration nodes 10 or 10 ', they are subjected to torsion; at the same time, they are also subjected to bending stress, since they are opposite to the actual nodal line of the resonator are offset and thus receive a bending component due to the resonator bending vibrations. It A torsional and a bending vibration are thus formed in the coupling pieces 4.

Zur Halterung des Filters sind die Haltedrähte 5 vorgesehen, die an den Resonatoren in deren Schwingungsknoten 10' bzw. 10' angreifen und in der Knotenachse verlaufen. Die Halteelemente 5 sind ihrerseits an den Gehäusewänderi eines Gehäuses 7 befestigt.To hold the filter, the retaining wires 5 are provided, which act on the resonators in their vibration nodes 10 'or 10' and run in the node axis. The holding elements 5 are in turn fastened to the housing walls of a housing 7.

VPA 9/647/1013 - 5 -VPA 9/647/1013 - 5 -

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Bei der Erfindung wird von der Überlegung ausgegangen, daß Biege- und Torsionskoppler im Vergleich zum Längskoppler bei technologisch leichter zu handhabenden geometrischen Abmessungen eine wesentlich schwächere Verkopplung benachbarter Resonatoren bewirken und somit günstige Voraussetzungen für die Realisierung extrem schmalbandiger Filter bieten. Es lassen sich also Kopplungen zur Erzielung einer relativen Bandbreite im Promille-Bereich einstellen. Bei solch schmalbandigen Filtern ist es von erheblicher Bedeutung, daß der Einfluß der Halterung der Resonatoren auf das Schwingungsverhalten des Filters möglichst gering bleibt. Dies läßt sich in ausreichendem Maß nur verwirklichen, wenn die Haltedrähte senkrecht zur Schwingungsebene der Resonatoren im Schwingungsknoten angreifen.The invention is based on the consideration that bending and torsion coupler compared to the longitudinal coupler with geometrical dimensions that are technologically easier to handle, a much weaker coupling neighboring resonators cause and thus favorable conditions for the implementation of extremely narrow-band Offer filters. Couplings can therefore be set to achieve a relative bandwidth in the per mil range. With such narrow-band filters, it is of considerable importance that the influence of the holder of the Resonators on the vibration behavior of the filter remains as low as possible. This can be summed up in sufficient Realize the dimension only if the retaining wires are perpendicular to the plane of oscillation of the resonators in the oscillation node attack.

Ein weiterer Vorteil in der Wahl dieser Anordnung liegt darin, daß die Kopplungen durch sukzessiven Aufbau einzeln kontrolliert und gegebenenfalls in bequemer Weise durch Kopplerabgleich auf ihren Sollwert gebracht werden können. Aufgrund der Tatsache, daß bei dieser Konstruktion jeder Resonator in seinen beiden Schwingungsknoten gehalten wird, ist das Filter gegen Schüttel- und Stoßbeanspruchungen nur wenig empfindlich.Another advantage of choosing this arrangement is that the couplings can be built up individually controlled and, if necessary, can be brought to their nominal value in a convenient manner by means of coupler adjustment. Due to the fact that in this construction each resonator is held in its two nodes the filter is only slightly sensitive to shaking and shock loads.

Die Kopplung der Resonatoren untereinander ist eine gemischte Biege-Torsionskopplung, wobei in dieser Anordnung Biegung und Torsion auf den Resonator entgegengesetzte Drehwirkung am Ankoppelpunkt ausüben. Dadurch ergibt sich der in Fig.3 gezeigte Verlauf des Koppelfrequenzabstandes Af in Abhängigkeit vom auf die Länge 1 des Resonators bezogenen Kopplerangriffspunkt χ (vgl. Fig.2) am Resonator, unter den Koppelfrequenzen sind dabei die Resonanzfrequenzen zweier miteinander gekoppelter freischwingender Resonatoren zu verstehen. Die in Fig.3 durch die gestrichelte Linie A kenntlich gemachte Lage des SchwingungsknotensThe coupling of the resonators with one another is a mixed bending-torsional coupling, in this arrangement Bending and torsion on the resonator exert opposite rotary action at the coupling point. This results in the course of the coupling frequency distance Af shown in FIG. 3 as a function of the length 1 of the resonator related coupler attack point χ (see Fig. 2) on the resonator, The coupling frequencies include the resonance frequencies of two free-running resonators that are coupled to one another to understand. The position of the oscillation node indicated in FIG. 3 by the dashed line A.

9/647/1013 -S-9/647/1013 -S-

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zeigt, daß auch hier - ähnlich wie bei der nicht versetzten Anordnung am Schwingungsknöten, wo der Torsionsanteil überwiegt - ein sehr breites Maximum der Kopplung erreicht wird, wodurch Fehler in der Ankoppelstelle auf die Kopplungsstärke einen nur geringen Einfluß haben. Aus diesem Grund ist die durch die Knotenlinien der Resonatoren gebildete Ebene als Ankoppelstelle besonders geeignet. Durch die beschriebene Art des Aufbaus wird auch die !Forderung nach der günstigst möglichen Halterung des Filterkörpers voll erfüllt.shows that here too - similar to the non-relocated Arrangement at the vibration node, where the torsion component predominates - a very broad maximum of the coupling is achieved, whereby errors in the coupling point have only a small influence on the coupling strength. For this reason the plane formed by the node lines of the resonators is particularly suitable as a coupling point. Through the The type of structure described also meets the requirement for the most favorable possible mounting of the filter body Fulfills.

5 Patentansprüche
3 Figuren5 claims
3 figures

Claims

- 7 - ■ 2H5742

Claims' 1.JElektromechanisches filter from a plurality of mechanically

coupled, mechanical bending resonators, which in at least two rows are arranged side by side, characterized in that the resonators (1, 3) of a row by approximately one oscillation node distance (a) with respect to the resonators (1a, 2,1b) of the other row are offset, and the Coupling of the individual resonators (1a, 1,2,3 »1b) through a wire-shaped coupling piece (4) takes place in each case, which lies at least approximately in a plane that is defined by the oscillation nodes (10, 10 ') of in their The mode of operation of successive resonators (e.g. 1a, 1) is determined and which is perpendicular to the oscillation plane (11) of the resonators (1a, 1,2,3 »1b)."

2. Electromechanical filter according to claim 1, characterized characterized in that the resonators of different rows are arranged to run parallel to one another are.

3. Electromechanical filter according to claim 2, characterized gekennzei chnet that the resonators are arranged such that the central longitudinal axes of the each in a row lying resonators (1a, 2,1b or 1.3) coincide.

4. Electromechanical filter according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling pieces (4) in such a way on the resonators (1a, 1,2,3, Ib) are attached that in the coupling piece (4) a torsional and a bending vibration occur.

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Electromechanical filter according to one of the preceding Claims, characterized in that that the individual resonators (1a, 1,2,3,1b) over attacking in their vibration nodes (10), in particular Hal "fre" running perpendicular to the plane of oscillation (11) wires (5) anchored in a housing (7) or the like are.

TFA g / 647/1013

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