DE2145742C3

DE2145742C3 - Electromechanical filter

Info

Publication number: DE2145742C3
Application number: DE19712145742
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. 8000 München Krauß
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1971-09-13
Publication date: 1976-01-29

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Filter •us mehreren mechanisch gekoppelten, mechanischen Biegeresonatoren, die in wenigstens zwei Reihen nebeneinanderliegend und gegeneinander versetzt angeordnet sind, bei denen die Kopplung der einzelnen Resonatoren durch jeweils ein drahtförmiges Kopplungsstück erfolgt und bei denen in ihrer Wirkungsweise aufeinanderfolgende Resonatoren abwechselnd in den nebeneinanderliegenden Reihen angeordnet sind.The invention relates to an electromechanical filter consisting of several mechanically coupled, mechanical ones Flexural resonators, which are in at least two rows side by side and are arranged offset from one another, in which the coupling of the individual Resonators are made by a wire-shaped coupling piece and where in their mode of operation successive resonators are arranged alternately in the adjacent rows.

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 Schwingungsanregung unterschiedliche Schwingungsformen ausführen können, ist es auch möglich, in mechanischen Filtern für die Schwingungsiorm der einzelnen Resonatoren und die Schwingungsform der Koppelelemenie dem jeweiligen Problem und der jeweiligen Frequenzlage ange-Mechanical filters are often used to solve many tasks in filter technology, as they are well known in the frequency range suitable for them, both in terms of space consumption and in terms of the electrical properties of the filters made up of concentrated switching elements Are considerably superior in part. As mechanical vibration elements depending on the type of vibration excitation can run different waveforms, it is also possible in mechanical filters for the oscillation direction of the individual resonators and the oscillation form of the coupling elements to the respective Problem and the respective frequency

paßte kombinationen zu verwenden. Bei verschiedenen bereits bekannten bzw. vorgeschlagenen Filtern ist dabei eine vorteilhafte Kombination solcher Schwingungsformen ausgenutzt, nämlich die Biegeschwingung 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 Längsschwingungen ausführende Koppelelement läßt sich dabei als durchgehender Koppeidraht 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 Verhältnisse geschaffen werden. Solche Filter hab»n 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 auf Grund 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.
Beispielsweise ist aus der deutschen Auslegeschrift 12 64 637 ein elektromechanisches Bandfilter mit mehreren mechanischen Resonatoren die über auf Zug und Druck beanspruchte Koppelelemente miteinander gekoppelt sind und dessen Endresonatoren mit vorzugsweise elektrostriktiv wirkenden Wandlersystemen zur Umwandlung der elektrischen in die mechanischen Schwingungen versehen sind, und bei dem die mittleren Längsachsen der einzelnen Resonatoren zueinander parallel und in gegeneinander versetzten räumlichen Ebenen verlaufen, bekannt, für das es wesentlich ist, daß die einzelnen Resonatoren als Biegeschwingungen ausführende, balkenförmige Resonatoren ausgebildet sind, deren Kopplung durch auf die Längsachsen der Resonatoren senkrecht stehende Koppelelemente erfolgt, daß die mittlere Längsachse wenigstens eines Resonators innerhalb eines durch zwei Ebenen begrenzten Bereiches liegt, die in der Schwingungsrichtung der Resonatoren verlaufen und die die mittleren Längsachsen der diesem Resonator unmittelbar vor- und nachgeschalteten Resonatoren enthalten und daß in an sich bekannter Weise die mittlere Längsachse dieses Resonators außerhalb der Ebene liegt, die von den mittleren Längsachsen der diesem Resonator unmittelbar vor- und nachgeschalteten Resonatoren gebildet ist.
Eine derartige Anordnung ermöglicht einen raumsparenden Aufbau, die Koppelelemente sind beim Schwingungsvorgang jedoch auf Zug und Druck beansprucht, d. h. sie führen Längsschwingungen aus.use matching combinations. In the case of various already known or proposed filters, an advantageous combination of such waveforms is used, namely the flexural vibration for the resonator and the longitudinal vibration for the coupling element. Use is made here of the fact that the resonance frequency of bending resonators, apart from their material properties, can also be controlled by their cross section, in addition to their length. The coupling element executing longitudinal vibrations can be designed as a continuous coupling wire, which runs in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the resonators and is firmly connected to the resonators, for example by welding, creating reproducible conditions for the production of such filters. Such filters have proven themselves well with larger relative bandwidths and even with relative bandwidths down to about one percent Coupling wire executing longitudinal vibrations would assume such a small cross-section that, on the one hand, a reliable connection of the coupling element to the resonators, for example by spot welding, is becoming increasingly difficult and, on the other hand, the mechanical stability of the filter is no longer guaranteed.
For example, from the German Auslegeschrift 12 64 637 an electromechanical band filter with several mechanical resonators which are coupled to one another via coupling elements stressed in tension and compression and whose end resonators are provided with preferably electrostrictive converter systems for converting electrical into mechanical vibrations, and in which the central longitudinal axes of the individual resonators run parallel to each other and in mutually offset spatial planes, for which it is essential that the individual resonators are designed as bar-shaped resonators which carry out bending vibrations, the coupling of which is carried out by coupling elements perpendicular to the longitudinal axes of the resonators, that the central longitudinal axis of at least one resonator lies within a region delimited by two planes which run in the direction of oscillation of the resonators and which the central longitudinal axes of this resonato r contain immediately upstream and downstream resonators and that, in a manner known per se, the central longitudinal axis of this resonator lies outside the plane which is formed by the central longitudinal axes of the resonators immediately upstream and downstream of this resonator.
Such an arrangement enables a space-saving structure, but the coupling elements are subjected to tension and compression during the vibration process, ie they carry out longitudinal vibrations.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den er-The invention is based on the object of

wähnten 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.mentioned difficulties to remedy as far as possible and indicate the structure of a mechanical filter, with which, on the one hand, extremely low relative bandwidths can be achieved and still a sufficient one mechanical stability is guaranteed.

Ausgehend von einem elektromechanischen Filter aus mehreren mechanisch gekoppelten, mechanischen Biegeresonatoren, die in wenigstens zwei Reihen nebeneinanderliegend und gegeneinander versetzt angeordnet sind, bei denen die Kopplung der einzelnen Resonatoren durch jeweils ein drahtförrniges Kopplungssiück erfolgt und bei denen in ihrer Wirkungsweise aufeinanderfolgende Resonatoren abwechselnd in den nebeneinanderliegenden Reihen angeordnet sind, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Resonatoren einer Reihe etwa um einen Schwingungsknotenabstand gegenüber den Resonatoren einer anderen Reihe versetzt sind und daß der Kopplungsdraht jeweils näherungsweise in einer Ebene liegt, die durch die Verbindungslinie der Schwingungsknoten von in ihrer Wirkungsweise aufeinanderfolgenden Resonatoren und einer Senkrechten auf der Schwingungsebene der Resonatoren bestimmt ist.Based on an electromechanical filter made up of several mechanically coupled, mechanical Flexural resonators, which are arranged in at least two rows next to one another and offset from one another are, in which the coupling of the individual resonators by a wire-shaped coupling piece takes place and in which in their mode of action successive resonators alternately in the adjacent rows are arranged, this object is achieved according to the invention in the manner solved that the resonators of a row by about one oscillation node distance from the resonators another row are offset and that the coupling wire each approximately in one plane is located by the line connecting the nodes of each other in their mode of action Resonators and a perpendicular to the plane of oscillation of the resonators is determined.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Es zeigi in der ZeichnungThe invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. It shows in the drawing

F i g. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filters,F i g. 1 schematically shows an embodiment of an inventive Filters,

F i g. 2 einen Biegeresonator in der Längsansicht,F i g. 2 shows a bending resonator in a longitudinal view,

F i g. 3 den Koppelfrequenzabstand Δί in Abhängigkeit vom Angriffspunkt des Koppelelements.F i g. 3 the coupling frequency spacing Δί as a function of the point of application of the coupling element.

Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 zeigi ein aus fünf Resonatoren la, 1, 2, 3 und Xb bestehendes mechanisches Filter, bei dem die Resonatoren la, 2 und Xb in einer ersten Reihe und die Resonatoren 1 und 3 in einer weiteren Reihe liegen. Im Ausführungsbeispiel bestehen die einzelnen Resonatoren aus quaderförmigen Balken und es sind die Resonatoren unterschiedlicher Reihen zueinander parallel verlaufend angeordnet, wobei sich die mittleren Längsachsen der in der ersten Reihe liegenden Resonatoren la, 2 und Xb 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 F i g. 2 sind die sich am Resonator ausbildenden Schwingungsverhältnisse zu erkennen. Bei einer Länge 1 des Resonators haben die hinsichtlich der Biegeschwingung auftretenden Schwingungskrioten 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 la, 1, 2, 3 and Xb , in which the resonators la, 2 and Xb are in a first row and the resonators 1 and 3 in a further row. In the exemplary embodiment, the individual resonators consist of cuboid bars and the resonators of different rows are arranged running parallel to one another, the central longitudinal axes of the resonators 1 a, 2 and X b lying in the first row coinciding. The resonators 1 and 3 lying 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 arranged in a number of such rows in a corresponding expansion, whereby the strength of the coupling of successive resonators can be additionally influenced. From the top view of FIG. 2 shows the vibration conditions that develop on the resonator. With a length 1 of the resonator, the oscillation criots 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.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 sind nun die Resonatoren unterschiedlicher Reihen um einen Schwingungsknotenabstand a gegeneinander versetzt. An den mit la und Ib bezeichneten Endresonatoren ist ein aus elektrostriktivem Material bestehendes Wandlerelement in Form eines Plättchens aufgebracht, das beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung einen der Endresonatoren, beispielsweise den Eingangsresonator la, zu einer in Richtung des Doppelpfeils 11 verlaufenden Biegeschwingung anregt. Die Kopplung der Resonatoren erfolgt 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 undIn the embodiment of FIG. 1 are now the resonators different rows offset from one another by an oscillation node distance a. To the with la and Ib designated end resonators is an off Electrostrictive material existing transducer element applied in the form of a plate, which when Applying an electrical alternating voltage to one of the end resonators, for example the input resonator la, stimulates a bending oscillation running in the direction of the double arrow 11. The coupling of the resonators takes place with the help of wire-shaped coupling pieces 4. These coupling pieces are arranged so that they lie in a plane that is determined by the vibration nodes of the successive resonators in their mode of operation and

S die senkrecht steht auf der Schwingungsebene 11 der einzelnen Resonatoren. Durch diese Kopplungsstücke wird die mechanische Schwingung auf das am zweiten Endresonator Xb aufgebrachte Wandlerelement 6 übertragen und kann dort in elektrische Schwingungen zu-S which is perpendicular to the oscillation plane 11 of the individual resonators. Through these coupling pieces, the mechanical vibration is transmitted to the transducer element 6 attached to the second end resonator Xb , where it can be converted into electrical vibrations.

rückverwandelt 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.be converted back. For reasons of ease of manufacture, the coupling pieces 4 are on such Fastened surfaces of the resonators that are perpendicular to the plane of vibration. Since the coupling pieces 4 are on the one hand in the area of the vibration nodes 10 or 10 ', they are subjected to torsion; simultaneously they are also subject to bending stress, since they are opposite to the actual node line of the resonator are offset and thus receive a bending component due to the resonator bending vibrations. Make it up Thus, in the coupling pieces 4, there is a torsional and a bending vibration.

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 Gehäusewänden eines Gehäuses 7 befestigt.To hold the filter, the retaining wires 5 are provided, which engage 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.

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 couplers in comparison to the longitudinal coupler with geometrical dimensions that are technologically easier to handle cause weaker coupling of neighboring resonators and thus favorable conditions for the Offer implementation of extremely narrow-band filters. Couplings can therefore be used to achieve a relative Set the bandwidth in the per mille range. With such narrow-band filters it is of considerable importance that the influence of the mounting of the resonators on the vibration behavior of the filter as possible remains low. This can only be achieved to a sufficient extent if the retaining wires are perpendicular to the Attack the vibration plane of the resonators in the vibration node.

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. Auf Grund 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 are built up successively individually controlled and, if necessary, conveniently by means of coupler adjustment to their setpoint can be brought. Due to the fact that in this construction each resonator in its two Vibration node is kept, the filter is only slightly against shaking and shock loads sensitive.

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 F i g. 3 gezeigte Verlauf des Koppelfrequenzabstaiides Af in Abhängigkeit vom auf die Länge 1 des Resonators bezogenen Kopplerangriffspunkt χ (vgl. F i g. 2) am Resonator.The coupling of the resonators to one another is a mixed bending-torsional coupling, whereby in this arrangement bending and torsion exert opposite rotary effects on the resonator at the coupling point. This results in the in FIG. 3 of the coupling frequency deviation Af as a function of the coupler attack point χ (cf. FIG. 2) on the resonator, which is related to the length 1 of the resonator.

Unter den Koppelfrequenzen sind dabei die Resonanzfrequenzen zweier miteinander gekoppelter freischwingender Resonatoren zu verstehen. Die in F i g. 3 durch die gestrichelte Linie A kenntlich gemachte Lage des Schwingungsknotens zeigt, daß auch hier — ähnlichThe coupling frequencies are to be understood as the resonance frequencies of two freely oscillating resonators coupled to one another. The in F i g. 3 by the dashed line A indicated position of the oscillation node shows that here too - similar

wie bei der nicht versetzten Anordnung am Schwingungsknoten, wo der Torsionsanteil überwiegt — ein sehr breites Maximum der Kopplung erreicht wird, wodurch Fehler in der Ankoppelstelle auf die'Kopplungs-as with the non-offset arrangement at the vibration node, where the torsion component predominates - a very broad maximum coupling is achieved, whereby errors in the coupling point on the 'coupling

rke einen nur geringen Einfluß haben. Aus diesem und ist die durch die Knotenlinien der Resonatoren )ildote Ebene als Ankoppelstelle besonders geeignet, rch die beschriebene Art des Aufbaus wird auch die rderung nach der günstigst möglichen Halterung des :erkörpers voll erfüllt.rke have only a minor influence. For this and is the one through the nodal lines of the resonators ) ildote level particularly suitable as a coupling point, The type of construction described also requires the most favorable mounting of the : full body.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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Claims

Patent claims:

1. Electromeclianic filter consisting of several mechanically coupled, mechanical bending resonators, which are arranged in at least two rows next to one another and offset from one another, in which the coupling of the individual resonators is carried out by a wire-shaped coupling piece and in which, in terms of their mode of operation, successive resonators alternate in the adjacent rows are arranged, characterized in that the resonators (1, 3) of a row are offset by approximately one oscillation node distance (a) with respect to the resonators (la, 2, 16) of another row and that the coupling wire (4) each approximately in one plane which is the line connecting the vibration nodes (10, 10 ') of successive resonators (e.g. la, 1) and a vertical line on the vibration plane (11) of the resonators (la, 1, 2, 3. 16 ) is determined.

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

3. Electromechanical filter according to claim 2, characterized in that the resonators such are arranged that the central longitudinal axes of the resonators lying in a row (1 a, 2.1 6 and 1.3) coincide.

4. Electromechanical filter according to one of the preceding claims, characterized in that that the coupling pieces (4) are attached to the resonators (la, 1, 2, 3, 16) that in Coupling piece (4) a torsional and a bending vibration occurs.

5. Electromechanical filter according to one of the preceding claims, characterized in that that the individual resonators (la, 1, 2, 3, 16) attacking in their vibration nodes (10) Holding wires (5) or the like in a housing (7) are anchored.

6. Electromechanical filter according to claim 5, characterized in that the retaining wires (5) perpendicular to the plane of oscillation (U) of the resonators, 1,2,3,16) run.