DE2160180A1

DE2160180A1 - ELECTROMECHANICAL FILTER MADE FROM MECHANICAL BENDING RESONATORS

Info

Publication number: DE2160180A1
Application number: DE19712160180
Authority: DE
Inventors: Alfhart Dipl Phys Guenther
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1971-12-03
Publication date: 1973-06-07
Also published as: IT971381B

Description

Aus mechanischen Biegeresonatoren bestehendes elektromechanisches Filter Die Erfindung bezieht sich auf ein aus mechanischen Biegeresonatoren bestehendes elektromechanisches Filter, dessen einzelne Resonatoren über durchgehende Längskoppelelemente miteinander gekoppelt sind und bei dem zusätzlich einander nicht unmittelbar benachbarte Resonatoren durch wenigstens ein weiteres Längskoppelelement miteinander gekoppelt sind.Electromechanical consisting of mechanical bending resonators Filter The invention relates to one consisting of mechanical flexural resonators electromechanical filter, its individual resonators via continuous longitudinal coupling elements are coupled to one another and in which, in addition, not directly adjacent to one another Resonators coupled to one another by at least one further longitudinal coupling element are.

Mechanische Filter der vorbezeichneten Art sind beispielsweise bereits durch die deutsche Patentschrift 1 257 992 bzw. die deutsche Offenlegungsschrift 1 541 975 bekannt geworden. Es wird bei diesen Filtern von der überlegung ausgegangen, in der Bemessung der Resonatoren durch die Verwendung der Biegeschwingung möglichst freizügig hinsichtlich der geforderten Resonanzfrequenz zu sein, da bei Biegeschwingern die Resonanzfrequenz außer von der Resonatorlänge und den Materialkonstanten auch von der Querschnittsform des Resonators bestimmt wird. Zusätzlich wird bei diesen Filtern zur Beeinflussung der Übertragungscha rakteristik eine Kopplung einander nicht unmittelbar benachbarter Resonatoren vorgesehen, wodurch sich Polstellen bei reellen Frequenzen , d.h. also Dämpfungspole in der Ubertragungscharakteristik des Filters erzielen lassen.Mechanical filters of the aforementioned type are, for example, already by the German patent specification 1 257 992 or the German Offenlegungsschrift 1 541 975 became known. With these filters it is assumed that in the dimensioning of the resonators by using the flexural vibration as much as possible to be liberal with regard to the required resonance frequency, as with flexural vibrators the resonance frequency as well as the resonator length and the material constants is determined by the cross-sectional shape of the resonator. In addition, these Filters to influence the transmission characteristics create a coupling with each other not provided directly adjacent resonators, whereby pole points at real frequencies, i.e. attenuation poles in the transmission characteristics of the Let filters achieve.

Bei diesen bekannten Filtern sind nun zumindest ein Teil der Koppelelemente außerhalbdes hinsichtlich Biegeschwingungen an den einzelnen Resonatoren auftretenden Schwingungsbauches, d.h, also außerhalb der die Schwingungsknoten der Resonatoren nicht enthaltenden Symmetrieebene befestigt. Diese Überlegungen gelten auch für ein nach der deutschen Auslegeschrift 1 257 993 bekanntes Filter der vorbezeichneten Art. Wie sich bei solchen Filtern zeigt, kommt es bei sehr hohen Anforderungen hinsichtlich der Übertragungscharakteristik darauf an, die außerhalb des Schwingungsbauches befestigten Koppelelemente mit hoher Genauigkeit an den Resonatoren zu befestigen, da diese Koppelelemente sich im Bereich einer sich in Längsrichtung der Resonatoren sehr stark ändernden Schwingungsamplitude angreifen und somit bereits geringe Abweichungen von der Soll-Befestigungsetelle eine verhältnismäßig starke Änderung der von diesem Koppelelement erzeugten Kopplung-bewirken. Zwar sind durch die deutsche Patentschrift 1 286 238 mechanische Filter mit Biegeresonatoren bekannt geworden, bei denen sowohl die eigentlichen Koppelelemente als auch die zusätzlichen Koppelelemente im Bereich der die Sehwingungsknoten der Resonatoren nicht enthaltenden Symmetrieebene des Filters liegen, jedoch ist bei diesem Filter die Verwendung eines stimmgabelartigen Biegeresonators zur Erzielung einer einwandfreien Funktion erforderlich.In these known filters there are now at least some of the coupling elements outside of the flexural vibrations occurring at the individual resonators Anterior in vibration, i.e. outside of the vibration nodes of the resonators non-containing plane of symmetry attached. These considerations also apply to a filter known from German Auslegeschrift 1,257,993 the of the aforementioned type. As can be seen with such filters, it occurs with very high Requirements with regard to the transmission characteristics depend on the outside of the antinode, coupling elements attached to the resonators with high accuracy to be attached, since these coupling elements are in the area of a longitudinal direction attack the resonators very strongly changing oscillation amplitude and thus already small deviations from the target fastening point a relatively strong one Change the coupling generated by this coupling element. Although are through the German patent specification 1,286,238 known mechanical filters with bending resonators become, in which both the actual coupling elements and the additional Coupling elements in the area that does not contain the visual oscillation nodes of the resonators The plane of symmetry of the filter is, however, the use of a Tuning fork-like bending resonator required to achieve proper function.

Es kommt. bei den bekannten Filtern ferner hinzu, daß wegen der Verwendung verhältnismäßig langer zusätzlicher Koppelelemente Nebenwellen auftreten können, was einen unerwünschten Dämpfungseinbruch im Sperrbereich des Filters zur Folge hat.It is coming. in the known filters also added that because of the use relatively long additional coupling elements secondary waves can occur, which results in an undesirable attenuation drop in the blocking range of the filter Has.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten Schwierigkeiten nach Möglichkeit abzuhelfen und den Aufbau eines mechanischen Filters anzugeben, das bei erträglichen Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit gleieheeitig eine möglichst raumsparende Aufbauweise ermöglicht,wobei gleichzeitig das Auftreten von Nebenwellen nicht störend in Erscheinung treten und darüber hinaus das Dämpfungs- und Laufzeitverhalten durch Verwendung zustlicher Koppelelemente beeinflußt werden soll.The invention is based on the object described above Eliminate difficulties if possible and set up a mechanical filter indicate that this is mutually exclusive in the case of tolerable requirements for manufacturing accuracy allows a space-saving design as possible, while at the same time the occurrence of secondary waves do not appear disturbing and, moreover, the damping and runtime behavior can be influenced by using appropriate coupling elements target.

Ausgehend von einem aus mechanischen Biegeresonatoren bestehenden elektromechanischen Filter, dessen einzelne Resonatoren über durchgehende Längskoppelelemente miteinander gekoppelt sind und bei dem zusätzlich einander nicht unmittelbar benachbarte Resonatoren durch wenigstens ein weiteres Längskoppelelement miteinander gekoppelt sind, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sämtliche Koppelelemente im Bereich der die Schwingungsknoten der Resonatoren nicht enthaltenden Symmetrieebene des Filters liegen,. und die Länge sämtlicher Koppelelemente derart gewählt ist, daß ihre erste Eigenresonanz hinsichtlich Längsschwingungen oberhalb des Filter-Durchlaßbereiches liegt.Starting from one consisting of mechanical bending resonators electromechanical Filter, whose individual resonators are connected to one another via continuous longitudinal coupling elements are coupled and in which, in addition, resonators that are not directly adjacent to one another are coupled to one another by at least one further longitudinal coupling element This object is achieved according to the invention in that all coupling elements in the area the plane of symmetry des which does not contain the nodes of the resonators Filters lie. and the length of all coupling elements is chosen such that their first natural resonance with regard to longitudinal vibrations above the filter pass band lies.

Es sind zwar durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 441 26 bereits mechanische Filter bekannt geworden, bei denen durch Verwendung gleichphasiger Zusatzkopplungen das laufzeitverhalten beeinflußt wird, jedoch lassen sich diese Filter zur Erzielung eines laufzeitgeebneten Frequenzverhaltens mit sehr kleiner Restwelligkeit nicht verwenden.There are already 1,441,26 due to the German Offenlegungsschrift mechanical filters have become known in which additional in-phase couplings are used the runtime behavior is influenced, but these filters can be used to achieve this a frequency behavior that is evened out in terms of time and with very little residual ripple use.

Demgegenüber wird bei der Erfindung von folgender tberlegung ausgegangen.In contrast, the invention is based on the following considerations.

Während zur DämFfungspoler zeugung es nahezu belanglos ist, ob beispielsweise zwei Polpaare, je eines im unteren und oberen Sperrbereich, durch zwei einfach-überbrückte Schwingergruppen oder eine doppelt-überbrückte Schwingergruppe, bei der der zweite überkoppler über eine einfach-überbrückte Schwingergruppe hinweggeführt wird, erzeugt werden, liegen die Verhältnisse bei Überbrückungen zur Erzeugung von Polstellen bei nichtphysikalischen Frequenzen gänzlich anders. Die Wirkung einer gleichphasigen Überbrückung ist die Anhebung der Laufzeit in Bandmitte. Bei Hintereinanderschaltung mehrerer einfach-überbrückter Schwingergruppen tritt lediglich eine Addition der durch die einzelnen Gruppen hervorgerufenen Effekte auf, es bleibt bei einer Laufzeitanhebung in Bandmitte. Werden demgeßenüber übergreifende tberbrückungen angewandt, so tritt mit jeder weiteren oberbrUckung ein weiteres laufzeitmaximum auf, wobei die so erzeugten Laufzeitmaxima sich mehr oder weniger gleichmäßig über den gesamten Durchlaßbereich verteilen. Das Auftreten dieser voneinander frequenzmäßig verschiedenen Maxima ist aber unerläßliche Voraussetzung einer Laufzeitebnung mit kleiner Welligkeit.While for the generation of damping poles it is almost irrelevant whether, for example two pairs of poles, one each in the lower and upper blocking area, by two single-bridged ones Swinging groups or a double-bridged swinging group in which the second is passed over coupler over a single-bridged transducer group is generated are, the relationships are with bridges to generate poles completely different for non-physical frequencies. The effect of an in-phase Bridging is the increase in the running time in the middle of the band. When connected in series of several singly bridged oscillator groups, there is only an addition of the effects caused by the individual groups; the runtime is increased in mb. Are therefore overarching bridges applied, a further maximum running time occurs with each further bridging on, with the transit time maxima thus generated spreading more or less evenly distribute the entire passband. The occurrence of these from each other in terms of frequency different maxima is an indispensable prerequisite for a running time leveling with small ripple.

Nachstehend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.The invention is illustrated below with the aid of the drawing Embodiment explained in more detail.

Im Ausführungsbeispiel ist ein mechanisches Filter verwendet, das aus neun Biegeresonatoren 1 bis 9 besteht. Die einzelnen Resonatoren sind in Form zylindrischer Walzen ausgebildet und über ein durchgehendes Koppelelement 10 miteinander verbunden. Die im einzelnen nicht näher dargestellte Schwingungsanregung erfolgt in der Weise, daß beispielsweise über weitere Biegeresonatoren oder über geeignete elektromechanische Wandler das Koppelelement 10 zu in Richtung des Doppelpfeiles 11 verlaufenden Längsschwingungen angeregt wird, wodurch die Resonatoren 1 bis 9 Biegeschwingungen ausführen, wie dies durch die gestrichelt eingetwagenen Biegelinien 12 kenntlich gemacht ist. Das Koppelelement 10 ist im Bereich des hinsichtlich Biege schwingungen auftretenden Schwingungsbauches an den Resonatoren 1 bis 9 befestigt, was beispielsweise durch Schweißen oder Löten bewerkstelligt werden kann. Die Bandbreite des Filters wird von der Stärke der Kopplung zwischen den Resonatoren bestimmt, d.h. also, abgesehen von den Materialeigenschaften des Koppelelements 10, im wesentlichen vom Abstand der Befestigungspunkte zwischen den einzelnen Resonatoren und dem Querschnitt. Zur Beeinflussung der Übertragungscharakteristik sind einander nicht unmittelbar benachbarte Resonatoren durch'weitere zusätzliche Koppelelemente 13, 13' und 14 miteinander verbunden. Das Koppelelement 13 verbindet zusätzlich die Res-onatoren 1 und 4, das Koppelelement 13' die Resonatoren 4 und 9 und das Koppelelement 14 die Resonatoren 5 und 8. Wie bereits erwähnt, lassen sich mit solchen zusätzlichen Koppelelementen entweder tämpfungspole im Sperrbereich des Filters oder sogenannte Polquadrupel bei nichtphysikalischen Frequenzen erzeugen, wodurch sich wiederum das Laufzeitverhalten des Filters im Durchlaßbereich beeinflussen läßt. Die übergreifenden Koppelelemente 13' und 14 sind Beispiele für eine Laufzeitetnung mit kleiner Restwelligkeit. Wie der Zeichnung ohne weiteres zu entnehmen, sind auch die zusätzlichen Koppelelemente 13, i' und 14 im Bereich des hinsichtlich Biegeschwingungen auftretenden Schwingungsbauches an den ihnen jeweils zugeordneten Resonatoren befestigt und führen somit ebenfalls Längsschwingungen in Richtung des Doppelpfeils 11 aus.In the exemplary embodiment, a mechanical filter is used that consists of nine bending resonators 1 to 9. The individual resonators are in shape cylindrical rollers and formed via a continuous coupling element 10 with each other tied together. The vibration excitation, not shown in detail, takes place in such a way that, for example, via further bending resonators or suitable electromechanical converter, the coupling element 10 to in the direction of the double arrow 11 running longitudinal vibrations is excited, whereby the resonators 1 to 9 Execute bending vibrations, as indicated by the broken lines 12 is marked. The coupling element 10 is in the area of bending vibrations occurring antinode attached to the resonators 1 to 9, what can be done for example by welding or soldering. The bandwidth of the filter is determined by the strength of the coupling between the resonators, i.e., apart from the material properties of the coupling element 10, essentially the distance between the attachment points between the individual resonators and the cross-section. To influence the transmission characteristics are not direct to each other Adjacent resonators through further additional coupling elements 13, 13 'and 14 connected with each other. The coupling element 13 also connects the Res onators 1 and 4, the coupling element 13 ', the resonators 4 and 9 and the coupling element 14 the resonators 5 and 8. As already mentioned, with such additional Coupling elements either attenuation poles in the blocking area of the filter or so-called Generate pole quadruples at non-physical frequencies, which in turn can influence the runtime behavior of the filter in the passband. The overarching Coupling elements 13 'and 14 are examples of a delay time calculation with low residual ripple. As can be seen from the drawing, the additional coupling elements are also included 13, i 'and 14 in the area of the antinode occurring with regard to bending vibrations attached to the resonators assigned to them and thus also lead Longitudinal vibrations in the direction of the double arrow 11.

Sämtliche Koppelelemente des Filters liegen somit in der die Schwingungsknoten 15 und 15' nicht enthaltenden Symmetrieebene. Für die Bemessung ist es weiterhin wesentlich, daß die Länge sämtlicher Koppelelemente unter Berücksichtigung ihres Querschnittes und ihrer Materialeigenschaften derart gewählt ist, daß ihre erste Eigenresonanz hinsichtlich Längsschwingungen oberhalb des Filterdurchlaßbereiches liegt. Mit anderen Worten heißt das, daß die Länge sämtlicher Koppelelemente kleiner als A/2 ist, wobei A diejenige Wellenlänge ist, die in den einzelnen Koppelelementen im Filterdurchlaßbereich auftreten würde, wenn sie nicht mit den Resonatoren fest verbunden wären. Im AusfUhrungsbeispiel werden von den zusätzlichen Koppelelementen 13, 13' und 14 jeweils eine geradzahlige Anzahl von Filterresonatoren überbrückt, wodurch sich wegen der Verbindung gleichphasig schwingender Resonatoren Pol stellen bei nichtphysikalischen Frequenzen ergeben, d.h. also, es läßt sich dadurch das Laufzeitverhalten beeinflussen. Es wäre auch möglich, eine ungeradzahlige Anzahl von Resonatoren zu überbrücken, beispielsweise die Resonatoren 1 und 3 zusätzlich miteinander zu verbinden, wodurch ein Dämpfungspol oberhalb des Durchlaßbereiches bei einer reellen Frequenz entsteht.All coupling elements of the filter are therefore in the vibration nodes 15 and 15 'do not contain plane of symmetry. It is still used for dimensioning essential that the length of all coupling elements taking into account their Cross-section and its material properties is chosen so that their first Natural resonance with regard to longitudinal vibrations above the filter transmission range lies. In other words, this means that the length of all coupling elements is smaller as A / 2, where A is the wavelength that is used in the individual coupling elements would occur in the filter passband if not stuck to the resonators would be connected. In the exemplary embodiment, the additional coupling elements 13, 13 'and 14 each bridged an even number of filter resonators, whereby, because of the connection of resonators oscillating in phase, Pol are set at non-physical frequencies, i.e. it can be used to do this Influence runtime behavior. It would also be possible to have an odd number to be bridged by resonators, for example the resonators 1 and 3 in addition connect to each other, creating a pole of attenuation above the Passband arises at a real frequency.

Wenn die an das Filter gestellten Anforderungen die Verwendung einer größeren Anzahl zusätzlicher Koppelelemente erforderlich macht, ist es vorteilhaft, die Koppelelemente auf sich gegenüberliegenden Seiten oder Punkten an den Resonatoren zu befestigen. Wählt man weiterhin die Befestigungsart der Koppelelemente in der Weise, daß jeweils ein Minimum parallel geführter Koppelelemente auftritt, dann läßt sich auch fertigungstechnisch erreichen, daß sämtliche Koppelelemente möglichst genau in der die Schwingungsknoten 15 und 15' nicht enthaltenen Symmetrieebene liegen. Für das Ausführungsbeispiel deutet dies, daß nur die Koppelelemente 13' und 14 parallel geführt sind. Fertigungstechnisch ist es weiterhin günstig, wenn sämtliche Filterresonatoren untereinander gleiche Querschnittsabmessungen haben. Falls dies beispielsweise im Hinblick auf die zu erzielende Resonanzfrequenz nicht möglich sein sollte, sollte man darauf bedacht sein, sämtlichen Filterresonatoren in der die Koppelelemente enthaltenden Symmetrieebene die gleiche Höhe zu geben, wodurch immer erreicht wird, daß die auf beiden Resonatorseiten angebrachten Koppelelemente zueinander parallel verlaufen.If the requirements placed on the filter require the use of a requires a larger number of additional coupling elements, it is advantageous to the coupling elements on opposite sides or points on the resonators to fix. If you continue to choose the type of attachment of the coupling elements in the Way that a minimum of parallel coupling elements occurs, then can also be achieved in terms of production technology that all coupling elements as possible exactly in the plane of symmetry that is not included in the nodes 15 and 15 '. For the exemplary embodiment, this indicates that only the coupling elements 13 'and 14 are parallel are led. From a manufacturing point of view, it is still favorable if all of the filter resonators have the same cross-sectional dimensions as one another. For example, if this is in Should not be possible with regard to the resonance frequency to be achieved, should be careful to include all filter resonators in the coupling elements containing the plane of symmetry to give the same height, which always achieves that the coupling elements attached to both sides of the resonator are parallel to one another get lost.

Wegen der Befestigung der Koppelelemente im Symmetriebereich des Filters läßt sich zum einen ein Fehlerminimum erreichen, wodurch das Filter gegenüber mechanischen Toleranzen verhältnismäßig wenig anfällig ist. Weiterhin wird durch die Verwendung von Koppelelementen, deren Länge so gewählt ist, daß hinsichtlich Längsschwingungen ihre erste Eigenresonanz oberhalb des Filterdurchlaßbereiches liegt, erreicht, daß das Filter praktisch auch in einem großen Abstand vom Durchlaßbereich frei von störenden, durch Nebenwellen verursachten DSmpfungseinbrUchen ist, wobei gleichzeitig durch die Verwendung zusätzlicher Eoppelelemente das Laufzeitverhalten im Burchlaßbereich bzw.Because of the attachment of the coupling elements in the symmetry area of the filter on the one hand, a minimum of errors can be achieved, which means that the filter is compared to mechanical Tolerances is relatively little susceptible. Furthermore, through the use of coupling elements, the length of which is chosen so that with regard to longitudinal vibrations its first natural resonance is above the filter pass band, achieves that the filter is practically free of disruptive, there is a drop in attenuation caused by secondary waves, being at the same time through the use of additional coupling elements, the runtime behavior in the pass band respectively.

auch Dämpfungspole im Sperrbereich in weiten Grenzen freigewählt werden kann.Attenuation poles in the blocked area can also be freely selected within wide limits can.

5 Patentansprüche 1 Figur5 claims 1 figure

Claims

Patent claims electromechanical consisting of mechanical bending resonators Filter, whose individual resonators are connected to one another via continuous longitudinal coupling elements are coupled and in which, in addition, resonators that are not directly adjacent to one another are coupled to one another by at least one further Langsk.oppelelement, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that all coupling elements (10,13,13 ', 14) in the area that does not contain the oscillation nodes (15, 15 ') of the resonators (1 to 9) The plane of symmetry of the filter and the length of all coupling elements (10,13,13 ', 14') is chosen such that its first natural resonance with respect to longitudinal vibrations (11) is above the filter pass band.

2. Mechanical filter according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that at least two additional couplers (13 ', 14) are used by to which one (14) is coupled to non-adjacent resonators (5, 8) and the other (13 ') in turn bridges the group of resonators consisting of these resonators (5, 8).

3. Mechanical filter according to claim 1 or 2, d a -d u r c h g e It is not indicated that the individual coupling elements (10, 13, 13 ', 14) are on opposite sides Pages attached to the resonators (1 to 9) and distributed in such a way that on the same sides a minimum of parallel coupling elements (13 ', 14) occurs.

4. Mechanical filter according to one of the preceding claims, d a d u r c h e k e n n z e i 0 h -n e t that all filter resonators (1 to 9) index plane of symmetry have the same height.

5. Mechanical filter according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that all resonators (1 to 9) with one another have the same cross-sectional dimensions. Blank page