DE2230854C3

DE2230854C3 - Mechanical filter with several mechanically coupled resonators

Info

Publication number: DE2230854C3
Application number: DE19722230854
Authority: DE
Inventors: Alfhart Dipl.-Phys. 8013 Haar Guenther
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-06-23
Filing date: 1972-06-23
Publication date: 1978-05-24
Also published as: DE2230854B2; IT990658B; DE2230854A1

Description

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Filter mit mehreren mechanisch gekoppelten Resonatoren, von denen wenigstens der erste und letzte zusätzlich mechanisch derart miteinander gekoppelt sind, daß Polstellen der Übertragungsfunktion auftreten, und weiterhin das Filter aus 2n Resonatoren, η > 3, besteht, die über Hauptkoppler mit einer Phase von weniger als 90° miteinander gekoppelt sind, und Zusatzkoppler dergestalt angebracht sind, daß wenigstens eine der Resonatorgruppen aus Resonator 2 und Resonator 2/1- I, aus Resonator 3 und Resonator 2n--2 usw. bis Resonator n-1 und Resonator n+2, miteinander verbunden sind.The invention relates to a mechanical filter with several mechanically coupled resonators, of which at least the first and last are also mechanically coupled to one another in such a way that poles of the transfer function occur, and furthermore the filter consists of 2n resonators, η> 3, which are connected via main couplers a phase of less than 90 ° are coupled to one another, and additional couplers are attached in such a way that at least one of the resonator groups of resonator 2 and resonator 2 / 1- I, of resonator 3 and resonator 2n-2 etc. to resonator n-1 and Resonator n + 2, are connected to each other.

Bekanntlich haben mechanische Filter eine große Bedeutung deshalb erlangt, weil sie in dem für sie geeigneten Frequenzbereich Selektionsmittel darstellen, die bei einem kleinen Bauvolumen eine verhältnismäßig große Temperatur- und Alterungsbeständigkeit aufweisen. Die bei diesen Filtern verwendeten mechanischen Resonatoren stellen jedoch resonanzfähige Schwingungsgebilde dar, die nicht mehr ohne weiteres mit Resonanzkreisen aus Spulen und Kondensatoren zu vergleichen sind, weswegen auch nicht mehr beliebige Schaltungsstrukturen realisier* werden können, wie dies bei konventionellen LC-Filtern, d. h. also bei Filtern aus Spulen und Kondensatoren, der Fall ist. Es wird dies besonders dann als störend empfunden, wenn es darum gehl, Rlterschaltungen mit einer versteuerten Däinpfungscharakteristik oder mit vorgegebenen Laufzeiteigenschaften auf mechanischem Weg zu realisieren, weil solche Schaltungen Polstellen bei reellen physikalischen bzw. bei komplexen Frequenzen haben müssen. Um dieser Schwierigkeit wenigstens teilweise abzuhelfen, hat man bei mechanischen Filtern außer der die Bandbreite bestimmenden Kopplung zusätzliche Koppelelemente eingeführt, die einander nicht unmittelbar aufeinanderfolgende Resonatoren miteinander verkoppeln, und es lassen sich mit Hilfe solcher zusätzlicher Koppelclemente Dämpfungspole bei reellen, physikalischen Frequenzen oder auch Dämpfungspole bei nichtphysikalischen Frequenzen erzeugen. PolstelienAs is well known, mechanical filters have become very important because they are in the for them represent suitable frequency range selection means, which with a small construction volume a relatively have high temperature and aging resistance. The mechanical used in these filters However, resonators are oscillating structures that are capable of resonance and that are no longer readily available can be compared with resonance circuits made of coils and capacitors, which is why they are no longer arbitrary Circuit structures can be realized like this with conventional LC filters, i. H. so with filters off Coils and capacitors, is the case. This is particularly annoying when it comes to it gehl, control circuits with a taxed attenuation characteristic or to implement it mechanically with specified runtime properties, because Such circuits must have poles at real physical or at complex frequencies. Around This difficulty can be remedied, at least in part, with mechanical filters besides the die Bandwidth-determining coupling introduced additional coupling elements that are not directly related to each other Successive resonators couple with each other, and it can be with the help of such additional Coupling elements damping poles for real, physical ones Generate frequencies or damping poles at non-physical frequencies. Upholstery

ίο bei reellen physikalischen Frequenzen haben dann eine sehr große Dämpfung im Sperrbereich des Filters zur Folge, während sich mit Polsteilen bei nichtphysikalischen Frequenzen die Laufzeit des Filters im Durchlaßbereich beeinflussen läßt. Filter der vorbezeichneten Art sind beispielsweise durch die deutschen Auslegeschriften 12 57 993 und 14 41269, die deutschen Patentschriften 12 57 992 und 12 86 238 sowie auch die deutsche Offenlegungsschrift 15 41 975 bekanntgeworden. Auch sind solche Filter in der Zeitschriftίο with real physical frequencies then have a result in very high attenuation in the blocking range of the filter, while dealing with non-physical pole pieces Frequencies can influence the running time of the filter in the pass band. Filter of the aforementioned Art are for example through the German Auslegeschriften 12 57 993 and 14 41269, the German Patents 12 57 992 and 12 86 238 as well as the German Offenlegungsschrift 15 41 975 became known. Such filters are also in the magazine

ίο »Wissenschaftliche Berichte, AEG-Telefunken«, Band 41 (1968), Heft 3, Seiten 150 bis 159, und der Zeitschrift »Proceedings of the twentyfifth Annual Frequency Control Symposium«, 26.-28. April 1971, Seiten 262 bis 270, beschrieben. Bei mechanischen Filtern, bei denen durch eine derart ausgestaltete zusätzliche Kopplung Dämpfungspole bei physikalischen oder nichtphysikalischen Frequenzen erzeugt werden können, lassen sich vorgegebene Dämpfungs- oder Laufzeitforderungen ohne Verwendung zusätzlicher Übertragungsvierpoleίο »Scientific reports, AEG-Telefunken«, volume 41 (1968), No. 3, pages 150 to 159, and the journal "Proceedings of the twentyfifth Annual Frequency Control Symposium «, 26.-28. April 1971, pages 262-270. With mechanical filters where through an additional coupling designed in this way, damping poles in the case of physical or non-physical ones Frequencies can be generated, can be given attenuation or runtime requirements without the use of additional four-pole transmission

erfüllen.fulfill.

Wie sich nunmehr zeigt, tritt sehr oft bei solchen Filtern, die eine Resonatorgruppe mit einer geradzahligen Anzahl von Resonatoren, wobei wenigstens sechs Resonatoren erforderlich sind, enthalten und bei der der erste und letzte Resonator zusätzlich miteinander gekoppelt sind, eine Unsymmetrie im Dämpfungsverhalten oder eine frequenzabhängige Schräglage im Laufzeitverhalten auf. Anhand der F i g. 1 bis 4 wird dies im einzelnen noch erläutert. Unsymmetrien im Dämp-As can now be seen, very often occurs with such filters that have a resonator group with an even number Number of resonators, at least six resonators are required, included and in which the first and last resonator are additionally coupled to each other, an asymmetry in the damping behavior or a frequency-dependent inclination in the runtime behavior. Based on the F i g. 1 through 4 will be this explained in detail. Asymmetries in the damping

fungsverhalten führen jedoch dazu, daß vorgegebene Sperrdämpfungsforderungen häufig nur unter Hinzunahme weiterer Resonatoren, d. h. also durch eine Erhöhung des Schaltungsaufwandes, erfüllt werden können, während eine frequenzabhängige Schräglage des Laufzeitverhaltens im Durchlaßbereich des Filters insbesondere dann stört, wenn verhältnismäßig breitbandige Filter, d. h. also Filter mit einer relativen Bandbreite von wenigstens etwa 1%, zum Einsatz kommen sollen.Fungsbehavior lead to the fact that given locking damping requirements often only with the addition further resonators, d. H. that is, by increasing the circuit complexity can, while a frequency-dependent inclination of the transit time behavior in the pass band of the filter particularly annoying when relatively broadband filters, d. H. so filter with a relative Bandwidth of at least about 1% should be used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten nach Möglichkeit abzuhelfen, und den Aufbau solcher mechanischer Filter anzugeben, mit dem sich Unsymmetrien im Dämpfungsverhalten oder auch eine Schräglage des Laufzeitverhaltens möglichst vermeiden lassen.The invention is based on the object of remedying the aforementioned difficulties as far as possible, and to specify the structure of such mechanical filters, with which asymmetries in the damping behavior or also avoid an inclined position of the runtime behavior as far as possible.

Ausgehend von einem mechanischen Filter mit mehreren mechanisch gekoppelten Resonatoren, von denen wenigstens der erste und letzte zusätzlich mechanisch derart miteinander gekoppelt sind, daßStarting from a mechanical filter with several mechanically coupled resonators, from which at least the first and last are also mechanically coupled to one another in such a way that

*n Polstellen der Übertragungsfunktion auftreten, und weiterhin das Filter aus 2/? Resonatoren, η > 3, besteht, die über Hauptkoppler mit einer Phase von weniger als 90° miteinander gekoppelt sind und Zusatzkoppler dergestalt angebracht sind, daß wenigstens eine der* n poles of the transfer function occur and the filter from 2 /? Resonators, η > 3, which are coupled to one another via main couplers with a phase of less than 90 ° and additional couplers are attached in such a way that at least one of the

fts Resoiiatorgruppen aus Resonator 2 und Resonator 2n— 1, aus Resonator 3 und Resonator 2n — 2 usw. bis Resonator i:-l und Resonator n+2, miteinander verbunden sind, wird diese Aufgabe erfindungsgemäßfts Resoiiatorgruppen consisting of resonator 2 and resonator 2n- 1, of resonator 3 and resonator 2n-2 etc. up to resonator i: -1 and resonator n + 2, are connected to one another, this object is according to the invention

dadurch gelöst, daß wenigstens ein weiterer Zusatzkoppler vorgesehen ist, der eine der Resonatorgruppen aus Resonator 1 und Resonator 3, oder aus Resonator 2 and Resonator 4 usw. bis Resonator 2n— 2 und Resonator 2/i verkoppelt solved in that at least one additional coupler is provided which couples one of the resonator groups of resonator 1 and resonator 3, or of resonator 2 and resonator 4, etc. to resonator 2n-2 and resonator 2 / i

Insbesondere ist hierbei daran gedacht, cem ersten und/oder dem letzten Resonator weitere mechanische Filterbaugruppen anzufügen, beispielsweise einen über ein mechanisches Koppelelement angekoppelten weiteren mechanischen Resonator. Es lassen sich dadurch spezielle Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich der Dämpfung oder hinsichtlich des Betriebswiderstandes oder der Laufzeit, in verhältnismäßig einfacher Weise erfüllen.In particular, it is intended to cem first and / or to add further mechanical filter assemblies to the last resonator, for example one via a mechanical coupling element coupled to another mechanical resonator. It can be done through it special requirements, for example with regard to damping or with regard to the operating resistance or the term, meet in a relatively easy way.

Hinsichtlich der verwendeten Schwingungsformen sind insbesondere Biegeschwingungen für die Resonatoren und Längsschwingungen für sämtliche Koppelelemente vorteilhaft, da sich durch Verwendung der Biegeschwingung für die Resonatoren die die Bandbreite bestimmenden Koppelelemente (Hauptkoppler) in einfacher Weise entsprechend kurz derart ausbilden lassen, daß ihr Phasenmaß kleiner als 90° ist, so daß bei einer möglichst gedrängten Aufbauweise auch die Zusatzkoppelelemente verhältnismäßig kurz werden und dadurch Verwendung der Längsschwingung in den Koppelelementen, die somit im wesentlichen Zug- und Druckkräfte übertragen, bereits mit geringen Koppler-Querschnitten ausreichend Koppelkräfte übertragen werden können, ohne daß dabei gleichzeitig stö ende Nebenwellen, wie beispielsweise die Biegeschwingung, in den Koppelelementen auftreten.With regard to the waveforms used, bending vibrations are particularly important for the resonators and longitudinal vibrations are advantageous for all coupling elements, since the use of the Flexural vibration for the resonators the coupling elements (main coupler) that determine the bandwidth in can easily be trained accordingly short in such a way that their phase dimension is less than 90 °, so that at In a construction that is as compact as possible, the additional coupling elements also become relatively short and thereby use of the longitudinal oscillation in the coupling elements, which are thus essentially tensile and Transferring compressive forces, even with small coupler cross-sections sufficient coupling forces can be transmitted without interfering at the same time Secondary waves, such as flexural vibration, occur in the coupling elements.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt in der ZeichnungBased on the Ausfüh approximately examples shown in the drawing, the invention will be explained in more detail below.
It shows in the drawing

Fig. 1 eine mögliche Ausgestaltung eines mechanischen Filters gemäß dem Stand der Technik,Fig. 1 shows a possible embodiment of a mechanical State-of-the-art filters,

Fig.2 Dämpfungskurven in Abhängigkeit von der Frequenz bei einem Filter nach F i g. 1,FIG. 2 attenuation curves as a function of the frequency for a filter according to FIG. 1,

Fig. 3 eine weitere mögliche Ausgestaltung eines Filters nach dem Stand der Technik,3 shows a further possible embodiment of a filter according to the prior art,

F i g. 4 das bei einem Filter nach F i g. 3 auftretende Laufzeitverhalten im Durchlaßbereich,
F i g. 5 eine Filterstruktur gemäß der Erfindung,
Fig.6 eine weitere Ausgestaltung gemäß der Erfindung,F i g. 4 that in a filter according to FIG. 3 runtime behavior occurring in the passband,
F i g. 5 shows a filter structure according to the invention,
6 shows a further embodiment according to the invention,

Fig.7 den allgemeinen Aufbau eines mechanischen Filters gemäß der Erfindung.Fig.7 shows the general structure of a mechanical Filters according to the invention.

In Fig. 1 ist ein mechanisches Filter gezeigt, das aus sechs Biegeresonatoren 1 bis 6 besteht. Die einzelnen Resonatoren können dabei in Form zylindrischer, gegebenenfalls mit einer Abflachung versehenen Walzen oder in Form quaderförmiger Körper ausgebildet sein und sind 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 6 Biegeschwingungen ausführen, wie dies durch die gestrichelt eingetragenen Biegelinien 12 kenntlich gemacht ist. Das Koppelelement 10 ist im Bereich des hinsichtlich Biegeschwingungen auftretenden Schwingungsbauches an den Resonatoren 1 bis 6 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 von seinem Querschnitt und vom Abstand der Befestigungspunkte zwischen den einzelnen Resonatoren. Zur Beeinflussung der Übertragungscharakteristik sir*l nun der erste Resonator 1 und der letzte Resonator 6 durch ein zusätzliches Koppelelement 13 miteinander verbunden, wodurch sich Polstellen der ÜbertragungsfunktionIn Fig. 1, a mechanical filter is shown, which consists of consists of six bending resonators 1 to 6. The individual resonators can be in the form of cylindrical, optionally formed with a flattened rollers or in the form of cuboid bodies and are connected to one another via a continuous coupling element 10. Not detailed in detail Vibration excitation shown takes place in such a way that, for example, via further bending resonators or Via suitable electromechanical converters, the coupling element 10 closes in the direction of the double arrow 11 running longitudinal vibrations is excited, causing the resonators 1 to 6 bending vibrations perform as indicated by the bending lines 12 shown in dashed lines. The coupling element 10 is in the area of the antinode on the resonators with regard to flexural vibrations 1 to 6 attached, which can be done for example by welding or soldering. the The bandwidth of the filter is determined by the strength of the coupling between the resonators, i.e. H. thus, apart from the material properties of the coupling element 10, essentially of his Cross-section and the distance between the attachment points between the individual resonators. To influence the transmission characteristic sir * l now the first resonator 1 and the last resonator 6 through additional coupling element 13 connected to each other, whereby poles of the transfer function

ίο realisieren lassen, was ganz allgemein bedeutet, daß diese Polstellen bei reelen physikalischen oder auch bei nichtphysikalischen Frequenzen auftreten können. Weiterhin sind in ähnlicher Weise die Resonatoren 2 und 5 durch ein zusätzliches Koppelelement 14 miteinander verbunden, das aus Symmetriegründen durch den Zusatzkoppler 14' ergänzt sein kann. Aufgrund der in Richtung des Doppelpfeiles 11 verlaufenden Biegeschwingung bilden sich in den Schnittpunkten der Biegelinien 12 Schwingungsknoten 8 aus, in denen die einzelnen Resonatoren über geeignete Halteelemente in an sich bekannter Weise gehaltert werden können. Wie F i g. 1 ohne weiteres entnehmbar, verbindet aufgrund dieser Schwingungsform der Zusatzkoppler 13 gleichphasig schwingende Abschnitte der Resonatoren 1 und 8, da er nämlich, wie der Hauptkoppler 10, im Bereich des Schwingungsbauches an den einzelnen Resonatoren befestigt ist und somit in einem Resonatorabschnitt liegt, der sich innerhalb des durch die Schwingungsknoten 8 begrenzten Bereiches befindet.ίο let them realize, which generally means that these poles can occur at real physical or non-physical frequencies. Farther the resonators 2 and 5 are similarly connected to one another by an additional coupling element 14 connected, which can be supplemented by the additional coupler 14 'for reasons of symmetry. Due to the in Bending vibrations running in the direction of the double arrow 11 are formed at the points of intersection of the Bending lines 12 oscillation nodes 8 in which the individual resonators have suitable holding elements can be held in a known manner. Like F i g. 1 easily removable, connects Because of this mode of oscillation of the additional coupler 13, sections of the resonators oscillating in phase 1 and 8, since it, like the main coupler 10, is in the area of the antinode on the individual Resonators is attached and thus lies in a resonator section which extends within the through the Vibration node 8 is limited area.

Demgegenüber werden durch die Zusatzkoppler 14 bzw. 14' gegenphasig schwingende Abschnitte der Resonatoren 2 und 5 zusätzlich miteinander verknüpft, da ihre Befestigungspunkte am einen Resonator innerhalb und am anderen Resonator außerhalb des durch die Schwingungsknoten 8 begrenzten Bereiches liegen.In contrast, by the additional coupler 14 and 14 'in antiphase oscillating sections of the Resonators 2 and 5 are also linked to one another because their attachment points are on a resonator inside and on the other resonator outside of the area bounded by the oscillation nodes 8 lie.

In F i g. 2 ist nun in Abhängigkeit von der Frequenz / die Betriebsdämpfung a_B eines Filters gemäß F i g. 1 aufgetragen, und zwar zeigt die Kurve A die WirkungIn Fig. 2 is now dependent on the frequency / the operational attenuation a _{B of} a filter according to FIG. 1 plotted, namely the curve A shows the effect

der inneren Überkopplung, also der Zusatzkoppler 14 und 14', allein. Wie sich zeigt, haben wegen der bei mechanischen Resonatoren durch Schwingungsform und Ankoppelbedingungen, im Ausführungsbeispiel bei Biegeresonatoren mit tangential angebrachten Längskopplern, auftretenden unsymmetrischen Charakteristik des Reaktanzvcrhaltens die Dämpfungsminima (vgl. Kurve A) mehr oder weniger stark unterschiedliche Höhe. Die gestrichelte Kurve ßbzw. die strichpunktierte Kurve C zeigen den Einfluß einer schwächeren bzw. stärkeren äußeren Überbrückung, d. h. also die Wirkung eines schwächeren bzw. stärkeren Zusatzkopplers 13. Die genannte Unsymmetrie bewirkt also, daß entweder im unteren Sperrbereich gemäß Kurve ßeine wirksame Erhöhung der Sperrdämpfung nicht möglich ist, oder gemäß Kurve C im oberen Sperrbereich die beiden Dämpfungspole zu komplexen Frequenzen, d. h. zu nichtphysikalischen Frequenzen, wandern und damit die obere Sperrdämpfungsflanke des Filters schwächen.the internal coupling, that is to say the additional coupler 14 and 14 ', alone. As can be seen, because of the asymmetrical characteristics of the reactance behavior that occur in mechanical resonators due to the mode of vibration and coupling conditions, in the exemplary embodiment with bending resonators with tangentially attached longitudinal couplers, the attenuation minima (cf. curve A) have more or less different heights. The dashed curve ßbzw. the dash-dotted curve C show the influence of a weaker or stronger external bridging, ie the effect of a weaker or stronger additional coupler 13. The asymmetry mentioned means that either in the lower blocking range according to curve ß an effective increase in blocking attenuation is not possible, or According to curve C, the two damping poles migrate to complex frequencies, ie to non-physical frequencies, in the upper blocking range and thus weaken the upper blocking attenuation edge of the filter.

Das in Fig.3 gezeichnete Filter ist im wesentlichen genauso aufgebaut wie das Filter gemäß F i g. 2, weshalb einander wirkungsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind und die für das Filter gemäß Fig. 1 gegebenen Erläuterungen in analoger Weise Gültigkeit haben. Unterschiedlich gegenüberThe filter shown in FIG. 3 is essentially constructed in the same way as the filter according to FIG. 2 why elements with the same effect are provided with the same reference numerals and those for the filter according to the explanations given in FIG. 1 are valid in an analogous manner. Different from

h> dem Filter nach Fig. I ist beim Filter nach Fig. J, daß der die Resonatoren 2 und 5 verbindende Zusatzkoppler 15 ebenfalls gleichphasig schwingende Abschnitte miteinander verbindet, da er. wie auch der HauDtkoDD-h> the filter according to FIG. I, in the case of the filter according to FIG. J, that the additional coupler 15 connecting the resonators 2 and 5 also oscillating in phase sections connects with each other, since he. as well as the HauDtkoDD

ler 10 und der Zusatzkoppler 13, innerhalb des durch die Schwingungsknoten 8 begrenzten Bereiches an den Resonatoren 2 und 5 befestigt ist. Wegen dieser gleichphasigen Überbrückung des Zusatzkopplers 15 eignet sich diese Anordnung zur Beeinflussung des Laufzeitverhaltens im Durchlaßbereich. Wird ein derartiges Filter beispielsweise für eine relative Bandbreite von etwa 10% realisiert, dann zeigt sich das in Fig. 4 dargestellte Laufzeitverhalten. Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, hat die Laufzeit te in Abhängigkeit von der Frequenz f im Durchlaßbereich des Filters in Richtung zu höheren Frequenzen eine fallende Tendenz, d. h. also, sie schwankt um einen frequenzabhängigen Mittelwert, der sich, wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, nicht ohne ΐς weiteres in eine Horizontale bringen läßt, was schon deshalb anzustreben ist, um Laufzeitverzerrungen im Übertragungsverhalten des Filters möglichst klein zu halten. Darüber hinaus kommt es mitunter sogar darauf an, ein an sich beliebig vorgegebenes Laufzeitverhalten möglichst exakt nachzubilden, was aus den vorstehenden Gründen mit einem Filter gemäß Fi g. 3 höchstens zufällig möglich ist.ler 10 and the additional coupler 13, is attached to the resonators 2 and 5 within the area delimited by the oscillation nodes 8. Because of this in-phase bridging of the additional coupler 15, this arrangement is suitable for influencing the transit time behavior in the pass band. If such a filter is implemented, for example, for a relative bandwidth of approximately 10%, then the runtime behavior shown in FIG. 4 is shown. As can be seen from FIG. 4, the transit time te has a falling tendency as a function of the frequency f in the pass band of the filter in the direction of higher frequencies, ie it fluctuates around a frequency-dependent mean value which, like the studies on which the invention is based, is based have shown, cannot simply be brought into a horizontal plane, which is to be sought in order to keep delay time distortions in the transmission behavior of the filter as small as possible. In addition, it is sometimes even important to simulate any given runtime behavior as precisely as possible, which for the reasons given above can be achieved with a filter according to FIG. 3 is possible at most by chance.

Gegenüber dem aus der Literatur Bekannten wird nun bei der Erfindung von folgenden Überlegungen ausgegangen.In relation to what is known from the literature, the following considerations are now made in relation to the invention went out.

Es ist zwar bekannt, daß sich durch Überbrückungen, d. h. mechanische Verbindungen nichtbenachbarter Resonatoren, bei mechanischen Filtern je nach Phasenlage der Überbrückung reelle Sperrdämpfungspole oder laufzeitebnende Polquadrupel bei nichtphysikalischen Frequenzen erzeugen lassen. Für Hochfrequenzbandfilter, deren Strukturen große Ähnlichkeit mit den Ersatzschaltungen mechanischer Filter haben, ist dieses Vorgehen in noch allgemeinerer Form dargelegt. Es wurde weiter gezeigt, daß zur Polerzeugung übergreifende Überkopplungen, d. h. Anordnungen, bei denen eine bereits überbrückte Resonatorgruppe nochmals überbrückt wird, ebenso zwei Polpaare erzeugen wie zwei voneinander unabhängige einfache Überbrückungen. Beiden Arten der Polerzeugung gemeinsam ist, daß nur die Hälfte der Pole vorgegeben werden kann, während die andere Hälfte wegen der zu wenigen Freiheitsgrade im Schaltungsaufbau sich aus den übrigen Filterparametern ergibt. Da die Dimensionierung von Ketten einfach überbrückter Resonatorgruppen leichter ist, fand dieser Realisierungstyp breitere Anwendung als die übergreifende Überbrückung. Sollen die Überkopplungen aber nicht der Dämpfungsversteilerung, sondern der Laufzeitebnung dienen, so gibt es keine Gleichwertigkeit der beiden Ausführungsformen. Die Wirkung einer gleichphasigen Überbrückung ist die Anhebung der Laufzeit in Bandmitte, wie es einem Allpaß 1. Ordnung entspricht. Bei Hintereinanderschaltung zweier einfach überbrückter Resonatorgruppen tritt lediglich eine Addition der durch die beiden Gruppen hervorgerufenen Effekte auf, es bleibt bei einer Laufzeitanhebung in Bandmitte. Werden demgegenüber übergreifende Überbrückungen angewandt, so tritt mit der zusätzlichen Überbrückung ein weiteres Laufzeitmaximum auf, man erhält also einen Allpaß zweiter Ordnung. Das Auftreten dieser voneinander frequenzmäßig verschiedenen Maxima ist aber unerläßliche Voraussetzung einer Laufzeitebnung mit kleiner Welligkeit Auch hier gilt das für die Dämpfungspole Gesagte: Nur die Hälfte der Laufzeitmerkmale ist vorgebbar, die andere Hälfte resultiert aus den übrigen Filtergrößen. Bei schmalbandigen Filtern, die sich näherungsweise aus Tiefpässen herleiten lassen, ist dieser Nachteil meist unerheblich, da Dämpfung und Laufzeit nahezu frequenzsymmetrisch auftreten. Für breitbandige Filter mit kurzen Kopplern hingegen, wo zu einer strukturbedingten Frequenzunsymmetrie noch der Einfluß des Ersatzschaltbildes der mechanischen Resonatoren hinzutritt, kann diese Einschränkung schwerwiegende Konsequenzen haben, wie dies anhand der F i g. 1 bis 4 im vorstehenden erläutert wurde.It is known that by bridging, ie mechanical connections of non-adjacent resonators, in mechanical filters, depending on the phase position of the bridging, real blocking attenuation poles or delay-leveling pole quadruples can be generated at non-physical frequencies. For high-frequency band filters, the structures of which are very similar to the equivalent circuits of mechanical filters, this procedure is presented in an even more general form. It has also been shown that cross-coupling for pole generation, ie arrangements in which an already bridged resonator group is bridged again, also produce two pairs of poles as well as two independent simple bridges. Both types of pole generation have in common that only half of the poles can be specified, while the other half results from the remaining filter parameters because of the insufficient degrees of freedom in the circuit structure. Since the dimensioning of chains of simply bridged resonator groups is easier, this type of implementation was more widely used than the overarching bridging. However, if the overcouplings are not intended to increase the attenuation, but rather to smooth the running time, there is no equivalence between the two embodiments. The effect of an in-phase bypass is the increase in the running time in the middle of the band, as it corresponds to a 1st order all-pass. When two simply bridged groups of resonators are connected in series, the effects caused by the two groups are only added; If, on the other hand, overarching bridges are used, a further maximum running time occurs with the additional bridging , so an all-pass of the second order is obtained. However, the occurrence of these maxima , which differ from one another in terms of frequency, is an indispensable prerequisite for flattening the transit time with small ripple. Here, too, what has been said for the attenuation poles applies: only half of the transit time features can be specified, the other half results from the other filter sizes. In the case of narrow-band filters, which can be derived approximately from low-pass filters, this disadvantage is usually insignificant, since attenuation and transit time occur almost symmetrically in terms of frequency. For broadband filters with short couplers, on the other hand, where the structure-related frequency asymmetry is also influenced by the equivalent circuit diagram of the mechanical resonators, this restriction can have serious consequences, as shown in FIG. 1 to 4 has been explained above.

Die vorstehend geschilderten Probleme lassen sich durch sogenannte verschränkte, je nach den Anforderungen gleich- oder gegenphasige Zusatzüberbriickungen lösen. In den Fig.5 bis 7 sind entsprechende Ausführungsbeispiele gezeigt.The problems outlined above can be solved by so-called entangled, depending on the requirements Release in-phase or out-of-phase additional bridges. 5 to 7 are corresponding Embodiments shown.

Die Ausführungsbeispiele nach den F i g. 5 und 6 stimmen in ihrem Grundkonzept mit den Ausführungsbeispielen nach F i g. 1 und 3 überein, so daß die dort gegebenen Erläuterungen analog Gültigkeit haben. Als Resonatoren sind wiederum Biegeresonatoren verwendet, wobei allerdings darauf zu achten ist, daß der Abstand der einzelnen Resonatoren so gewählt ist, daß das Phasenmaß der Hauptkoppler 10 kleiner als 90° ist. Vorteilhaft verwendet man Koppelelemente, die überwiegend Zug- und Druckkräfte übertragen, also Längsschwingungen ausführen, so daß demzufolge die einzelnen Koppelabschnitte der Hauptkoppler 10 kürzer als λ/4 sind, wenn λ die im Kopplermaterial auftretende Wellenlänge bedeutet.The exemplary embodiments according to FIGS. 5 and 6 agree in their basic concept with the exemplary embodiments according to FIG. 1 and 3 match, so that the explanations given there apply analogously. Bending resonators are again used as resonators, although care must be taken that the distance between the individual resonators is chosen so that the phase dimension of the main coupler 10 is less than 90 °. It is advantageous to use coupling elements which mainly transmit tensile and compressive forces, that is, execute longitudinal vibrations, so that the individual coupling sections of the main coupler 10 are therefore shorter than λ / 4 if λ is the wavelength occurring in the coupler material.

Im Ausführungsbeispiel der Fig.5 ist wiederum der die Resonatoren 1 und 6 verbindende Zusatzkoppler 13 erkennbar. Zusätzlich sind die Resonatoren 2 und 5 über den Zusatzkoppler 142, der wiederum aus Symmetriegründen durch den Zusatzkoppler 142' vervollständigt ist, an gegenphasig schwingenden Punkten miteinander verbunden. Weiterhin sind gegenphasig schwingende Punkte der Resonatoren 1 und 3 bzw. der Resonatoren 4 und 6 durch die Zusatzkoppler I61 und I61' bzw. I64 und I64' miteinander verbunden. Die Resonatoren 2 und 4 bzw. die Resonatoren 3 und 5 sind an gleichphasig schwingenden Punkten durch die weiteren zusätzlichen Koppelelemente V₂ bzw. 17₃ zusätzlich miteinander verkoppelt. Zwar sind die Koppelelemente 16] und 16< zur Verbindung gegenphasig schwingender Punkte schräg gegenüber der mittleren Symmetrieebene des Filters angeordnet, weshalb in geringem Maß Biegekomponenten in diesen Kopplern auftreten können, jedoch ist darauf zu achten, daß diese Biegekomponenten möglichst klein bleiben gegenüber der angestrebten Zug- und Druckkopplung. Durch die zusätzlichen Kopplungen werden also immer Resonatorgruppen gebildet, die jeweils zwei Resonatoren umfassen.In the exemplary embodiment in FIG. 5, the additional coupler 13 connecting the resonators 1 and 6 can again be seen. In addition, the resonators 2 and 5 are connected to one another at points oscillating in antiphase via the additional coupler 142, which in turn is completed by the additional coupler 142 'for reasons of symmetry. Furthermore, points of the resonators 1 and 3 or the resonators 4 and 6 oscillating in phase opposition are connected to one another by the additional couplers I61 and I61 ' or I64 and I64'. The resonators 2 and 4 or the resonators 3 and 5 are additionally coupled to one another at points oscillating in phase by the further additional coupling elements V ₂ and 17 _3. The coupling elements 16] and 16 < to connect points oscillating in opposite phase are arranged at an angle to the central plane of symmetry of the filter, which is why bending components can occur to a small extent in these couplers, but care must be taken to ensure that these bending components remain as small as possible compared to the desired train - and pressure coupling. The additional couplings therefore always form resonator groups that each include two resonators.

Das in F i g. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel geht im wesentlichen von dem in Fig.3 aus und es sind wiederum die Resonatoren i und 6 durch der zusätzlichen Koppler 13 miteinander verbunden. Dei weitere Zusatzkoppler 15₂ verbindet gleichphasig schwingende Abschnitte der Resonatoren 2 und 5, und darüber hinaus werden durch die weiteren Zusatzkoppler 17) und 174 gleichphasig schwingende Abschnitte dei Resonatoren 1 und 3 bzw. der Resonatoren 4 und f miteinander verbunden. Durch die Zusatzkoppler 16: und I62' bzw. I63 und I63' werden noch gegenphasif schwingende Abschnitte der Resonatoren 2 und 4 bzw. 1 und 5 miteinander verkoppelt The in Fig. The embodiment shown in FIG. 6 is essentially based on that in FIG. 3 and the resonators i and 6 are again connected to one another by the additional coupler 13. The further additional coupler 15 ₂ connects in-phase oscillating sections of the resonators 2 and 5, and furthermore, in- phase oscillating sections of the resonators 1 and 3 or the resonators 4 and f are connected to one another by the further additional couplers 17) and 174. By means of the additional couplers 16: and I62 'or I63 and I63', sections of the resonators 2 and 4 or 1 and 5 which vibrate in opposite phase are coupled to one another

Das allgemeine Schema der in den Fig.5 und ( dargestellten Filter ist in Fig.7 gezeigt, in dei schematisch die Anordnung für ein Filter mit 2j Resonatoren dargestellt ist Die einzelnen ResonatoreiThe general scheme of the filters shown in Fig.5 and (is shown in Fig.7, in dei the arrangement for a filter with 2j resonators is shown schematically. The individual resonators

sind dabei von der Stirnseite zu sehen und als zylindrische Walzen dargestellt, die gegebenenfalls auch mit einer Abflachung zur genaueren Befestigung der Koppelelemente versehen sein können. Die Hauptkoppler IO sowie der die Resonatoren 1 und 2n verbindende Zusatzkoppler 13 sind ebenfalls nur mehr schematisch dargestellt, und es ist auch hier davon auszugehen, daß sämtliche Koppler — wie in den F i g. 5 und 6 gezeigt — Längsschwingungen ausführen und somit in entsprechender Weise an den Resonatoren ,₀ befestigt sind. Durch die zusätzlichen Koppelelemente 142, 143 usw. bis 14„_i werden jeweils die aus den Resonatoren 2 und 2„_i bzw. 3 und 2„-2 und schließlich die Resonatoren /?—1 und n + 2 miteinander zusätzlich gekoppelt. Änaiog zu den Ausführungsbeispieien nach Fig. 5 und 6 soll durch die Bezugsziffern 142 bis 14„-i eine gegenphasige Kopplung kenntlich gemacht werden, während durch die in Klammern ebenfalls angegebenen Bezugszeichen 152 bis 15„_i eine gleichphasige Kopplung kenntlich gemacht werden soll. Durch die weiteren Zusatzkoppler 16|, I62 usw. bis 16„ werden wiederum Resonatorgruppen aus den Resonatoren 1 und 3 oder aus den Resonatoren 2 und 4 bis schließlich zu den Resonatoren 2„_₂ und 2„ zusätzlich miteinander verkoppelt. Zusatzkoppler, die gegenphasig schwingende Abschnitte der ihnen zugeordneten Resonatoren verbinden, sind mit den Bezugsziffern I61 bis 16„ kenntlich gemacht, während durch die eingeklammerten Bezugszeichen 17| bis 17„ wiederum die Möglichkeit angegeben werden soll, gleichphasig schwingende Resonatorabschnitte miteinander zu verkoppeln. can be seen from the front side and shown as cylindrical rollers which, if necessary, can also be provided with a flattening for more precise fastening of the coupling elements. The main coupler IO and the additional coupler 13 connecting the resonators 1 and 2n are also only shown schematically, and it can also be assumed here that all couplers - as in FIGS. 5 and 6 - run longitudinal vibrations and are thus attached to the resonators ₀ in a corresponding manner. The additional coupling elements 142, 143, etc. to 14 "_i" additionally couple the resonators 2 and 2 "_i or 3 and 2" -2 and finally the resonators /? - 1 and n + 2 to one another. Similar to the exemplary embodiments according to FIGS. 5 and 6, an anti-phase coupling is to be identified by the reference numerals 142 to 14 ″ -i, while an in-phase coupling is to be identified by the reference symbols 152 to 15 ″ - also indicated in brackets. By means of the additional couplers 16 |, I62, etc. to 16 ″, resonator groups from resonators 1 and 3 or from resonators 2 and 4 up to resonators 2 ″ _ ₂ and 2 ″ are additionally coupled to one another. Additional couplers, which connect sections of the resonators assigned to them that oscillate in antiphase, are identified by the reference numerals I61 to 16 ″, while the bracketed reference numerals 17 | to 17 “the possibility should again be given of coupling resonator sections oscillating in phase with one another.

Zweck dieses Aufbaus ist es, alle 2n—2 Pole, zu deren Ausbildung die Konfiguration fähig ist, gezielt auf vorgegebene reelle und/oder komplexe Frequenzen zu legen, womit je nach Stärke und Phase der Koppler Dämpfungsversteilerung und/oder Laufzeitebnung des Filters erreicht wird. 1st die exakte Lage eines oder mehrerer dieser Pole unkritisch oder ist der Filteraufbau unsymmetrisch, so können einer oder mehrere der Überkoppler entfallen.The purpose of this structure is to place all 2n-2 poles, which the configuration is capable of developing, specifically on given real and / or complex frequencies, which, depending on the strength and phase of the coupler, increases the attenuation and / or flattens the transit time of the filter. If the exact position of one or more of these poles is not critical or if the filter structure is asymmetrical, then one or more of the over-couplers can be omitted.

Wie bereits erwähnt, können dem Resonator 1 bzw. dem Resonator 2„ weitere mechanische Filterbaugruppen entweder vor- oder nachgeschaltet sein, so daß also die in den F i g. 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele nur einen Ausschnitt aus einem Gesamtfilter darstellen. Im einfachsten Fall wird dem Resonator 1 ein elektromechanischer Wandler über eine mechanische Kopplung vorgeschaltet sein, der geeignet ist, elektrische Schwingungen in mechanische Schwingungen umzuwandeln. Für den Fall, daß der Resonator 2„ nicht gleichzeitig den Endresonator des Filters darstellt und demzufolge mit einer elektrostriktiv aktiven Keramik als Wandlerelement versehen ist, ist auch dem Resonator 2„ über eine mechanische Kopplung ein elektromechanischer Wandler nachzuschalten, der die mechanischen Schwingungen in elektrische Schwingungen zurückverwandelt.As already mentioned, further mechanical filter assemblies can either be connected upstream or downstream of the resonator 1 or the resonator 2, so that the components shown in FIGS. 5 to 7 show only a section of an overall filter. In the simplest case, an electromechanical transducer, which is suitable for converting electrical vibrations into mechanical vibrations, will be connected upstream of the resonator 1 via a mechanical coupling. In the event that the resonator 2 " does not simultaneously represent the final resonator of the filter and is therefore provided with an electrostrictively active ceramic as a transducer element, an electromechanical transducer is to be connected downstream of the resonator 2" via a mechanical coupling, which converts the mechanical oscillations into electrical oscillations transformed back.

Die beschriebene Anordnung gestattet bei m=2n Resonatoren die Erzeugung von /n—2 Polen; das ist das überhaupt erreichbare Maximum, und es ist dies von entscheidender Bedeutung bei Filterforderungen an minimale Grundlaufzeit.The arrangement described allows / n-2 poles to be generated with m = 2n resonators; this is the maximum achievable at all, and this is of decisive importance in the case of filter requirements for a minimum basic running time.

Bei der gewählten Anordnung werden bei den in der Praxis sehr häufigen Fällen ungefähr frequenzsymmetrischer Bandpaßforderungen die Lagen der Pole im wesentlichen von den Hauptüberbrückungen (i)-(2n+ \-i) bestimmt, während die Zusatzüberbriikkungen (j)~(J+2) die Feineinteilung vornehmen, wobei ; und j Zählvariable sind. Für die Fertigungstechnik bedeutet dies eine sehr günstige Verteilung der Fehlertoleranzen, da diese Zusatzüberbrückungen relativ schwach sind und damit die Gefahr einer Verfälschung der bandbreitebestimmenden Hauptkopplungen (k)-(k+1) durch Aufbaufehler gering ist.With the chosen arrangement, in the cases of approximately frequency-symmetrical bandpass requirements, which are very common in practice, the positions of the poles are essentially determined by the main bridges (i) - (2n + \ -i) , while the additional bridges (j) ~ (J + 2) the Make fine division, whereby; and j are counting variables. For manufacturing technology, this means a very favorable distribution of the error tolerances, since these additional bridges are relatively weak and the risk of falsification of the bandwidth-determining main couplings (k) - (k + 1) due to construction errors is low.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Mechanical filter with several mechanically coupled resonators, of which at least the first and last are also mechanically coupled to one another in such a way that poles of the transfer function occur, and the filter also consists of 2n resonators, π > 3, which have a phase via main couplers are coupled to each other by less than 90 ° and additional couplers are attached in such a way that at least one of the resonator groups consisting of resonator (2) and resonator (2n- 1), of resonator (3) and resonator (2 / j-2) etc. to resonator (n-1) and resonator (n + 2), are connected to one another, characterized in that at least one further additional coupler (16i to I6 "or 17i to 17") is provided, which is one of the resonator groups of resonator (1) and Resonator (3), or from resonator (2) and resonator (4) etc. to resonator (2 / 3-2) and resonator (2nJ coupled.

2. Mechanical filter according to claim 1, characterized in that the first resonator (1) and / or the last resonator (2n) further mechanical filter assemblies are added.

3. Mechanical filter according to one of the preceding claims, characterized in that the resonators (1 to 2n) bending vibrations and the coupling elements (main and auxiliary couplers 10; 142 to 14 "-i or 15j to 15"-i; 16] to 16 „Or 17i to 17 _{Π /} / perform longitudinal vibrations.