DE2347685A1

DE2347685A1 - Bandsperre fuer elektrische schwingungen

Info

Publication number: DE2347685A1
Application number: DE19732347685
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl Ing Buecherl; Walter Peters
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-21
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1975-04-17
Also published as: ATA754574A; GB1479171A; IT1021493B; JPS5078247A; SE7411869L; BE820166A; AU7354274A; NL7412500A; AT346388B; DE2347685B2; JPS5525736B2; FR2245128A1; FR2245128B1

Description

Bandsperre für elektrische Schwingungen

Die Erfindung betrifft eine Bandsperre für elektrische Schwingungen unter Verwendung eines zweikreisigen Quarzmonolithen.

Bekanntlich werden in den Überwachungs- und Regeleinrichtungen der Trägerfrequenztechnik Bandsperren mit schmalem Sperrbereich benötigt, um die in solchen Einrichtungen mitübertragenen Pilotsignale im Bedarfsfalle von den eigentlichen Übertragungsbändern trennen zu können. Solche Bandsperren bestehen meist aus Allpässen, in die zur Erzeugung eines schmalbandigen Sperrbereiches Quarze einbezogen sind. Bekannte Bandsperren dieser Art sind beispielsweise angegeben in dem Buch von W.Herzog "Siebschaltungen mit Schwingkristallen", Verlag Friedr. Vieweg und Sohn, Braunschweig, 1962 und dort insbesondere die Schaltung auf den Seiten 328 und 329. Diese Schaltung ist jedoch mit Hilfe eines sogenannten Drei-Elektrodenquarzes aufgebaut und hat deshalb die Eigenschaften einer einwertigen Bandsperre. Weitere bekannte Schaltungen sind in der Zeitschrift "NTZ", 1964, Heft 10, Seiten 515 bis 519 und Seite 640 beschrieben. Die Vervrendung monolithischer Quarze ist bei diesen bekannten Schaltungen.; jedoch nicht vorgesehen. ·.'.

In dem Bestreben, neben Bandpässen auch Bandsperren mit zweikreisigen monolithischen Quarzen zu realisieren, sind weiterhin Schaltungen bekannt geworden, bei denen zweikrei sige Quarzmonolithe in Tiefpaßschaltungen einbezogen sind. Diese Schaltungen sind im "IEEE International Symposium on Circuit Theory", Dec.14-16, 1971, Atlanta, beschrieben

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worden. Abgesehen von der Begrenzung des oberen Durchlaßbereiches durch den Tiefpaß lassen sich bei diesen Schaltungen nur mühsam kleine Reflexionsfaktoren durch iterative Methoden im gesamten Übertragungsband erreichen. Die Übersetzung auf das Impedanzniveau der Quarzmonolithe erfolgt durch vor- und nachgeschaltete Übertrager, die zusätzlich im unteren und oberen Durchlaßbereich bandbegrenzend wirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten nach Möglichkeit abzuhelfen und eine Bandsperre anzugeben, die sich einerseits mit einem zweikreisigen Quarzmonolithen realisieren läßt und bei der andererseits das Impedanzniveau der Quarze möglichst ohne Störung des Übertragungsbandes an das Impedanzniveau der Schaltung angepaßt werden kann.

Ausgehend von einer Bandsperre für elektrische Schwingungen unter Verwendung eines zweikreisigen Quarzmonolithen, wird, diese Aufgabe gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß der Quarzmonolith in den Überbrückungszweig eines als überbrücktes T-Glied ausgebildeten Allpaßgliedes zweiter Ordnung mit einer Spule im Querzweig und einem Parallelschwingkreis im Überbrückungszweig derart einbezogen ist, daß die statischen Kapazitäten des Quarzmonolithen parallel zu den im Längszweig des Allpaßgliedes liegenden Kapazitäten geschaltet sind, "und daß zur Übersetzung der Quarzimpedanz die im Überbrückungszweig des Allpaßgliedes liegende Spule als Sparübertrager ausgebildet ist.

Bei der Erfindung wird von der Überlegung ausgegangen, den Vorteil des breitbandigen Übertragungsverhaltens von Allpaßgliedern auch bei solchen Bandsperren auszunützen, die einen zweikreisigen Quarzmonolithen enthalten. Zugleich soll sichergestellt sein, daß sich das Impedanzniveau der

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Quarze in einfacher Weise an das Impedanzniveau der Schaltung anpassen läßt.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigen in der Zeichnung:

Pig.1 bis 3 die Ersatzschaltbilder eines gleichphasig bzw. gegenphasig geschalteten zweikreisigen Quarzmonolithen sowie den zugehörigen !Reaktanzverlauf des Kurzschlußwiderstandes;

Pig.4- ein Allpaßglied zweiter Ordnung mit einbezogenem zweikreisigen Quarzmonolithen;

Pig.5 die Kurzschlußreaktanz X_K und die Leerlaufreaktanz Xt des zur Schaltung nach Pig.4 zugehörigen Kreuzgliedes;

Pig.6 Abstimmschemata der Kreuzgliedreaktanzen

nach Pig.5, gekennzeichnet durch die Wellenparameterklassifikation nach Oswald und Dubos ("Cables & Transmission», 9, 1955, Seiten 177 bis 201);

Pig.7 die Äquivalenz zwischen symmetrischem

Brücken-T-Grlied mit Längsübertrager und Kreuzs chaltung;

Pig.8 ein Ausführungsbeispiel einer Bandsperre mit zweikreisigem Quarzmonolithen der Klasse C₁2;

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Pig.9 äquivalente Zweipole zur Realisierung weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Die Berechnung der elektrischen Eigenschaften und der Schaltelementewerte wird mit Hilfe der Wellenparametertheorie durchgeführt, weil diese auf einfache Weise zu expliziten Ergebnissen führt und einen raschen Überblick •über den Einfluß der verschiedenen Parameter - wie z.B. der Bandbreite, der Allpaßresonanzfrequenz usw. - erlaubt.

Als Ersatzschaltbilder für die zwei Varianten des zweikreisigen Quarzmonolithen werden die in Fig.1 bis 2 gezeigten Strukturen verwendet. Bezieht man eine dieser Ersatzschaltungen - wie in Pig.4 dargestellt - in ein Allpaßglied 2. Ordnung ein, so entsteht eine Bandsperrenstruktur, die für eine bestimmte, fest vorgegebene Parameterkombination realisierbar ist. In den Pig.1 und 2 sind die Symbole für den gleichphasig und gegenphasig geschalteten zweikreisigen Quarzmonolithen sowie die zugehörigen elektrischen Ersatzschaltbilder dargestellt. Man erkennt in den Ersatzschaltbildern die den beiden mechanischen Resonatoren des Monolithen zugeordneten Serienschwingkreise mit der Induktivität L und der Kapazität C , den die Verkopplung der beiden Resonatoren symbolisierenden Kapazitätsstern C_k/2, -Cj₅., C_k/2 bzw. -Cj₅-/², C^, -Cj₅/² sowie an den äußeren Klemmenpaaren die Belegungskapazitäten C . Die Schaltelemente, welche die Serienresonanzen f.. bzw. fp gemäß Fig.3 erzeugen, sind in den Pig.1 und 2 durch Klammern zusammengefaßt.

Pig.4 zeigt die Schaltung eines Allpaßgliedes zweiter Ordnung mit einbezogenem zweikreisigen Quarzmonolithen, wobei die gestrichelt eingerahmte Struktur das Ersatzschaltbild des Quarzmonolithen wiedergibt. Im Überbrückungszweig liegt ein Parallelresonanzkreis mit der Spule L und dem

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Kondensator C und im Querzweig der Schaltung liegt eine Spule L . Dem allgemeinen Fall mit freier Parameterwahl legt man für die Berechnung die Kreuzgliedreaktanzen mit unterschiedlichen Quarzinduktivitäten Lt und K nach Fig.5 zugrunde. Wie in der bereits erwähnten Literaturstelle ("NTZ", 1964, Heft 10, Seiten 515 bis 519 und Seite 640) nachgewiesen wird, ist es zweckmäßig, die Allpaßresonanzfre-•quenz ω_η unterhalb oder oberhalb des durch die Quarze ver-

el

ursachten, schmalen Sperrbereiches mit der Mittenfrequenz ω anzuordnen. Unter dieser Voraussetzung sind die in Fig.6 skizzierten Abstimmschemata für die Kreuzgliedreaktanzen Xt und Xg. nach Fig.5 möglich. Die vier nach der Wellenparameterklassifikation nach Oswald und Dubos gekennzeichneten Fälle besitzen folgende wesentliche Merkmale:

°1^2ί "a^m' ^ZK^({V^=ZL^(u)m⁾⁼⁰

^ZK^(ü)m^)=ZL^(ü)m⁾⁼⁰°

Es ist aus Konstanzgründen zweckmäßig, die Klassen C_^2 und C-J2 zu bevorzugen. Nachdem die prinzipielle Lage der Pole und Nullstellen der Kreuzgliedreaktanzen nach Fig.6 festgelegt ist, können nach den Regeln der Wellenparametertheorie aus der Mittenfrequenz ω , der theoretischen Bandbreite Δω..=ω₊..-ω .., der Allpaßresonanzfrequenz ω und dem Wellenwiderstandsgrenzwert Z(co ) die Schaltelementewerte berechnet werden. In der nachfolgenden Tabelle sind die exakten BemessungeformeIn für die Elemente der Kreuzgliedreaktanzen Xt und X^. nach Fig.5 mit der Abkürzung

2^
^ωπΓ^ω-1

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angegeben.

	Klasse C.,2:	2	ηι(ω_ηι-ω_Ε)	^Gs	£iin /j ^ oo Jv^ ~w j	Klasse 0_.2:	(_ω ²__ω ²)	(D
V		1 2 _L ^ωΐη qK	m & m -1	m m B.		πιω_ΐηΖ(0_Ο)(ω² ₊ω²-ω² ₁)	(2)
%	»(»»-«a>("-r»a)(i-»-1»	·£ »i	2 2		^Cs	(3)
	m ω Ζ(οο )	(»Hi-»?i>	ω_π1 Z (oo )	u>_m Z(oo )	₂ „ζ W 2_ 2^ 2 ^ ' ^a" m'	(4)
	( 2 2x	2		mf ²-ω² )	m a m	(5)
2	1		1	2 2 m ω ₁ ω	(6)
^Ck	2 J₁	m ω_π1 Z (oo )	(7)
	1 2	2(ω²-ω²)	(8)
⁰P	^wm ^wa		(9)
¹P	(^ωΗ-^ω'ι)	(10)
	2

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Voraussetzung für die richtige Wahl der theoretischen Bandbreite Δω- bzw. der Grenzfrequenzen ω - und ω ₁ ist die Kenntnis des Zusammenhanges zwischen Δω- und der geforderten Sperrbreite Δω_ο.

Im Bereich um die Mittenfrequenz ω ist für den symmetrischen Fall m=1 der Verlauf der Betriebsdämpfung a-n(Q) und der Reflexionsdämpfung a (Ω) durch die Formeln

l/i+Λ (11)

4Ω⁴

_r (12)

mit guter Näherung festgelegt, wobei

ist. Aus den Gleichungen (11) und (13) lassen sich bei gegebener Sperrbreite Δω_β leicht die theoretische Bandbreite Δω₁ und daraus die Grenzfrequenzen ω,- und ω - ermitteln. Is ist Ω =Δω_Μ/Δω- und damit

SSl

_s . .ν- D, (H)

wenn a^, die innerhalb der Sperrbreite Δω geforderte Sperrdämpfung ist.

Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß die Quarzinduktivitäten L χ und I- der Kreuzgliedreaktanzen abhängig von ω_ im allgemeinen stark unterschiedliche Werte annehmen. Für den praktisch wichtigen symmetrischen Pail m=1 gilt näherungsweise

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-S-

ω⁴

*· a m

Der Faktor ü läßt sich durch die Wahl der Allpaßresonanzfrequenz ω_ο unter der Voraussetzung einer den Quarzeigen-

et

schäften entsprechenden theoretischen Bandbreite Δω., immer so festlegen, daß L- ohne zusätzliche Übersetzung einen realisierbaren Wert annimmt. Da die Sperre als überbrücktes T-G-lied realisiert werden soll, die Schaltung nach Fig.4 jedoch zwingend die Gleichheit der Induktivitäten L-T=L T7-=L verlangt, muß das Widerstandsniveau der Kurzschlußreaktanz X_v durch eine geeignete Transformationsschaltung mit der Übersetzung ü= ^ IijA¹ g angehoben werden, die Leerlauf reaktanz X-j- darf dadurch jedoch nicht verändert werden. Diese Art der Übersetzung läßt sich durch einen Längsübertrager verwirklichen. Es gilt allgemein für symmetrische Yierpole die in Fig.? gezeigte Äquivalenz, was, wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen ergaben, mit Hilfe eines struktursymmetrischen Ersatzschaltbildes des Längsübertragers und Anwendung des Satzes von Bartlett nachweisbar ist.

In Pig.7 ist ein überbrücktes T-Glied mit den Impedanzen Z in den Längszweigen und Zp im Querzweig dargestellt. Im Überbrückungszweig liegt die Impedanz Z.. sowie der symmetrisch ausgebildete Sparübertrager mit dem Übersetzungsverhältnis 1:ü. Die dazu äquivalente Kreuzgliedschaltung zeigt, daß durch den Längsübertrager nur die jeweils in den Längszweigen liegende Kurzschlußimpedanz übersetzt wird, während die in den Diagonalzweigen liegende Leerlaufimpedanz unverändert erhalten bleibt.

Wendet man diese Äquivalenz nach Pig.7 auf die Sperrenschaltung nach Fig.4 an und wählt als Übersetzung ü=y ^n VPA 9/647/3010 - 9 -

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so erhält man die realisierbare Sperrenschaltung nach Pig.8 mit der Quarzinduktivität" L . Die Schaltelementewerte können der vorstehenden Elementwert-Tabelle entnommen werden. Es hat sich lediglich der Wert der Überbrückungskapazität C in

geändert.

Pig.8 zeigt die elektrische Ersatzschaltung und die tatsächlich realisierbare Bandsperren-Schaltung der Klasse C.2 mit dem Quarzmonolithen M im Überbrückungszweig. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ω ^.ω und die Koppelkapazität C-, <£o.

Pur die Klasse C ₁2 ist C-- unabhängig von der Wahl der Parameter stets negativ. TJm auch in diesem Fall eine realisierbare Schaltung zu erhalten oder um bei der Klasse C. 2 den Wert von C - zu ändern, muß die Leerlaufreaktanz in der in Pig.9 gezeigten Weise modifiziert werden. Bei vorgegebenen C .· erhält man für die gestrichenen Größen folgende Beziehungen:

, ⁰S¹QL⁰S

C =

t / 80 «

⁰S

(18)

mit C=2C +C₀ P ^s

CIC₄.
OJ- φξ (19)

(20) (21)

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tt

Durch die in Pig.9 dargestellte Äquivalenz und die Formeln (18) bis (22) läßt sich die Leerlauf impedanz X-^ (vgl. Fig.5) umwandeln in die Leerlaufimpedanz X£. Zur Ermittlung der Elementewerte einer Sperren-Schaltung der Klasse C .2 sind demzufolge die Kurzschlußreaktanz X^ und die Leerlaufreaktanz Xi zu verwenden.. Gegenüber der Schaltung nach Fig.8 ergibt sich dadurch ein zusätzlicher Kondensator C" der in Serie zur Spule L_ im Querzweig liegt.

Eine für die Praxis nicht uninteressante Variante erhält man, wenn man die Gleichheit der Induktivitäten L -^ und L--durch eine unsymmetrische Anordnung der Mittenfrequenz ω innerhalb der Grenzfrequenz ω__.. und ω *, also für m^1, teilweise oder ganz erzwingt. In diesen Fällen kann die Übersetzung des Kurzschlußwiderstandes reduziert oder im Grenzfall ganz beseitigt werden.'

Im Gegensatz zu den bereits einleitend beschriebenen, bekannten Quarzsperren, bei denen zweikreisige Quarzmonolithe in unversteuerte Tiefpaßglieder einbezogen sind, werden hier Sperren angegeben, die als Basisschaltung einen Allpaß zweiter Ordnung verwenden. Diese Sperrenschaltungen besitzen gegenüber den bekannten den Vorteil hoher Reflexionsdämpfung und großer Übertragungsbandbreite auch oberhalb des Sperrbereiches. Im Vergleich zu Sperrenschaltungen mit Einzelquarzen nach ¹¹WTZ", 1964» liegen die erreichbaren Sperrdämpfungen bei vorgegebener theoretischer Bandbreite Δω., und Sperrbreite Δω etwa zwischen den durch die eingliedrigen bzw. zweigliedrigen Sperren realisierbaren Dämpfungswerten.

3 Patentansprüche
9 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Bandsperre für elektrische Schwingungen unter Verwendung eines zweikreisigen Quarzmonolithen, dadurch gekennzeichnet , daß der Quarzmonolith (M) in den Überbrückungszweig eines als überbrücktes T-Glied ausgebildeten Allpaßgliedes zweiter Ordnung mit einer Spule (L„) im Querzweig und einem Parallel-

Schwingkreis (ü L ,C ..) im Überbrückungs zweig derart einbezogen ist, daß die statischen Kapazitäten (C ) des Quarzmonolithen (M) parallel zu den im Längszweig des Allpaßgliedes liegenden Kapazitäten (C„) geschaltet

sind, und daß zur Übersetzung der Quarzimpedanz die im Überbrückungszweig des Allpaßgliedes liegende Spule (L ) als Sparübertrager ausgebildet ist (Fig.8).

Bandsperre nach Anspruch !,dadurch gekenn zeichnet , daß der im Querzweig liegenden Spule (L₃) ein Kondensator (C^) in Serie geschaltet ist (Pig.8,9).

Bandsperre nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich net durch eine derartige Bemessung, daß zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses (ü) des Sparübertragers die Sperrdämpfungscharakteristik frequenzunsymmetrisch verläuft.

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