DE2347685B2 - Bandsperre fuer elektrische schwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bandsperre für elektrische Schwingungen in Form eines als überbrücktes T-Glied ausgebildeten AUpaßgliedes zweiter Ordnung mit Kapazitäten in den Längszweigen, einer Spule im Querzweig und einem Parallelschwingkreis und einem zweikreisigen Quarzinonolithen im überbrückungszweig.

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 Ubertragungsbändern 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. H e r ζ ο g »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, S. 515 bis 519 und S. 640 beschrieben. Die Verwendung 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 bekanntgeworden, bei denen zweikreisige Quarzmonolithe in Tiefpaßschaltungen einbezogen sind. Diese Schaltungen sind im »IEEE International Symposium on Circuit Theory«, Dez. 14 bis 16, 1971, Atlanta, beschrieben worden^ Abgesehen von der Begrenzung des oberen Durchlaßbereiches durch den Tiefpaß lassen sich bei diesen Schaltungen nur mühsam kleine Reflexionsfaktoren durch itemative Methoden im gesamten Übertragungsband erreichen. Die übersetzung auf das Impcdanzni\'eau der Quarzmonolithe erfolgt durch vor- und nachgeschaltete über-

trager, 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 lies Ubertragungsbandes an das Impedanzniveau der Schaltung angepaßt werden kann

Ausgehend von einer Bandsperre für elektrische Schwingungen in Form eines als überbrücktes T-Glied ausgebildeten AUpaßgliedes zweiter Ordnung mit Kapazitäten in den Längszweigen, einer Spule im Querzweig und einem Parallelschwingkreis und einem zweikreisigen Quarzmonolithen im überbrückungszweig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in den Uberbrückungszweig der zweikreisige Quaramonolith derart einbezogen ist, daß seine statischen Kapazitäten parallel zu den im Längszweig des AUpaßgliedes liegenden Kapazitäten geschaltet sind, und daß zur übersetzung der Impedanz des zweikreisigen Monolithen die im Uberbrückungszweig des AUpaßgliedes liegende Spule als Sparübertrager ausgebildet ist.
Bei der Erfindung wird von der Überlegung ausgegangen, den Vorteil des breitbandigen Ubertragungsverhaltens von Allpaßgliedern auch hei solchen Bandsperren auszunutzen, die einen zweikreisigen Quarzmonolithen enthalten. Zugleich soll! sichergestellt sein, daß sich das Impedanzniveau der Quarze in einfacher Weise an das Impedanzniveau der Schaltung anpassen läßt.

An Hand eines Ausführungsbeispieles wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert:.
Es zeigen in der Zeichnung

F i g. 1 bis 3 die Ersatzschaltbilder eines gleichphasig bzw. gegenphasig geschalteten zweikreisigen Quarzmonolithen sowie den zugehörigen Reaktanzverlauf des Kurzschlußwiderstandes,
F i g. 4 ein Allpaßglied zweiter Ordnung mit einbezogenem zweikreisigem Quarzmonolithen,

F i g. 5 die Kurzschlußreaktanz X_K und die Leerlaufreaktanz X₁ des zur Schaltung nach F i g. 4 zugehörigen Kreuzgliedes,
F i g. 6 Abstimmschemata der Kreuzglied reaktanzen nach F i g. 5, gekennzeichnet durch die Wellenparameterklassifikation nach Oswald und D u b ο s (»Cables & Transmission«, 9, 1955, S. 177 bis 201), F i g. 7 die Äquivalenz zwischen symmetrischem

Brücken-T-Glied mit Längsübertrager und Kreuzschaltung,

F i g. 8 ein Ausführungsbeispiel einer Bandsperre mit zweikreisigem Quarzmonolithen der Klasse C₁2. F i g. 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 ein fache Weise zu expliz'ten Ergebnissen führt und einer

^chen Überblick über den Einfluß der verschiedenen Parameter - wie z. B. der Bandbreite, der AHpaß-

gSSär£

TSgS£SS£är£™ Varianten des _zW^reTsigen Quarzmonolithen werden die in F i g. 1 5 sachten, uud -> gezeigten Strukturen verwendet. Bezieht man q"«« « Ethltungen wit in Fi g 4 dar-

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_h F i 5

_6n Abstimms ⁿ _{und Χχ nach} F i g. 5

»basig und gegenphasig geschalteten zweihreisigen Ouarzmonolithen sowie die zugehöngen elektrischen Ersatzschaltbilder dargestellt. Man erkennt in den Ersatzschaltbildern die den beiden mechanischen Recnnatoren des Monolithen zugeordneten Serien-SSngkreise mit der Induktivität L und der Kapazit'ät C₉, den die Verkopplung der baden Resonatoren symbolisierenden Kapazüatsstern Q/2, -C₄, C₁/2 krw -C₁" C₄, -C_t/2 sowie an den äußeren Wem- ^ Spaaien die"¹ Belegungskapazitäten C₀. Dk Schalt-Sie, welche die Serienresonanzen/, bzw. J, gemäß F i g. 3 erzeugen, sind in den F ι g. 1 und 2 durch Klammern zusammengefaßt. f4 it di Schaltung ei ,. > _{z (tIjJ} = z_t(oj = 0,

C,2: ω_β < <»„„ Z_K(o,_m) - Z,.(o,,„)

^. _{> z}^ , ₌ z_L(_t-i,„) = x,

_C,₂*_: ,„. < „,„„ Z_K(o,J = Z_L(o,J = x ■

Konstanzgründen zweckmäßig, die ts ist au bevorzugen Nachdem d.e

Klassen C₁-

stanzgründen zweckmäg,

bevorzugen. Nachdem d.e

₁ Nullstellen der Kreuz-

de Pok und ^ ^

η _{d h nparamet}ertheom.aus

_der theoretischen Bandbre,te " _Aiißsonanzfrequenz ι«

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Ffg.4 zeigt die Schaltung eines AllpaßgUedes 25 ,,, -,_em ⁺¹ _We "mviderstandsgrenzwert Z(x) die

zweiter Ordnung mit einbezogencm zweikre.sigem und dem Wellen _{wer(Jen ln d nach}.

Qua zmonolithen, wobei die gestrichelt eingerahmte Sch^telementewe le t, _BemeSsungsformel

Sk d Ersatzschaltbild des 0»™°^«*« Kf l " Kliedreaktanzen X₁ un

nolithen, wobei die gest das Ersatzschaltbild des Schaltelementewerte berecnnei wtiuv..,. ... — ._. folgenden Tabelle sind die exakten Bemessungsformeln für die Elemente der Kreuzgliedreaktanzen X₁ und X_K nach F i g. 5 mit der Abkürzung

_or C und im Querzweig der Schaltung hegt D llmeinen Fall mit fre.er Para

und im Querzweig der Schalg g SpukL, Dem allgemeinen Fall mit fre.er Parameterwahllegt man TUr die Berechnung die Kreuzgl.edren mit unterschiedlichen Quaranduktivitaun™L, ^ nach F i g. 5 zugrunde. Wie in der 35 angegeben.

Hl =

m('"T„ — '"I₁)

(1) (2) (3)

"^K

m (ei,,,

•»i. - «ft

C₄

2m Z (X)(CC₁-"';,)

. . -i 21

2in "',,,

vT

•"Tu L_qK

ί"ΐ+'"²,~"'²+ι> i-„/>V ~ "'²J

(ci-'-i) _

/Il Ci₁₁₁Z (X )K +

'" "'»'_-_.,■
2 Z YxMc''², - "V

2 C₁₁₁ Zl xMc.;-in c.„, Z(X)

2('c.:,"'-~ci,i "1~"Z"

(4) (5) (6)

(9) (10)

Voraussetzung für die richtige Wahl der theoretischen Bandbreite/1W₁ bzw. der Grenzfrequenzen m _{+ 1} und <»_! ist die Kenntnis des Zusammenhanges zwischen A O)₁ und der geforderten Sperrbreite ! m_y

Im Bereich um die .Mittenfrequenz o>,„ ist für den symmetrischen Fall m = 1 der Verlauf der Betriebsdämpfung α_Β(Ω) und der Reflexionsdämpfung a_r(ü) durch die Formeln

a_B(ü) * In /1 +

4fl*

a_r(ü) * In |/1 + 4 if
mit guter Näherung festgelegt, wobei

ü = 2

If-I₁

(H)

(12)

(13)

'4(e^2u». - 1),

_LqK « zw__t

(15)

In Fig. 7 ist ein überbrücktes T-Glied mit den Impedanzen Z in den Längszweigen und Z₂ im Querzweig dargestellt. Im Uberbrückungszweig liegt die ImpedanzZ₁ 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 F i g. 7 auf die Sperrenschaltung nach F i r. 4 an und wählt als übersetzung ti = yL^jL^_K, so erhält man die realisierbare Sperrenschaltung nach F i g. 8 mit der Quarzinduktivität L_q. Die Schaltelementewerte können der vorstehenden Element wert-Tabelle entnommen werden. Es hat sich lediglich der Wert der überbrückungskapazität C_p in

ist. Aus den Gleichungen (11) und (13) lassen sich bei gegebener Sperrbreite /I cm, leicht die theoretische Bandbreite /I CM₁ und daraus die Grenzfrequenzen cm _{+ 1} und oj_, ermitteln. Es ist iJ_s = AiJiJA(O₁ und damit

(14)

wenn a_Bs die innerhalb der Sperrbreite I t-i_v geforderte Sperrdämpfung ist.

Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß die Quarzinduktivitäten L_qL und L_qK der Kreuzgliedreaktanzen abhängig von o>„ ■m allgemeinen stark unterschiedliche Werte annehmen. Für den praktisch wichtigen symmetrischen Fall m = 1 gilt näherungsweise

(17)

geändert.

F i g. 8 zeigt die elektrische Ersatzschaltung und die tatsächlich realisierbare Bandsperren-Schaltung der Klasse C₁I mit dem Quarzmonolithen M im Uberbrückungszweig. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ">a < ">,„ ^ur|d die Koppelkapazität C_k < O.

Für die Klasse C₁2 ist C_pü unabhängig von der Wahl der Parameter stets negativ. Um auch in diesem Fall eine realisierbare Schaltung zu erhalten oder um bei der Klasse C_xI den Wert von C_piizu ändern, muß die Leerlaufreaktanz in der in F i g. 9 gezeigten Weise modifiziert werden. Bei vorgegebenen C_pü erhält man für die gestrichenen Größen folgende Beziehungen:

C = -—

40 2 L_qKC

mit C = 2Cp + C₅

c,

45

Der Faktor U₂ läßt sich durch die Wahl der Allpaßresonanzfrequenz o>„ unter der Voraussetzung einer den Quarzeigenschaften entsprechenden theoretischen Bandbreite Λ ω, immer so festlegen, daß L_qL ohne zusätzliche übersetzung einen realisierbaren Wert annimmt. Da die Sperre als überbrücktes T-Glied realisiert werden soll, die Schaltung nach F i g. 4 jedoch zwingend die Gleichheit der Induktivitäten

1—1—1 cc

L-ql. ~~ *-qK ~ *-q

verlangt, muß das Widerstandsniveau der Kurzschlußreaktanz X_K durch eine geeignete Transformationsschaltung mit der übersetzung U = ]/L_qlJL_qK angehoben werden, die Leerlaufreaktanz X_L darf dadurch jedoch nicht verändert werden. Diese Art der Übersetzung läßt sich durch einen Längsübertrager verwirklichen. Es gilt allgemein für symmetrische Vierpole die in F i g. 7 gezeigte Äquivalenz, was, wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen ergaben) mit Hilfe eines struktursymmetrischen Ersatzschaltbildes des Längsübertragers un d Anwendung des Satzes von B a r 11 e 11 nachweisbar ist.

C" =

CC

C — C

U,l = ^L*

(18)

(19)

(20)

'2 _

C'_K =

L'

Kl - '41

(22)

Durch die in F i g. 9 dargestellte Äquivalenz un< die Formeln (18) bis (22) läßt sich die Leerlaufimpe danz X_L (vgl. F i g. 5) umwandeln in die Leerlaul impedanz X{. Zur Ermittlung der Elementewert einer Sperren-Schaltung der Klasse C_,2 sind dem zufolge die Kurzschlußreaktanz X_K und die Leei iaufreaktanz X', zu verwenden. Gegenüber der Schal tung nach F i g. 8 ergibt sich dadurch ein zusätzliche Kondensator C" der in Serie zur Spule L, im Quei zweig liegt.

2

Eine für die Praxis nicht uninteressante Variante erhält man, wenn man die Gleichheit der Induktivitäten L._L und L_qK durch eine unsymmetrische Anordnung der Mittenfrequenz u>_m innerhalb der Grenzfrequenz oj_! und Oi₊₁, 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 zweikrei- to sige 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 »NTZ«, 1964, liegen die erreichbaren Sperrdämpfungen bei vorgegebener theoretischer Bandbreite Δ ω, und Sperrbreite Λ cü_s etwa zwischen den durch die eingliedrigen bzw. zweigliedrigen Sperren realisierbaren Dämpfungswerten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 509 584/387

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   .■%$. Beadsperre fiir elektrische Schwingungen in Form eines als überbrücktes T-Glied ausgebildeten AUpaßgliedes zweiter Ordnung mit Kapazitäten in den Längszweigen, einer Spule im Querzweig und einem Parallelschwingkreis und einem zweikreisigen Quarzmonolithen im überbrückungszweig, dadurch gekennzeichnet, daß in den überbrOckungszweig der zweikreisige Quarzmonolith (M) derart einbezogen ist, daß seine statischen Kapazitäten (C₀) parallel zu den im Längszweig des AUpaßgliedes liegenden Kapazitäten (C₁) geschaltet sind, und daß zur übersetzung der Impedanz des zweikreisigen Monolithen (M) die im überbrückungszweig des Allpaßgliedes liegende Spule (L_p) als Sparübertrager ausgebildet ist (F i g. 8).
2. 2. Bandsperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Querzweig liegenden Spule (L,) ein Kondensator (C₅') in Serie geschaltet ist (F i g. 8,9).
3. 3. Bandsperre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses (ü) des Sparübertragers dadurch erzielt wird, daß die Bauelemente (C₅, L₅) der T-Schaltung so bemessen sind, daß die Sperrdämpfungscharakteristik frequenzunsymmetrisch verläuft.