DE2347685C3 - Bandsperre für elektrische Schwingungen - Google Patents

Description

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

Bekanntlich werden in den Ubenvachungs- 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. H e r ζ 0 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«, !964, 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 ο Circuit Theory«, Dez. 14 bis 16, 1971, Atlanta, bt schrieben worden. Abgesehen von der Begrenzun des oberen Durchlaßbereiches durch den Tiefpa lassen sich bei diesen Schaltungen nur mühsam klein Reflexionsfaktoren durch iternative Methoden ir gesamten Dbertragungsband erreichen. Die Dbei setzuag auf das Impedanzniveau der Quarzmonc lithe erfolgt durch vor- und nachgeschaltete Dbei ίο trager, die zusätzlich im unteren und oberen Durch laßbereich bandbegrenzend wirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dei vorerwähnten Schwierigkeiten nach Möglichkeit ab zuhelfen und eine Bandsperre anzugeben, die siel is einerseits mit einem zweikreisigen Quarzmonolithei realisieren läßt und bei der andererseits das Impedanz niveau der Quarze möglichst ohne Störung des über tragungsbandes an das Impedanzniveau der Schaltunj angepaßt werden kann.

Ausgehend von einer Bandsperre für elektrisch! Schwingungen in Form eines als überbrücktes T-Gliec ausgebildeten Allpaßgliedes zweiter Ordnung mi Kapazitäten in den Längszweigen, einer Spule in Querzweig und einem Parallelschwingkreis und einen* is zweikreisigen Quarzmonolithen im überbrückungszweig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in der überbrückungszweig der zweikreisige Quarzmonolitr. derart einbezogen ist, daß seine statischen Kapazitäten parallel zu den im Längszweig des Allpaßgliedes liegenden Kapazitäten geschaltet sind, und daß zui Ubersetiung der Impedanz des zweikreisigen Monolithen die im Uberbrückungszweig 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 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 X_L des zur Schaltung nach F i g. 4 zugehörigen Kreuzgliedes,

F i g. 6 Abstimmschemata der Kreuzgliedreaktanzen nach F i g. 5, gekennzeichnet durch die Wellenparameterklassifikation nach Oswald und D u b 0 s (»Cables & Transmission«, 9, 1955, S. 177 bis 201), F i g. 7 die Äquivalenz zwischen symmetrischem

Brücken-T-Glied mit Längsübertrager und Kreuz-

f>o schaltung,

F i g. 8 ein Ausführungsbeispiel einer Bandsperre mit zweikreisigem Quarzmonolithen der Klasse C,2, F i g. 9 äquivalente Zweipole zur Realisierung weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Berechnung der elektrischen Eigenschaften und der Schaltelementewerte wird mit Hilfe der Wellenparameteitheorie 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 AllpaU-resonanzfrequenz „sw - erlaubt.

Als Ersatzschaltbilder fur die zwei Varianten des zweikreisigen Quarzmonohthen werden die in F> g. 1 s und 2 gezeigten Strukturen verwendet. Bezieht man eine dieser ErsatzschaUungen - wie in F i g. 4 dargestellt -in em Allpaßglied 2. Ordnung ein. so entsteht eine Bandsperrenstruktur, die für eine bestimmte. fest vorgegebene ParameterkornSnaiion realisierbar ist. In den I-ig. 1 und 2 sind die Symbole fiir den gleichphasig und gegenphasig geschalteten zweikreisigen Quarzmonolithen sowie die zugehörigen elek.nschen Ersatzschaltbilder dargestellt. Man erkennt in den Ersatzschaltbildern die den beiden mechanischen Resonatoren des Monolithen zugeordneten Serien-Schwingkreise mit der Induktivität L, und der Kapazilät C, den die Verkopplung der beiden Resonatoren symbolisierenden Kapazitätsstern C₄ 2. -C₄. C₄ 2 bzw. -C₁ 2. C₄, -C₄ 2 sowie an den äußeren Klemmenpaaren die Belegungskapazitäten C₀. Die Schaltelemente, welche die Serienresonan -en /, bzw. /, gemäß FJg.3 erzeugen, sind in den Fig. I und 2 durch Klammern zusammengefaßt.

Fig. 4 zeigt die Schaltung eines Allpaßgliedes :s zweiter Ordnung mit einbezogenem zweikreisigem Quarzmonolithen. wobei die gestrichelt eingerahmte Struktur das Ersatzschaltbild des Quarzmonolithen wiedergibt. Im überbruckungszweig liegt ein Parallelresonanzkreis mit der Spule L_p und dem KondensatorC_r und im Querzweig der Schaltung liegt eine Spule L_v. Dem allgemeinen Fall mit freier Parameterwahl legt man Tür die Berechnung die Kreu/^liedreaktanzen mit unterschiedlichen Quarzinduktivitäten L·, und L_qK nach F i g. 5 zugrunde. Wie in der bereits erwähnten Literaturstelle (»NTZ«, 1964. Hefi 10. S. 515 bis 519 und S. 640) nachgewiesen wird, isi _{es zwec}kmäßig, die Allpaßresonanzfrequenz „.. unterhalb oder oberhalb des durch die Quarze verur sachten, schmalen Sperrbereiches mit der Miuenfrequenz m„, anzuordnen. Unter dieser Voraussetzung sind die in F i g. 6 skizzierten Abstimmschemata ffii die Kreuzgliedreaktanzen X₁ und X_K nach Fi₁..; möglich. Die vier nach der' Wellenparameierklassilikation nach Oswald und Du bos gekennzeichneten Fälle besitzen folgende wesentliche Merkmale

^-1-^: <"* > "V ²x<"^J _m> ~ ^Zi.<"'J = ^υ·
C_,2*: ,-.„ > c,_m, Z_K[mJ = Z,U»_m) = χ.

Es ist aus Konstanzgründen zweckmäßig, die Klassen C.,2 und C,2 zu bevorzueen. Nachdem die prinzipielle Lage der Pole und Nulfstellen der Kreuzgliedreaktanzen nach Fig. 6 festgelegt ist. können nach den Regeln der Wellenparametertheorie aus der Mittenfrequenz <„_m. der theoretischen Bandbreite I ,„, = ,,^₁ -,„_,, der Allpaßresonanzfrequenz ..,„ und dem Wellenwiderstandsgrenzwert Z (χ) die Schaltelementewerte berechnet werden. In der nachfolgenden Tabelle sind die exakten Bemessungsformeln Tür die Elemente der Kreuzgliedreaktanzen X₁ und Λ'_λ nach F i «. 5 mit der Abkürzuni;

«1 =

= I/--"-V-¹ reangegeben.

Klasse C₁:: .·.., ■-- .·,,„. C₁ < ο

Hl ID_n, Z ( Χ )
IC₊₁ — fi)7„)

Klasse C , 2: '■>„ > '■:,„. C₁ > ο

">„,Z (X) /il((')7„ - er.,)

11) (2) (3) (4)

!/.("¹IIi^ <"~ql)

in (mi — ης)

2ιιιΖ|ϊ)(₍,.²,,-,,,;)

2 /H fi)„ Z ( X I (υΓ — er

..._mZ(r.)
2m(.„7„ - ■··.;)

(07, + fi)7_P, — cr_+I 7

/// ",„, Z I χ )

(9) (10)

Voraussetzung für die richtige Wahl der theoretischen Bandbreite I m, bzw. der Gren>frequenzen <·, ^₁ und (/>_, ist die Kenntnis des Zusammenhanges zwischen IdJ₁ und der geforderten Sperrbreite l·^.

Im Bereich um die Mittenfrequenz ^₁₁₁ ist für den symmetrischen Fall m = I der Verlauf der Betriebsdämpfung a_B{i>) und der Reflexionsdämpfung a,(i>) durch die Formeln

u_B(Ü) * In 1/1

47?

a_r{ü) % In iΊ +4.Q⁴
mit guter Näherung festgelegt, wobei

2 \r.

(II)

(12)

(13)

ist. Aus den Gleichungen (11) und (13) lassen sich bei gegebener Sperrbreite I m_s leicht die theoretische Bandbreite I tu, und daraus die Grenzfrequenzen m _{+ 1} und <■)_, ermitteln. Es ist ii_s = \o<J Im₁ und damit

, i/4(c^T"»- - 1).

(14)

wenn a_Ss die innerhalb der Sperrbreite I »·>_Λ geforderte Sperrdämpfung ist.

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

Z(x)

(15)

Z(x)

= L_qK =

In F i g. 7 ist ein überbrücktes T-Glied mit den Impedanzen Z in den Längszweigen und Z₂ im Querzweig dargestellt. Im überbrückungszweig liegt die Impedanz Z₁ 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 erhallen bleibt.

Wendet man diese Äquivalenz, nach I'ig. 7 auf die Sperrenschaltung nach F i .g. 4 an und wählt als Übersetzung ü = \'L_q!jL_qK, so erhält man die realisierbare Sperrenschaltung nach F i g. 8 mit der Quarzinduktivität L_q. Die Schaltelemenlewerte können der vorstehenden Elementwert-Tabeile entnommen werden. Es hat sich lediglich der Wert der überbrückungskapazität C_n in

r ₌

- pu

(17)

geändert.

F i g. 8 zeigt die elektrische Ersatzschaltung und die tatsächlich realisierbare Bandiiperren-Schaltung der Klasse C₁2 mit dem Quarz.monolithen M im überbrückungszweig. Bei diesem A.usführungsbeispiel ist <"u < '¹Vi ^und die Koppelkapazität C_k < 0.

Für die Klasse C__t2 ist C_pli unabhängig von der

Wahl der Parameter stets negativ. Um auch in diesem Fall eine realisierbare Schaltung zu erhalten oder um bei der Klasse C₁2 den Wert von C_püzu ändern, muß die Leerlaufreaktanz in der in Fi g. 9 gezeigten Weise modifiziert werden. Bei vorgegebenen C_pü erhält man

für die gestrichenen Größen folgende Beziehungen:

· = ^- V^- Γι + l/i + HäJmlC

2 L_qKC L V C_s L„.C

Der Faktor U₂ läßt sich durch die Wahl der Allpaßresonanzfrequenz <»_a unter der Voraussetzung einer den Quarzeigenschaften entsprechenden theoretischen Bandbreite . I ω, immer so festlegen, daß L_q, 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

mit C = 2 C_p + C,

-s s

(18)

(19)

verlangt, muß das Widerstandsniveau der Kurzschlußreaktanz X_K durch eine geeignete Transformations- schaltung mit der Übersetzung ü = fL_qLjL_qK angehoben werden, die Leerlaufreaktanz X_L darf da- durch jedoch nicht verändert werden. Diese Art der übersetzung läßt sich durch einen Längsübertrager verwirklichen. Es gilt allgemein fur symmetrische Vierpole die in F i g. 7 gezeigte Äquivalenz, was, wie der Erfindung zugrunde liegende LTntersuchungen ergaben) mit Hilfe eines struktursymmetrischen Ersatzschaltbildes des Längsübertragers und Anwendung des Satzes von B a r 11 e 11 nachweisbar ist.

α =

^j-,lI'",l

Durch die in F i g. 9 dargestellte Äquivalenz und die Formeln (18) bis (22) läßt sich die Leerlaufimpedanz X_L (vgl. Fig.5) umwandeln in die Leerlaufimpedanz X'_L. Zm Ermittlung der Elementewerte einer Sperren-Schaltung der Klasse C_j2 sind demzufolge die Kurzschlußreaktanz X_K und die Leerlaufreaktanz X'_L zu verwenden. Gegenüber der Schaltung nach F i g. 8 ergibt sich dadurch ein zusätzlichei Kondensator C" der in Serie zur Spule L₅ im Querzweig liegt.

Eine für die Praxis nicht uninteressante Variante erhalt man. wenn man die Gleichheit der Induktivitäten L₁ und L_qK durch eine unsymmetrische Anordnung der Mittenfrequenz In₁₁₁ innerhalb der Grenzfrequenz i/;_[ und o _{+ l}. also für in— 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 Quarzmonoliihe 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 Ubertragungsbandbreite auch oberhalb des Sperrbereiches. Im Vergleich zu Sperrenschaltungen mit Einzelquarzen nach »NTZ«. 1964. liegen die erreichbaren Sperrdämpfungen bei vorgegebener theoretischer Bandbreite Im₁ und Sperrbreite Im_s etwa zwischen den durch die eingliedrigen bzw. zweigliedrigen Sperren realisierbaren Dämpfuiiüswerten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

609 636/275

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   I. Bandsperre für elektrische Schwingungen in Form eines als überbrücktes T-Glied ausgebildeten Allpaßgliedes 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 überbrückungszweig der zweikreisige Quarzmonolith (M) derart einbezogen ist, daß seine statischen Kapazitäten (C₀) parallel zu den im Langszweig des Allpaßgliedes liegenden Kapazitäten (CJ geschaltet sind, und daß zur übersetzung der Impedanz des zweikreisigen Monolithen (Af) 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 (LJ 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, LJ der T-Schaltung so bemessen sind, daß die Sperrdämpfungscharakteristik frequenzunsymmetrisch verläuft.