DE2433874C3 - Elektromechanisches Filter - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein aus mechanischen Biegeresonatoren bestehendes elektromechanisches Filter, dessen Resonatoren parallel zueinander in einer Ebene liegend durch durchgehende Längs-Kopplungselemente sowohl an der Unter- als auch an der Oberseite der Resonatoren miteinander verbunden sind.

Ein bekanntes elektromechanisches Filter (DE-OS 60 180) besitzt Biegeresonatoren, die über durchgehende Längs-Kopplungselemente miteinander gekoppelt sind. Zusätzlich sind einander nicht unmittelbar benachbarte Resonatoren durch wenigstens ein weiteres Längs-Kopplungselement verbunden. Die beiden Arten von Kopplungselementen liegen auf der Unter- bzw. Oberseite der Resonatoren. Da die Bandbreite des Filters von der Stärke der Kopplung zwischen den Resonatoren bestimmt ist, werden einander nicht unmittelbar benachbarte Resonatoren durch zusätzliche Kopplungselemente (Bezugszahlen 13, 13' und 14) untereinander verbunden.

Dabei sind grundsätzlich zwei Möglichkeiten gegeben:

a) Von den zusätzlichen Kopplungselementen wird jeweils eine geradzahlige Anzahl von Filterresona- toren überbrückt. Hierbei ergeben sich wegen der Verbindung gleichphasig schwingender Resonato ren Polstellen bei nichtphysikalischen Frequenzen, wodurch sich das Laufzeitverhalten des Filters im Durchlaßbereich beeinflussen läßt; <>s

b) von den zusätzlichen Kopplungselementen wird jeweils eine ungeradzahlige Anzahl von Filterresonatoren überbrückt. Hierdurch entsteht ein Dämpfungspol oberhalb des Durchlaßbereiches bei einer reellen Frequenz.

Diese Filterungschrakteristiken werden für viele Anwendungsfälle als unzureichend angesehen. Es stellt sich daher die Aufgabe, zwei Dämpfungspole bei reellen Frequenzen im Bereich der Bandenden des Filterbandes zu erzeugen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem elektromechanischen Filter eine Konstruktion gemäß kennzeichnendem Teil des Anspruches I vorgeschlagen.

Das letztgenannte Filter unterscheidet sich in folgenden Punkten von dem bekannten Filter:

a) Die Achsen der Resonatoren sind in zwei parallelen Ebenen angeordnet Das zentrale Kopplungselement liegt zwischen ihnen, d.h. in einer dritten Ebene, die parallel zwischen den Ebenen der Resonatoren liegt

b) Die Resonatoren liegen alternierend (d. h. auf Lücke), mit Ausnahme von Resonator-Paaren, welche eine besondere Aufgabe erfüllen.

c) Das Resonator-Paar gemäß b) wird überbrückt durch ein zusätzliches Kopplungselement, das zwei Resonatoren der anderen Ebene überbrückt

Durch diese Anordnung wird überraschenderweise möglich, durch ein einziges zusätzliches Kopplungselement sowohl zwei benachbarte Resonatoren der einen Ebene zu verbinden als auch gleichzeitig zwei nichtbenachbarte Resonatoren zu überbrücken, die in der anderen Ebene liegen. Dabei ist das zusätzliche Kopplungselement mit dem Schwingungsbauch der Resonatoren verbunden.

Trotz dieser Vorteile ist es möglich, das elektromechanische Filter gemäß Erfindung in einfacher und kompakter Konstruktion aufzubauen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das zusätzliche Kopplungselement mit einer oder mehreren Massen beschwert Hierdurch können die Filtereigen schaften weiterhin veränderlich gemacht werden. Diese Maßnahme hat zur Folge, daß das Kopplungselement, das in Wirklichkeit eine Länge kleiner als λ/2 hat, sich wie ein Draht verhält, der eine effektive Länge größer als A/2 besitzt. Hierdurch ergibt sich die gewünschte negative Kopplung anstelle der unerwünschten positiven Kopplung, die sich bei einer Länge kleiner als A/2 ergibt.

Damit ergeben sich bei Lösung der Aufgabe folgende Vorteile:

a) Es erscheinen zwei Dämpfungspeaks bei reellen Frequenzen an den Grenzen des Dämpfungsbandes;

b) es wird nur ein einziges Kopplungselement für jedes Paar beieinanderliegender Resonatoren benötigt;

c) dadurch, daß das Kopplungselement im Schwingungsbauch die Verbindung herstellt, ist seine Positionierung weniger kritisch in dem Sinne, daß kleinere Abweichungen in Längs- und/oder Querrichtung die Filterübertragungs-Charakteristiken verändern;

d) bei Verwendung von zusätzlichen Beschwerungsmassen auf dem Kopplungselement ist es möglich, die wirksame Länge des Elementes auf eine Länge größer als A/2 zu bringen und damit die Induktanz L unterhalb Null :?u halten, wobei sich eine negative Kopplung ergibt.

Im folgenden sind e'nige bevorzugte Ausführungsl<,r men anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren (Fig. 1-4 und 5 —b schematisiert) zeigen

F i g. 1 einen Teilschnitt längs einer die Längs- oder Hauptachse des Filters einschließenden Ebene, F i g. 2 einen Teilschnitt längs einer Querebene, F i g. 3 eine Teilaufsicht auf die Unterseite des Filters, F i g. 4a und 4b elektrische Äquivalenzschaltkreise,

Fig.5 und 6 perspektivische Darstellungen bevorzugter abgewandelter Ausführungsforrrin und

F i g. 7 eine graphische Darstellung der Dämpfungscharakteristik.

F i g. 1 stellt ein mechanisches Filter aus einer beliebigen Anzahl von π Resonatoren dar, die jeweils im wesentlichen zylindrische Form mit einer Abflachung in Längsrichtung besitzen. Die Resonatoren führen Biegeschwingungen aus. Die Längsachsen A und A' der Resonatoren sind parallel zueinander und in zwei etwa parallelen Ebenen /'S und P/angeordnet. Zum besseren Verständnis sind in F i g. 1 Resonatoren 17,10,11 und 18 in der unteren Ebene P/dargestellt Die Gesamtzahl der Resonatoren ist gerade.

Den Abschluß der Anordnung bilden Endresonatoren 6, 6'. Jeder der Endresonatoren 6 und 6' weist einen längsverlaufenden, abgeflachten Teil St senkrecht zum Kopplungsdraht (Kopplungselement) 1 auf. An diesen abgeflachten Teilen ist je ein piezoelektrisches Kera-' mikstück 7 bzw. T angebracht, das in an sich bekannter. Weise die zwischen einem Kontaktdraht 8 (metallisch mit der metallisierten Keramikfläche am Resonator 6 verbunden) und Masse 9 aufgebrachten elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen des metallenen Resonators 6 umzuwandeln vermag, wenn die Elemente 8 und 9 als elektrische Eingänge betrachtet werden.

Die Schwingungen des Resonators 6 werden über den mit allen Resonatoren verbundenen Metalldraht 1 auf alle metallenen Resonatoren übertragen. Ein am letzten Resonator 6' angebrachtes piezoelektrisches Keramikstück T wandelt die mechanischen Schwingungen wieder in elektrische Schwingungen um und macht sie zwischen dem mit der freien metallisierten Fläche des piezoelektrischen Keramikstückes verbundenen Draht 8' und Masse 9 für die elektrischen Signale abgreifbar.

Die zwischen den beiden Endresonatoren 6, 6' angeordneten metallenen Resonatoren — z. B. Resonatoren 15, 12, 13 und 16 auf der einen Seite und die Resonatoren 17,10,11 und 18 auf der anderen Seite — weisen vorzugsweise in Längsrichtung verlaufende abgeflachte Abschnitte S, auf, die parallel zum Kopplungsdraht 1 und mithin senkrecht zum abgeflachten Teil St jedes Endresonators 6, 6' liegen. Durch diese abgeflachten Abschnitte werden Resonatorschwingungen in einer senkrecht zum Kopplungsdraht 1 liegenden Ebene aus dem Filterdurchlaßbereich entfernt, so daß die einwandfreie Arbeitsweise des Filters nicht beeinträchtigt wird. Da die längsverlaufenden Flachseiten der Resonatoren 6, 6' senkrecht zu dein Flachseiten der anderen Resonatoren liegen und alle Resonatoren aus zylindrischem Stangenmaterial des gleichen Durchmessers hergestellt sind, liegen die Längsachsen der Resonatoren 6, 6' etwas außerhalb der durch die Längsachsen der Resonatoren 15, 12, 13 und 16 verlaufenden Ebene PS.

Die Resonatoren der oberen Ebene PS, d. h. die Resonatoren 6,15,12,13,16 und 16', sind durch Drähte 2 und 3 miteinander verbunden, die an den Knotenpunktachsen der Grundschwingungcn der metallenen Resonatoren verankert sind. Die in der unteren Ebene Pl liegenden metallenen Resonatorer, d. h. die Resonatoren 17. 10. U und 18. sind auf ähnliche Weise durch Drähte 4 und 5 verbunden, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist

Die F i g. 1 und 2 zeigen ein Bandpaßfiltersystem, dessen elektrische Äquivalenzdarstellung eine Leiter-5 oder Kettenanordnung aus gekoppelten Resonatoren ist Das Kopplungselement zwischen benachbarten Resonanzelementen wird durch den metallenen, in Längsrichtung schwingenden Kopplungsdraht 1 gebildet, der an jedem Resonator längs der durch den

ίο Schnittpunkt zwischen der Abflachungsebene Si und dem Mittenquerschnitt des Resonators selbst festgelegten Linie befestigt ist Die Drähte 2,3,4 und 5 besitzen mechanische Stütz- oder Halterungsfunktion, da diese Drähte, die hauptsächlich Biegeschwingungen durchführen, in dem interessierenden Frequenzbereich eine Ankopplung zwischen den Resonatoren gewährleisten, die kn Vergleich zu der durch den Draht 1 gewährleisteten Ankopplung vernachlässigbar ist, was sowohl auf die Auswahl der Drahtdurchmesser als auch auf die bekannte theoretische Tatsache zurückzuführen ist, daß Biegeschwingungselemente gegenüber der durch den Draht 1 bewirkten Kopplung eine nahezu vernachlässigbar kleine Kopplung erzeugen.

Die Seitendrähte 2, 3, 4 und 5 können außerdem an · ihren Endteilen oder an zweckmäßigen Zwischenstellen zur Verankerung des Filters an einem das Filter selbst schützenden Gehäuse herangezogen werden, vorzugsweise unter Zwischenfügung von Blöcken aus einem elastomeren oder plastomeren Material, wie Gummi bzw. Kautschuk oder dergleichen, um die Wirkung von Interferenzschwingungen durch die genannten Drähte zu vermeiden.

Eine Besonderheit der Erfindung besteht in der Möglichkeit der Erzeugung zweier unendlich großer

is Dämpfungspole im gedämpften Filterband oder -sperrbereich (F i g. 7). Einer dieser Dämpfungspole liegt dabei bei der Frequenz fi1 unterhalb der unteren Frequenz f\ des Durchlaßbereichs, während der andere Dämpfungspol bei der Frequenz fi2 über f2 liegt, d.h. über der oberen Grenze des Durchlaßbereichs. Dieses Merkmal wird sowohl durch die spezielle Anordnung der metallenen Resonanzelemente als auch durch die Verwendung eines zusätzlichen geradlinigen Drahts FA gewährleistet (vgl. F i g. 5, die den Filter gemäß F i g. 1 in

4S umgedrehter Lage zeigt). Dieser zusätzliche Draht verbindet die Mittenquerschnitte zweier Resonatoren (z. B. der Resonatoren 10 und 11 gem. F i g. 3 und 5) unter Überbrückung oder Überspannung von zwei weiteren Resonatoren(12und 13gemäß Fig. 1).

so Gemäß einer besonders bedeutsamen Weiterbildung der Erfindung werden die Übertragungseigenschaften des genannten Drahts FA durch Hinzufügung von kleinen Gewichten P1 und P2 (F i g. 3 und 5) zum Draht selbst auf vorbestimmte Weise abgeändert, wobei diese

ss Gewichte grundsätzlich als Massen ohne Elastizitätseigenschaften wirken.

Es ist bekannt, daß bei einer Bandpaßfilterkette mit LC-Resonatoren, die parallelgeschaltete Elemente mit einer an Masse liegenden Klemme aufweisen und durch

ho Induktivitäten zusammengekoppelt sind — ein Filtersystem der elektrischen Äquivalentkonfiguration entsprechend der mechanischen Konfiguration gemäß Fig. 1, aber wiederum ohne Überbrückungsdraht FA — zwei Punkte unendlich großer Dämpfung festgelegt werden

' - können, von denen der eine auf einer unteren und der andere auf einer oberen Gren/frequenz relativ zum Durchlaßbereich liegen, indem zwei Resonatoren mittels einer negativen Induktivität miteinander verbun-

den werden, welche zwei amdere Resonatoren überbrückt. Bei der beschriebenen mechanischen Konfiguration kann dies durch Koppeln der Resonatoren 10 und 11 unter Überbrückung der Resonatoren 12 und 13 erfolgen. Die einfachste Lösung sieht die Verbindung der Punkte der Mittenquerschnitte der Resonatoren 10 und 11 durch einen geradlinigen Draht FA vor, der auf der vom Kopplungsdraht 1 abgewandten Seite angeordnet ist. Die auf diese Weise erreichte Ankopplung besitzt nicht das gewünschte Vorzeichen entsprechend der negativen Induktanz des elektrischen Äquivalents, da speziell bei mit verhältnismäßig niedriger Frequenz arbeitenden Filtern der Abstand zwischen den Resonatoren 10 und 11 beträchtlich kürzer sein kann als die halbe Wellenlänge eines längsschwingenden Drahts. Aus diesem Grunde entspricht ein die Mittenschnitte der Resonatoren iO und ii miteinander verbindender, geradliniger Draht einer positiven anstatt einer negativen Induktanz.

Durch entsprechende Abwandlung der Draht-Kopplungswerte mittels der mit dem Draht FA verbundenen Gewichte pi, ρ2 ... ρ 3, deren Schwerpunkte vorzugsweise auf der Achse des sie tragenden Drahts liegen, gewährleistet die Ausführung gemäß Erfindung den gewünschten negativen Induktanzwert, ohne dabei jedoch die einfache Konstruktion eines die Mittenschnitte der Resonatoren 10 und 11 miteinander verbindenden, geradlinigen Drahts aufzugeben. Zur Verdeutlichung dieses bemerkenswerten Merkmals der Erfindung sei das elektromechanische Analogprinzip genannt, bei dem der Strom der Kraft und die Spannung der Geschwindigkeit entspricht.

Es sei angenommen (vgl. Fig.3), daß der die Mittenschnitte der Resonatoren 10 und U verbindende Überbrückungsdraht mit zwei Gewichten ρ 1 und ρ 2 in Form kleiner Zylinder versehen ist, die gegenüber der Mittelachse des Drahts symmetrisch angeordnet sind. Das aus den drei freien Drahtabschnitten a, b, c und d sowie aus den Gewichten pi p2 bestehende mechanische Element entspricht dem elektrischen Äquivalent gemäß Fig.4a, das seinerseits dem elektrischen Äquivalentschaltkreis gemäß F i g. 4b entspricht.

Von Interesse ist dabei das Ankopplungselement Yi2, das so zu berechnen ist, daß es im Bereich der Frequenz k des Mittenfrequenzbands des Filters als die Admittanz entsprechend einer negativen Induktanz mit dem Absolutwert Lk wirkt.

Bei mechanischen Filtern, bei denen das Verhältnis zwischen Bandbreite und Mittelfrequenz klein ist· und die Dämpfungspole nahe der Durchlaßbereichgrenzen von Interesse sind, werden nur die folgenden Beziehungen berücksichtigt: Im Mittelfrequenzband k des Filters werden der Wert und die erste Ableitung des Elements Yi2 des Schaltkreises gemäß Fig.4a gleich denen der Admittanz der im elektrischen Äquivalentschaltbild für die Gewährleistung der beiden Dämpfungspole erforderlichen negativen Induktanz gewählt; mit den Positionen

führen einfache Berechnungen zur folgenden Lösung der Aufgabe:

Der Wert von Ln hängt auch vom Durchmesser des jeweils gewählten Drahts FA ab. Es ist im allgemeinen möglich, daß der Wert La die gleiche Größe besitzt wie Lk; der Wert C, hängt von den Massen ρ 1 und ρ 2 ab, unter der Voraussetzung, daß diese in diesem Fall gleich sind; die zusätzlichen Elemente Ya und Yb gemäß Fig.4b können in den äquivalenten elektrischen Admittanzen der Resonatoren 10 und 11 summiert werden.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung können auch gemäß F i g. 6 zwei Resonatoren, z. B. die Resonatoren 15, 12 unter Überbrückung nur eines Resonators, z. B. des Resonators 10, unter Verwendung eines Drahts FB verbunden werden, welcher an den Mittelschnitten der zu koppelnden Resonatoren befestigt ist und der im wesentlichen, einen längsschwingenden Draht darstellt.

Da die Biegeschwingungsfilter der vorstehend beschriebenen Art üblicherweise auf vergleichsweise niedrigen Frequenzen von z. B. unter 100 kHz arbeiten, ist die durch diesen Draht, der normalerweise kürzer ist als eine halbe Längswellenlänge, bewirkte Ankopplung positiv, so daß sie einen unendlich großen Dämpfungspunkt oder -pol oberhalb des Durchlaßbereichs gewährleistet. Durch Hinzufügung eines Gewichts zu diesem Draht wird die Dämpfung negativ, wodurch ein unendlich großer Dämpfungspunkt unterhalb des Durchlaßbereichs gewährleistet wird.

Die durch einen Einzeldraht gebildete Konstruktion läßt sich ohne weiteres nach einem ähnlichen Verfahren.

so wie dem für die beiden Gewichte erwähnten, berechnen. In diesem Fall brauchen nur die Gleichheitsbedingungen am Dämpfungspol zwischen der Übertragungsadmittanz und der Konstruktion mit dem einzigen Gewicht und die zur Gewährleistung des Dämpfungspols erforderliche negative Admittanz berücksichtigt zu werden.

Hier/u 2 Blatt Zeiehnuimcn

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Aus mechanischen Biegeresonatoren bestehendes elektromechanisches Filter, dessen Resonatoren S parallel zueinander in einer Ebene liegend durch durchgehende Längs-Kopplungselemente sowohl an der Unter- als auch an der Oberseite der Resonatoren miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß neben den in einer ersten Ebene (PS) liegenden Resonatoren (15, 12, 13, 16) weitere Resonatoren (17, 10, 11, 18) in einer zweiten, parallel zur ersten Ebene liegenden Ebene (Pl) angeordnet sind, wobei zwischen den Ebenen der Resonatoren-Gruppen ein durchgehendes, zentrales Kopplungselement (1) verläuft, das die Resonatoren beider Ebenen miteinander verbindet, und daß die Resonatoren (6, 15, 16, 6') der einen Ebene (PS) in Längsrichtung gegenüber den Resonatoren der anderen Ebene alternierend (auf Lücke) liegen, mit Ausnahme von wenigstens einem Paar Resonatoren (12, 13), die benachbart in einer Ebene (PS) liegen und durch ein an sich bekanntes, zusätzliches Kopplungselement (FA), welches zwei Resonatoren (10, 11) der anderen Ebene (PI) verbindet, überbrückt sind, wobei die Resonatoren (10, 11) der anderen Ebene in Projekticn auf die Ebene benachbart zu dem Resonator-Paar (12, 13) liegen.

2. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Kopplungselement (FA) mit einer oder mehreren Massen (p 1 und ρ 2) beschwert ist.