DE2506408A1 - Filterkette - Google Patents

Description

χ „ λ xxcD ⁷⁵³ PFORZHEIM

DR.FRIEDRICH E. MAYbK westliche 24

DIPL -ING A. PANTENBURG KABEL. TRIPATENT PFOBZHE₁M

UirL.. 11N W. J-».. TELEFON (0 73 31) I a* 60

PATENTANWÄLTE

.BESCHREIBUNG

. zur Patentanmeldung

De Staat der Nederlanden, te dezen vertegenwoordigd door de directeur-generaal der Posterijen, Telegrafie en Telefonie, Den Haag (Niederlande).

betreffend: Filterkette.

Die Erfindung bezieht sich auf eine' Filterkette für das Durchlassen eines Frequenzbands, die eine Anzahl monolithischer Filterglieder aus Quarz oder einem anderen hochwertigen druckelektrischen Material hat, die in der Art des Dickenscherungsmodus schwingen, Stück für Stück mit mindestens zwei akustisch gekoppelten Resonatoren versehen und elektrisch gekoppelt sind.

Die Herstellung von Filtergliedern einer höheren Ordnung stösst auf produktionstechnische Schwierigkeiten, so dass man sich oft für eine Anzahl in Reihe geschalteter Filterglieder niedrigerer Ordnung entschliesst, die aber mehr elektrische Kopplungen erforderlich machen. Die elektrischen Kopplungsimpedanzen verstimmen aber die Resonatoren, weshalb man bei dem Entwurf der Filter bereits berücksichtigen muss, dass die Eigenfrequenzen der Resonatoren nicht sämtlich gleich sein dürfen. Der Entwurf nach dieser Methode macht aber auch voneinander abweichende elektrische Kopplungskoeffizienten erforderlich. Entwurf und Herstellung eines derartigen

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Filters werden dadurch zeitraubend und kostspielig.

Die Erfindung bietet die Möglichkeit der Lösung des sich stellenden Problems, die darin besteht, dass die akustischen Kopplungskoeffizienten einander sämtlich gleich, die elektrischen Kopplungsimpedanzen mindestens innerhalb des Frequenzdurchlassbands der Filterkette ohmsch oder beinahe ohmsch, und wobei die elektrischen Kopplungsimpedanzen im Vergleich zu den äquivalenten akustischen Kopplungsimpedanzen sehr gross sind. Die elektrischen Kopplungen haben dann keinen Einfluss mehr auf das Durchlassband; die akustischen Kopplungen sind bestimmend. Durch den Fortfall von Resonanzfrequenzen sind nun mehr elektrische Kopplungen erforderlich, die aber nicht mehr so störend sind.

Vorzugsweise hat die Filterkette a Filterglieder mit je 3 Resonatoren und b Filterglieder met je 2 Resonatoren, wobei 2a + b + 1 Resonanzen in das Durchlassband fallen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen Dämpfung und Frequenz,

" 2 ein zweipoliges Filterglied, d.h. einen Dual, " 3 ein elektrisches Ersatzschema für einen Dual, ¹¹ 4 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild für Fig. 3, " 5 zwei nach der bekannten Methode gekoppelt Duale, " 6 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Schaltung nach Fig. 5, ¹¹ 7 ein elektrisches Ersatzschaltbild zweier Duale, nach der Erfindung gekoppelt,

¹¹ 8 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen der äquivalenten akustischen und der elektrischen Kopplungsimpedanz einerseits und der Frequenz andererseits, ¹¹ 9 drei nach der Erfindung gekoppelte Duale, ¹¹ 10 ein Ersatzschaltbild der Schaltung nach Fig. 9, ¹¹ 11 eine graphische Darstellung des Verhältnisses It. Fig. 8,

dann aber in bezug auf die Schaltung It. Fig. 9 und 10, " 12 ein vereinfachtes Schema der Schaltung nach Fig. 10, " 13 ein dreipoliges Filterglied,

¹¹ 14 zwei dreipolige Filterglieder, nach der Erfindung gekoppelt, ¹¹ 15 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Schaltung nach Fig. 14 und

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Fig. 16 eine Kette mit zwei- und dreipoligen Filtergliedern. Bei einem Bandfilter sind die nachstehenden Daten wichtig (Fig. 1): die zentrale Frequenz f ,
die Bandbreite 2Af ,
die Amplitude der Welligkeit r ,
die Flankensteilheit s(=tga) und
die Sperrdämpfung S

Mit Hilfe der genannten Daten kann ein Bandfilterentwurf nach der Methode von Butterworth und Ghebycheff hergestellt werden, wobei monolithische Filterglieder als äquivalente Netzwerkstrukturen aufgefasst werden können, die sich aus einer Reihe von Resonanzkreisen mit gleicher Resonanzfrequenz aufbauen. Der Filterentwurf liefert die nachstehend genannten Herstellungsdaten: die Zahl der Resonanzen innerhalb des Durchlassbands, die akustischen Kopplungskoeffizienten und den Abschlusswiderstand.

Die zu berechnenden Kopplungskoeffizienten ergeben sich aus der richtigen Dimensionierung der Masse der Elektroden, der Länge der Elektroden in der Richtung der Kopplungsachse und des gegenseitigen Abstands der Elektroden.

Fig. 2 zeigt einen Dual mit zwei Resonatoren 1 und 2, dessen äquivalenter elektrischer Kreis aus Fig. 3 ersichtlich ist.

Die Grossen L. , C. und C.„ hängen von den Dimensionen der Kristallplatte und der Elektroden sowie einer Reihe physischer Konstanten ab, wobei C-₂ überdies von der Übertragungsrichtung der akustischen Wellen in bezug auf die Kristallachsen abhängig ist. Die Grossen L. , C. und C.„ können nicht unabhängig voneinander geändert werden, und eine evtl. vorgenommene Korrektur, z.B. durch Aufdampfen, ist meistens definitiv.

Die äquivalente Schaltung nach Fig. 3 kann vereinfacht mit der Schaltung der Fig. 4 wiedergegeben werden.

Hierin ist Z₁ = jtoL, + — ;

1 1

I^

Zo .« ,

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Die Resonanzfrequenzen dieses Netzwerks können dadurch bestimmt werden, dass der Filter am Ausgang (c, d in Fig. 4) kurzgeschlossen und die Eingangsimpedanz auf Null eingestellt wird. ^Z2 ^Zl

l 2

⁼ °· ^Daraus folgt : Z + 2ZZ = 0.

1 \ i-

1 Δ.⁺Δ~ 1

Resonanz tritt auf, wenn Z. = 0 und auch, wenn Z. = -2 Z. ist.

Z₁ = 0 ergibt jü)L, + τ—-— —r—- = 0. Daraus folgt :

1 l jujLj jü)L-₂

rl M L₁ C, L₁

-2Z₂ergibt jU)L₁ + —-— + ί— = 0

oder

r2 y L₁ C₁ L₁ C₁₂

2 1

Aus ω = -— folgt, dass

ο L. C.

2 2 1 ,2 2 1 .

ω , - ω = - ·=—r; und ω , - ω = ·»-=—=— ist.

rl ο Lj Cj₂ rl ο L C_J2 Als zweckmässige Annäherung an diese letzten beiden Gleichungen gilt:

1 ^fo

ω - ω - - —-—ρ— , woraus f = f rß- folgt;

Π O ZU) Ij. U. „ JTl O U .

^Cl

j f

^ω _Γ2 * ^ωο ⁼ ' ^{WOrauS f}r2 ^{= f}o ⁺ c77 ^f°^lgt·

ο 1 Iz 12

^Cl

Die Flankensteilheit s ( = tga ) eines einzelnen Duals wird in den meisten Fallen den gestellten Anforderungen allerdings nicht genügen. Um das zu ■verbessern, werden verschiedene Duale als Kette geschaltet. Fig. 5 zeigt zwei in Reihe geschaltete Duale, und Fig. 6 gibt das dazugehörige Ersatzschaltbild. Mit dieser Reihenschaltung werden zwei neue Resonanzfrequenzen introduziert. Hierdurch wird zwar die Flankensteilheit günstig beeinflusst, der Kondensator C₉- verstimmt aber, elektrisch die eigene Resonanzfrequenz

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der Resonatoren 2 und 3.

Bei der Ausführung nach der Erfindung wird eine der zwei neuen Resonanzfrequenzen so weit ausserhalb des Durchlassbereichs des Filters gebracht, dass diese Frequenz die Durchlasscharakteristik des Filters nicht mehr beeinflusst. Das wird dadurch erreicht, dass die elektrische Kopplungsimpedanz sehr viel grosser gemacht wird als die äquivalente akustische Kopplungsimpedanz.

Fig. 8 zeigt, dass die vierte Resonanzfrequenz f , innerhalb des Durchlassbands nicht auftritt. In dieser graphischen Darstellung ist χ die elektrische Kopplungsimpedanz, geteilt durch die äquivalente akustische Kopplungsimpedanz. Ist die elektrische Kopplungsimpedanz im Vergleich zu der äquivalenten akustischen Kopplungsimpedanz sehr gross, dann ist χ gross

und — also klein.
χ

Die Filterkette mit drei Dualen (Fig. 9), deren elektrisches Ersatzschaltbild in Fig. 10 wiedergegeben ist, liefert 6 Resonanzfrequenzen, von denen nur vier zur Verbesserung der Durchlasscharakteristik benutzt werden. Fig. 11 zeigt hierzu die graphische Darstellung.

Der Wert der Kopplungsselbstinduktion L = —s wird durch die

2ü) C ο ο

Temperatur beeinflusst. Dieser Einfluss kann aber dadurch, dass man den Wert 50% höher als den vorstehend genannten Wert ansetzt, so stark reduziert werden, dass er unberücksichtigt bleiben kann. Jede Hinzufügung eines Duals zu der Kette ir.produziert wieder je zwei neue Resonanzfrequenzen, von denen nur eine zur Verbesserung der Durchlasscharakteristik benutzt wird. Die Bandbreite ändert sich hierdurch praktisch aber nicht. Damit ist eine merkbare Verbesserung im Vergleich zu der bisher bekannten Methode gegeben. Als Bedenken gegen diesen Filter, der ausschliesslich mit Dualen arbeitet, könnte angeführt werden, dass η Resonatoren nur -2- + 1 Resonanzfrequenzen innerhalb des Durchlassbands ergeben. Diese Schwierigkeit kann teilweise dadurch behoben werden, dass anstelle von Dualen Filterglieder mit drei Resonatoren auf einer einzigen Kristallplatte verwandt werden. Fig. 13 zeigt ein derartiges Filterglied und Fig. 14 eine Kette mit solchen Gliedern. Sind hierbei die Distanzen d und d_ einander gleich, so entsteht ein Filter, der sich wie vier T-Glieder verhält (Fig. 15). Zwei als Tandem geschaltete, dreipolige Filter ergeben also fünf Resonanzfrequenzen im Durchlassband, denn 6 Resonatoren ergeben —^— + 1 Resonanzpunkte in dem Durchlas sband.

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— O —

Selbstverständlich beschränkt sich die Anwendung der Erfindung nicht auf Ketten, die sich ausschiiesslich aus zwei- oder ausschiiesslich aus dreipoligen Filtergliedern zusammensetzen,

Bei der Kombination drei- und zweipoliger Filterglieder zu einer Filterkette fallen 2a + b + 1 Resonanzen in das Durchlassband. Dabei ist a die Zahl der Filterglieder mit drei Resonatoren und b die der Filterglieder mit zwei Resonatoren (Fig. 16).

Filter nach der Erfindung können u.a. als Kanalfilter in Trägerwellensystemen im Frequenzbereich von 2 bis 40 MHz benutzt werden.

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Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE

1. Filterkette für den Durchlass eines Frequenzbands, die eine Anzahl monolithischer Filterglieder aus Quarz oder einem anderen hochwertigen druckelektrischen Material hat, die in der Art des Dickenscherungsmqdus schwingen, Stück für Stück mit mindestens zwei akustisch gekoppelten Resonatoren versehen und elektrisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Kopplungskoeffizienten einander sämtlich gleich, die elektrischen Kopplungsimpedanzen mindestens innerhalb des Frequenzdurchlassbands der Filterkette ohmsch oder beinahe ohmsch, und wobei die elektrischen Kopplungsimpedanzen im Vergleich zu den äquivalenten akustischen Kopplungsimpedanzen sehr gross sind.

2. Filterkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkette a Filterglieder mit je drei Resonatoren und b Filterglieder mit je 2 Resonatoren hat, wobei 2a + b + 1 Resonanzen in das Durchlassband fallen.

3. Filterkette nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kopplungsimpedanz durch eine aussere Selbstinduktion bewirkt wird, die zusammen mit der inwendigen Ausgangs- oder Eingangskapazität des Filterglieds einen Parallelresonanzkreis mit der gleichen Resonanzfrequenz wie die der Filterglieder bildet, wobei der Selbstinduktionswert etwa 50% höher angesetzt wird als der theoretisch berechnete Wert.

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