DE2506408C2 - Filterkette - Google Patents

Description

Filterentwurf liefert die nachstehend genannten Herstellungsdaten: die Zahl der Resonanzen innerhalb des Durchlaßbandes, 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.

F i g. 2 zeigt ein monolithisches Filterglied mit zwei Resonatoren t und 2, dessen äquivalenter elektrischer Kreis aus F i g. 3 ersichtlich ist

Die Größen Li, Q und Cu hängen von den Dimensionen der Kristallplatte and der Elektroden sowie einer Reihe physischer Konstanten ab, wobei Ci 2 überdies von der Übertragungsrichtung der akustischen Wellen in bezug auf die Kristallachsen abhängig ist Die Größer. Li, C\ und Ci 2 können nicht unabhängig voneinander geändert werden, und eine evtL vorgenommene Korrektur, z. B. durch Aufdampfen, ist meistens clifinitiv.

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

Hierin ist

Z₁ = j ω Li

Z₂ =

Z₀

j ω Cn '

Die Resonanzfrequenzen dieses Netzwerks können dadurch bestimmt werden, daß das Filter am Ausgang (c, rf in F i g. 4) kurzgeschlossen und die Eingangsimpedanz auf Null eingestellt wird.

= 0.

Daraus folgt:

Z] + 2Z₁ Z₂ = O.

Resonanz tritt auf, wenn Zi = 0 und auch, wenn Z, = -2Z₂ist.

Ζ, = 0 ergibt

Aus (o\ = folgt daß

M t^l

Daraus folgt:

= -2 Z₂ ergibt

0 oder

L₁ C, L₁ C₁₂

<y?i — oA = —

C? ι — CtA = -f-

L,C,₂

und

ist

Als zweckmäßige Annäherung an diese letzten beiden Gleichungen gilt:

ω_Γ\ — coo = —

woraus f_rX = f₀ -

2 ωό L₁ Ci₂ '

-folgt;

woraus f_r2 = /0 +

2 ώΛ) Lj Cj2 '

/o

folgt.

C₁

Die Flankensteilheit s (= tg«) eines einzelnen Filtergliedes wird in den meisten Fällen den gestellten Anforderungen allerdings nicht genügen. Um das zu verbessern, werden verschiedene Filterglieder als Kette geschaltet F i g. 5 zeigt zwei in Reihe geschaltete Filterglieder und F i g. 6 gibt das dazugehörige Ersatzschaltbild. Mit dieser Reihenschaltung werden zwei neue Resonanzfrequenzen introduziert. Hierdurch wird zwar die Flankensteilheit günstig beeinflußt, der Kondensator C23 verstimmt aber elektrisch die eigene Resonanzfrequenz der Resonatoren 2 und 3.

Bei der Ausführung nach der Erfindung wird eine der zwei neuen Resonanzfrequenzen so weit außerhalb des Durchlaßbereiches des Filters gebracht, daß diese Frequenz die Durchlaßcharakteristik des Filters nicht mehr beeinflußt. Das wird dadurch erreicht, daß die elektrische Kopplungsimpedanz sehr viel größer gemacht wird als die äquivalente akustische Kopplungsimpedanz.

F i g. 8 zeigt, daß die vierte Resonanzfrequenz /m innerhalb des Durchlaßbands nicht auftritt. In dieser graphischen Darstellung ist χ die elektrische Kopplungsimpedanz, geteilt durch die äquivalente akustische Kopp-

lungsimpedanz. 1st die elektrische Kopplungsimpedanz im Vergleich zu der äquivalenten akustischen Kopplungsimpedanz sehr groß, dann ist χ groß und — also

klein.

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

Der Wert der Kopplungsselbstinduktion

L =

wird durch die 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

den vorstehend genannten Wert ansetzt, so stark reduziert werden, daß er unberücksichtigt bleiben kann.

Jede Hinzufügung eines Filterglieds zu der Kette verursacht 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. Beim erfindungsgemäßen Filter ergeben Resonatoren nur -y + 1 Resonanzfrequenzen innerhalb des Durchlaßbands.

Diese Schwierigkeit kann aber teilweise dadurch behoben werden, daß anstelle von zweikreisigen Filtergliedern solche mit drei Kreisen (Resonatoren) auf einer einzigen Kristaüplatte verwandt werden, Fig. 13 zeigt ein derartiges Filterglied und Fig. 14 eine Kette mit solchen Gliedern. Sind hierbei die Distanzen dt und £& einander gleich, so entsteht ein Filter, das sich wie vier T-Glieder verhält (F i g. 15). Zwei als Tandem geschaltete, dreikreisige Filter ergeben also fünf Resonanzfrequenzen im Durchlaßband, denn 6 Resonatoren erge-2x6

ben —j- + 1 Resonanzpunkte im Durchlaßband.

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

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

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

40

45

50

55

60

65

Claims (3)

1 2

die Stabilität der gesamten Filterkette beeinflussen, ist

Patentansprüche: diese Lösung nicht befriedigend.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber die vor-

L Filterkette für den Durchlaß eines Frequenz- bekannte Filterkette so auszugestalten, daß ihre Siabili-

bandes mit mehreren zwei- und dreikreisigen mono- 5 täi im wesentlichen nur noch von der akustischen Quer-

lithischen Filtergliedern aus Quarz oder einem ande- kopphing bestimmt wird

ren piezoelektrischen Material, Diese Aufgabe löst die Erfindung gemäß dem kenn-

wobei diese Filterglieder in der Art des Dickensche- zeichnenden Teil des Patentanspruches 1.

rungsmodus schwingen lund über elektrische Impe- Die erfindungsgemäße Maßnahmenkombination be-

danzen von Schaltelementen gekoppelt sind, 10 wirkt, daß die elektrischen Kopplungen dann keinen

wobei diese Impedanzer jeweils zwischen zwei sol- Einfluß mehr auf das Durchlaßband nehmen, vielmehr

chen monolithischen Fitergliedern als Querzweig die akustischen Kopplungen bestimmend sind. Durch

angeordnet sind, und den Fortfall von Resonanzfrequenzen sind jetzt zwar

wobei das elektrische Ersatzbild der monolithischen mehr elektrische Kopplungen erforderlich, die jedoch

Filterglieder einen Querzweig aufweist, der ein Be- 15 nicht mehr störend sind.

standteil des die akustische Kopplung der Resonato- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, daß

ren nachbildenden Vierpols in Sternschaltung ist, die Filterkette a dreikreisige monolithische Filter und b

dadurch gekennzeichnet, zweikreisige Filter aufweist, wobei (2 a + b+ 1)Reso-

dafc die akustischen Kopplungskoeffizienten einan- nanzen in das Durchhßband fallen,

der sämtlich gleich sind, 20 Mehrere Ausführangsbeispiele der Erfindung werden

daß die Impedanz des ciie elektrischen Kopplungs- nun anhand von Zeichnungen näher erläutert, es zeigt

Impedanzen umfassenden Querzweiges innerhalb Fig. 1 eine graphische Darstellung des Verhältnisses

des FrequenzdurchlalJbandes der Filterkette zwischen Dämpfung und Frequenz,

ohmsch oder beinahe ohmsch ist und F i g. 2 ein zweikreisiges monolithisches Filterglied,

daß der Impedanzwert des die elektrischen Kopp- 25 Fig.3 ein elektrisches Ersatzschema für das Filter-

lungsimpedanzen umfassenden Querzweiges im glied der F ig. 2,

Vergleich zum Impedanzwert des die akustischen Fig.4 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild

Impedanzen umfassenden Querzweiges sehr groß fürFig.3,

ist F i g. 5 zwei nach der bekannten Methode gekoppelte

2. Filterkette nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 30 monolitnische Filterglieder,

zeichnet, daß sie a dreikreisige monolithische Filter F i g. 6 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Schaltung

und b zweikreisige monolithische Filter aufweist, nach F i g. 5,

wobei 2 a + b + 1 Resonanzen in das Durchlaß- F i g. 7 ein elektrisches Ersatzschaltbild zweier monoband fallen. lithischer Filterglieder, nach der Erfindung gekoppelt,

3. Filterkette nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 35 F i g. 8 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zeichnet, daß die die elektrischen Kopplungsimpe- zwischen der äquivalenten akustischen und der elektridanzen umfassenden Querzweige eine Selbstinduk- sehen Kopplungsimpedanz einerseits und der Frequenz tion umfassen, die zusammen mit der inseitigen Aus- andererseits,

gangs- oder Eingangskspazität des Filtergliedes ei- Fi g. 9 drei nach der Erfindung gekoppelte Filtcrglie-

nen Parallelresonanzkreis mit der gleichen Reso- 40 der,

nanzfrequenz wie die der Filterglieder bilden, wobei Fig. 10 ein Ersatzschaltbild der Schaltung nach

der Selbstinduktionswelt etwa 50% höher angesetzt F i g. 9,

werden kann, als der theoretisch berechnete Wert. F i g. 11 eine graphische Darstellung des Verhältnisses laut F i g. 9 und 10,

45 F i g. 12 ein vereinfachtes Schema der Schaltung nach

F ig. 10,

F i g. 13 ein dreikreisiges monolithisches Filterglicd,

Die Erfindung betrifft eine Filterkette nach dem Fig. 14 zwei dreipolige Filterglieder, nach der Erfin-

Oberbegriff des Patentanspruchs 1. dung gekoppelt,

Eine derartige Filterkette ist aus der US-PS 35 85 537 50 F i g. 15 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Schalbekannt, tung nach F i g. 14 und

Die Herstellung von Filtergliedern einer höheren Fig. 16 eine Kette mit zwei und dreipoligen Filter-Ordnung stößt auf produktionstechnische Schwierigkei- gliedern.

ten, so daß man sich oft für eine Anzahl in Reihe ge- Bei einem Bandfilter sind die nachstehenden Daten schalteter Filterglieder niedrigerer Ordnung ent- 55 wichtig(Fig. 1):
schließt, die aber mehr elektronische Kopplungen erforderlich machen. Diesen Weg beschreitet auch die US-PS die zentrale Frequenz /0,
85 537, bei der eine Kette mit gleichen Zweikreis- die Bandbreite 2Jf,
quarzfiltern aufgebaut wird. Die hierbei zwangsläufig die Amplitude der Welligkeit r,
auftretenden elektrischen Kopplungsimpedanzen ver- 60 die Flankensteilheit s(= tga)und
stimmen aber die Resonatoren, so daß die Eigenfre- die Sperrdämpfung Sp.
quenzen der Resonatoren unterschiedlich gewählt sind,

wogegen die akustischen Kopplungen (Spalte 7, Zeilen Mit Hilfe der genannten Daten kann ein Bandfiltcr-30—34 der US-PS 35 85 5 57) verschieden gewählt sind. entwurf nach der Methode von Butterworth und Cheby-Die schaltungsmäßige Realisierung, Entwurf und 65 cheff hergestellt werden, wobei monolithische Filter-Herstellung einer derartigen Filterkette werden da- glieder als äquivalente Netzwerkstrukturen aufgefaßt durch jedoch zeitraubend und kostspielig. werden können, die sich aus einer Reihe von Resonanz-Da diese jedoch elektrischen Kopplungen aber auch kreisen mit gleicher Resonanzfrequenz aufbauen. Der