DE2514403C2

DE2514403C2 - Semi-monolithisches Filter

Info

Publication number: DE2514403C2
Application number: DE2514403A
Authority: DE
Inventors: Jan Adrianus Zwijndrecht Bezemer
Original assignee: Nederlanden Volksgezondheid Welzijn en Sport VWS
Current assignee: Nederlanden Volksgezondheid Welzijn en Sport VWS
Priority date: 1974-04-11
Filing date: 1975-04-02
Publication date: 1984-12-20
Also published as: FR2275068B1; GB1499774A; DE2514403A1; NL174791B; NL174791C; JPS5830767B2; SE408513B; JPS50138754A; NL7405011A; FR2275068A1; SE7504134L

Description

mit der Maßgabe, daß innerhalb eines Filterabschnittes der akustische Kopplungsfaktor zweier Resonatoren eines Bandfilters erheblich größer ist als der elektrische Kopplungsfaktor der zwei Bandfilter und daß beim Entwurf einer Gesamtanordnung mit ei- v> nem einzigen Durchlaßbereich die Resonanzfrequenz des den symmetrischen Schwingungsmodus aufweisenden Teils der Schwingungen des einen Bandfilters gleich oder beinahe gleich ist der Resonanzfrequenz des den antisymmetrischen Schwin- gungsmodus zeigenden Teils der Schwingungen des anderen Bandfiltersund

daß die niedrigere der beiden Resonanzfrequenzen des einen Bandfilters im unteren Filter-Sperrbereich der Gesamtanordnung liegt und mi

daß die höhere der beiden Resonanzfrequenzen des anderen Bandfilter dem oberen Filtcr-Sperrbercich der (jcsamianordniing angehört.

2. Semi-monolithisches Filter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Durch- μ laßbcrcichcs durch Änderung des Kupa/.itiilswer'.cs eines Kondensators einstellbar isi. der das zwischen den beiden Bandfilicrn eines l'ilierabsehniltcs als Querzweig einzufügende Reaktanzschaltelement verwirklicht

3. Semi-monolithisches Riter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hinsichtlich der Breite des Durchlaßbereiches veränderbare und eine höhere Flankensteilheit der Dämpfungskurve erreichende Siebanordnung durch die Kettenschaltung aus zwei, sich jeweils aus zwei kapazitiv und variabel gekoppelten Zweikreis-Bandfiftern zusam-' incnselzcnden Filterabschnitten und einer Spule verwirklicht ist, die einen unveränderbaren Induktivitätswert aufweist und als Querzweig zwischen die beiden Filterabschnittc eingefügt ist.

Die Erfindung betrifft ein semi-monolithisches Filter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Filter ist aus der Zeitschrift »Internationale elektronische Rundschau« Band 26, Heft 9, Seiten 203—209 (September 1972)bekannt

Diese Druckschrift zeigt am Beispiel eines monolithischen Achlkreisquarzfillcrs (Seite 208. Bild 10) den betreffenden Dämpfvqgsfrequenzgang, wobei eine Durchlaßbandbreite von 15 kHz bei einer Mittenfrequenz von 10,7 MHzerreicht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, mit einer einfacherer konstruktiven Ausgestaltung die Durchlaßbandbreite wesentlich zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine Schaltungskonfiguration, bei welcher jeweils zwei elektrisch gekoppelte zweikreisige elektromechanischc Bandfilter einen Filtcrabschnitl bilden, ist aus der Vortragssammlung »Proceedings of the 25'^h Annual Frequency Control Symposium« \1 dgung vom 2b. bis 28. April 1971 in Atlantic City. New Jersey) Seiten 287 bis 296 bekannt.

Der Einsatz von einem bzw. mehreren Filterabschniiten. bei dem bzw. bei denen die akustische Kopplung der Resonatoren der zweikreisigen elektromechanischen Bandfilter größer ist als die durch ein Rcaktanzschaltelcment bewirkte elektrische Kopplung zwischen den Bandfiltern eines Filterabschnittes ist aus der Zeitschrift »radio und fernsehen« Band 15. Heft 23. Seiten 727 bis 730 bekannt. Die dort beschriebenen vier- bzw. sechskrcisigcn Filter weisen eine Bandbreite von 14 kHz bzw. 16 kHz auf.

Der Einsatz von jeweils einen Filtcrabschnilt bildenden zweikreisigen elektromechanischen Bandfiltern, bei welchen die Frequcnzlage der einen der beiden Resonanzfrequenzen des einen Bandfilters sich ganz oder anähcrnd mit der Frequenzlagc der einen der beiden Resonanzfrequenzen des anderen ßandfiltcrs deckt, ist aus der US-PS 37 16 808 und durch die Zeitschrift »Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik« Band 25. Heft II.Seilen492bis501 (November 1971)bekannt.

Schließlich ist es bekannt, jeweils einen Filicrnbschnill bildenden zweikreisige elektroinechanischc ßarulfillcr ciiutiseizen, bei denen die Resonatoren der einzelnen Bandfilter überkritisch gekoppelt sind und bei welchen aufgrund passender Wahl der Resonanzfrequenz der Resonatoren innerhalb eines Kiltcrabschnittcs eine (Jesaintanordnung mit einer vorgeschriebenen

;- Breite des Durchlaßbereiches verwirklichbar ist, näm- r; lieh aus der DE-GS 23 26 599.

■:.' Schließlich zeigt auch die US-PS3585537 mehrkrei- _:; sige Filter, die aus mehreren in Kette geschalteten mo-■ nolithischen Zweikreisfiltern zusammengesetzt sind. ; Die dort verwendeten Resonatoren sind mit einem hb-•·■:" hen akustischen Kopplungsfaktor gekoppelt

Gegenüber diesen für sich bekannten Maßnahmen ■ gemäß dem Stand der Technik weist das erfindungsgemäße semi-monoltthische Riter eine hohe Stabilität [_: durch die überkritische Kopplung mit leichten und dicht ■■■,■ nebeneinander liegenden Elektroden auf, außerdem läßt \ sich die Bandbreite von außen durch Beeinflussung des

I Reaktanzschaltelementes zwischen den beiden Bandfil- ;'■■; tern beeinflussen.

II Die Grundlagen der erfindungsgemäßen Ausgestal-L" tung und ein Ausführungsbeispiel werden anhand der i;⁷. Zeichnungen näher erläutert, es zeigt

U F i g. 1 ein zweikreisiges elektromechanisches Band-ί; filter mit zwei Resonatoren,

k F i g. 2 das elektrische Ersatzschaltbild des Bandfilters ϊχ nach Fig. 1,

'":■ Fig.3 eine typische Frequenzdämpfungslinie eines zweikreisigen Bandfilters,

:.^:; Fig.4 ein aus zwei Bandfiltern gebildeter Filterab- :. schnitt eines Filters mit elektrischer Kopplung,

F i g. 5 eine typische Frequenzdämpfungskcnnlinie \\ des Filterabschnitles nach Fig.4 mit den vier Resok! nanzfrequenzen,

Fig.6 eine grafische Darstellung der funktionalen Abhängigkeit zwischen der Frequenz und dem Vcrhält- - nis des akustischen zum elektrischen Kopplungsfaktor,

F i g. 7 eine weitere Frequenzdämpfungskennlinie des :' Filterabschnitts nach Fig.4, wenn die symmetrische Resonanzfrequenz des einen Bandfilters der antisymmetrischen Resonanzfrequenz des anderen Bandfilters etwa gleich ist,

F i g. 8 die Frequenzdämpfungskennlinie eines Filter-• abschnittes in der Praxis,

Fig.9 ein aii zwei induktiv gekoppelten Filterabschnitten gemäß Fig.4 bestehendes semi-monolithisches Filter und

Fig. 10 die Frequenzdämpfungskennlinie eines Filters gemäß der Erfindung.

Das scmi-monolithische Filter besteht aus einer geraden Anzahl von zweikreisigen elektromechanischen Bandfiltern (F ig. 1) auf monolithischer Basis. Die Bandfilter sind untereinander in Kette geschaltet, wobei je zwei Bandfilter über einen Querzweig in Form eines Reaktanzschallelementes Qj miteinander verbunden sind und so jeweils einen Filterabschnitt (Fig.4) des semi-monolitb/schen Filters definieren.

Jedes Bandfilter besteht seinerseits aus zwei Resonatoren, die Dickenscherschwingungen ausführen.

Der akustische Kopplungsfaktor der Resonatoren eines Bandfilters ist größer gewählt als die durch das Rcaktanzschaltclcment C21 bewirkte elektrische Kopplung zwischen den beiden Bandfiltern eines Filterobschnitts.

Dies wird mit Hilfe sehr dünner Elektroden, kleiner Abmessungen Ie in Richtung der akustischen Kopplungsachse und einerii sehr geringen Abstand d zwischen den Resonatoren erreicht.

Aus dem Ersatzschaltbild der F i g. 2 ergibt sich, daü der akustische Kopplungsfaktor ka etwa gleich C\IC'u ist. wogegen der elektrische Kopplungsfaktor zwischen den beiden Bandfiltern Are etwa gleich CVOj ist. Ist der akustische Kopplungsfaktor k;> sehr groß, dann liegen die beiden Resonanzfrequenzen eines Bandfilters weit auseinander, eine Frequenzdämpfungskennlinie eines derartigen Bandfilters zeigt F i g. 3.

Aus obigem folgt, daß ein aus zwei Bandfiltern mit je zwei Resonatoren gebildeter Ftlterabschnitt folglich insgesamt vier Resonanzfrequenzen besitzt.

Die beiden Resonanzfrequenzen eines derartigen Bandfillers können dargestellt werden als

fr„2-/"_U(l±C,/2i?l2)

Beim erfindungsgemäßen Filter sind die vier Resonanzfrequenzen eines Filterabschnitts nun so wählbar, daß die symmetrischen und antisymmetrischen Resonanzfrequenzen der beiden Bandfilter etwa gleich sind und je ein Paar fr,. fr₂ und frj und Zr₄ bilden, so daß sich eine Frequenzdämpfungskennlinie eines Filterabschnitts ergibt, wie sie in F i g. 5 dargestellt ist; hierbei ergeben sich zwei Durchlaßbereiche, deren Abstand vom Wert des Reaktanzschaltelementes C21 (Kondensator) bestimmt &t.

in Fig.6 ist das Verhältnis des elekLischen Kopplungsfaktors zum akustischen Kopplungsfaktor als Funktion der Frequenz wiedergegeben, wobei die vier Resonanzfrequenzen als Parameter fungieren. Für d:~- ses Verhältnis

ka

jo gilt annähernd

"¥■

<- 23

Ist der akustische Kopplungsfaktor bedeutend größer als der elektrische Kopplungsfaktor, so daß — groß ist,

dann liegen also einerseits fr, und fr_s und andererseits fr₇ und fr* dicht beieinander. Eine Änderung des Werts des

Kondensators

und damit des Wertes —verursacht

χ
eine Änderung dieser Frequenzdifferenzen.

Unter Zugrundelegung der vorstehend beschriebenen Schaltung kann man ein Filter herstellen, Jessen ■ι·) Frequenzen fr, und />j innerhalb und dessen "requen:en /h und /r< weit außerhalb des Durchlaßbands fallen. Die Differenz zwischen den Frequenzen fr ι und Su selbst und auch die zwischen den Frequenzen /h und fr_t einerseits und den Frequenzen fr\ und fr\ andererseits ist damit völlig uninteressant geworden.

Zur Erzeugung eines einzigen, sehr schmalen Durchlaßbcrcichs sind die vier Resonanzfrequenzen eines Filterabschnittes so gewählt, daß die Resonanzfrequenz des den symmetrischen Schwingungsmodus aufweisenden Teils der Schwingungen des einen Bandfilter:! etwa gleich der Resonanzfrequenz des den antisymmetrischen Schwingungsmodus zeigenden Teils der Schwingungen des anderen Bandfilters ist.

Es entsteht dann r.ne Frequenzdämpfungskennlinie b0 wie in F i g. 7 wiedergegeben. Durch Variation des Kondensators C21 kann die Differenz zwischen den Frequenzen fri und fr_s abgeändert werden, so daß die Raiidbreite des Filterabschnitts von außen her einstellbar ist. Wie aus F i g. 8 ersichtlich, hat dieser Filterabsehniii ein sehr b^r> schmales Durchlaßbano.

Zur Verbesserung der Steilheit der Flanken können mehrere Filtcrabschnitte paarweise hintereinander geschaltet werden (F iß. 9). Aus KoDDlunEsimpedanzen

IT TWJ

werden hierfür Sclbstinduklivitiltcn gewühlt.

Fig. IO zeigt die Frequcnzdämpfungslinic cincrs FiI-tcrs mit drei paarweise hintereinander geschalteten FiI-terabschniiten. Dieses Filter ist frei von Nebcnrcsonanzen und auch die Unebenheil isl kleiner als 0,3 dB.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

JO

Claims

Patentansprüche:

1. Semi-monolithisches Filter, bei welchem eine geradzahlige Anzahl von zweikreisigen elektrome- ·> chanischen Bandfiltern auf monolithischer Basis unter Zwischenfügung jeweils eines als Querzweig in Erscheinung tretenden Reaktanzschaltelcmentes in Kette geschaltet sind und bei welchem die zweikreisigen elektromechanischen Bandfilter aus Quarz oder einem anderen piezoelektrischen Material bestehen und bei welchem die Resonatoren Dickenscherschwingungen ausführen gekennzeichnet durch,

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a) die Anwendung einer Schaltungskonfiguration, bei welcher jeweils zwei elektrisch gekoppelte zweikreisige elektromcchaniscnc Bandfilter einen Filtcrabschnitt bilden.

b) die Anwendung von einem bzw. mehreren FiI-teraJvarhnitten, bei welchem bzw. bei welchen die akustische Kopplung der Resonatoren der zweikreisigen elektromechanischen Bandfilter größer ist als die durch ein Reaktanzschaltelement bewirkte elektrische Kopplung zwischen den Bandfiltern eines Filterabschnittes.

c) die Anwendung von jeweils einen Filterabschnitt bildenden zweikreisigen elektromechanischen Bandfiltern, bei welchen die Frcquenzlage der einen der beiden Resonanzfrequenzen jo des einen Bandfilters sich ganz oder annähernd mit der Frequenzlagc der einen der beiden Resonanzfrequenz., η des anderen Bandfilters deckt,

d) die Anwendung von je »cils einen Filterabschnitt bildenden zweikreisigen elektromechanischen Bandfiliern. bei welchen die Resonatoren der einzelnen Bandfilter überkritisch gekoppelt sind und bei welchen aufgrund passender Wahl der Resonanzfrequenzen der Resona- torcn innerhalb eines Filterabschnittes eine Gesamtanordnung mit der vorgeschriebenen Breite des Durchlaßbereiches verwirklichbar ist.