DE2519490A1

DE2519490A1 - Elektromechanische frequenzweiche

Info

Publication number: DE2519490A1
Application number: DE19752519490
Authority: DE
Inventors: Seiichiro Kanazawa; Takeshi Yano
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1974-05-07
Filing date: 1975-05-02
Publication date: 1975-11-13
Also published as: US3986151A; JPS50142141A

Description

PATENTANWALT Dr. iur. UWE DRElSS 7 STUTTGART! Diplom-Ingenieur, M. Sc SchidtstraBe 2

Telefon (0711) 245734 Telegrammadresse UDEPAT

3 0. APR. 1975

Anmelder: Mein Zeichen:

Nippon Electric Company Ltd. Ni - 648

33-1 Shiba Gochome,

Minato-ku ^AmiI-^Akt-^z-^!

Tokyo (JAPAN)

Priorität: 7. Mai 1974
Japan
49 681/1974

Elektromechanis ehe Frequenzweiche

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Frequenzweiche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung auf solche elektromechanische Frequenzweichen, die ein mechanisches bzw. Vibrationssystem enthalten und die entweder ein elektrisches Eingangssignal'in zwei elektrische Ausgangssignale verzweigen können, welche unterschiedliche Frequenzanteile besitzen, oder die zwei Signale unterschiedlicher Frequenzanteile zu einem einzigen Ausgangssignal zusammensetzen bzw. vereinigen können. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine elektromechanische Frequenzweiche, die elektromechanische Breitband- und Schmalband-Filter besitzt, deren Mittenfrequenzen bzw. mittlere Trägerfrequenzen des Durchlaßbereichs einander benachbart sind.

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mm O .

Neuerdings werden trägerfrequente Pernsprechübertragungssysteme zur wirtschaftlichen übertragung einer größeren Anzahl Sprechsignale höheren MuItiplex-Verhältnissen angepaßt. Dadurch wurden Filter kleinerer Abmessungen notwendig. Auf diese Anforderungen hin ist die elektromechanische Frequenzweiche geschaffen worden, die eine Vielzahl mechanisch gekoppelter elektromechanischer Filter aufweist. Eine derartige Weiche bzw. Filter ist in der US-PS 2 955 267 bekannt. Nach diesem Stand der Technik sind elektromechanische Filter, die unterschiedliche Durchlaßbereiche besitzen, miteinander durch einen gemeinsamen Traniuktor (elektromechanischen Wandler) gekoppelt, der einen Durchlaßbereich besitzt, der breit genug ist, um alle Durchlaßbereiche der einzelnen elektromechanischen Filter einzuschließen. Bei einer solchen Anordnung arbeitet jedoch der gemeinsame Transduktor als inaktives Element, das nicht direkt zur Dämpfung beiträgt, aufgrund der Tatsache, daß sein Durchlaßbereich alle verschiedenen Durchlaßbereiche abdeckt.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine elektromechanische Frequenzweiche zu schaffen, bei der die Verwendung dieses inaktiven Elements vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigen:

Pig. 1 eine perspektivische Ansicht des konstruktiven Aufbaues einer elektromechanischen Frequenzweiche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die Torsions-Resonatoren (Vibration im Torsions-Mode) und longitudinal schwingende Koppler (Vibration im Longitudinal-Mode) enthält,

Fig. 2 das elektrische Ersatzschaltbild der in Fig. 1 dargestellten Frequenzweiche,

Fig. 3 und 5 Schaltbilder von Tiefpass-Grundfiltern,

Fig. U und 6 Ersatzschaltbilder von elektromechanischen Breitband- und Schmalband-Filtern, welche von den in Fig. 3 bzw. 5 dargestellten Schaltbildern abgeleitet sind,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des konstruktiven Aufbaues einer elektromechanischen Frequenzweiche gemäß einem anderen Ausführungsbeispxel der Erfindung, die aus grundlegenden Biege-Resonatoren (Vibration im Biege-Mode) gemäß dem Ersatzschaltbild nach Fig. 2 gebildet ist,

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild einer Frequenzweiche mit Polen

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und

Pig. 9 eine perspektivische Ansicht des konstruktiven Aufbaues einer elektromechanischen Frequenzweiche gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, die aus Torsions-Resonatoren (Vibration im Torsions-Mode) gemäß dem Ersatzschaltbild nach Fig. 8 gebildet ist.

Der Schaltkreis nach Fig. 2, der das Ersatzschaltbild der in Fig. 1 dargestellten elektromechanischen Frequenzweiche ist, sei anhand der Fig. 3 bis 6 beschrieben. Fig. 3 zeigt einen Schaltkreis eines Tiefpass-Grundfilters, der als Grundlage eines elektromechanischen Breitband-Filters dient. Die Konstanten dieses Filters sind folgende:

R₁ : 1.0 (ohm)
301 : O.961973829 (henry) 303 : I.95274209 (henry) 305 : 2.06674136 (henry) 307 : 2.08646426 (henry)

R₂ : 1.0 (ohm)

302 : 1.48017326 (farad)

304 : I.73318939 (farad)

306 : 1.77569342 (farad)

Fig. 5 zeigt einen Schaltkreis eines Tiefpass-Grundfilters, der als Grundlage eines elektromechanischen Schmalband-Filters dient. Die Konstanten dieses Filters sind die folgenden:

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: 1.0 (ohm)

: 0.9336442 (henry) 503 : 1.5794170 (henry)

R₂ : I.2221638 (ohm) 502 : I.2923128 (farad) 504 : O.7635186 (farad)

Der in Fig. 3 dargestellte Schaltkreis ist durch eine Bandpass-Transformation in ein Bandpass-PiIter mit einer Mittenfrequenz von 113,9 kHz und einem Durchlaßbereich bzw. einer Durchlaßbandbreite von 3,27 kHz transformiert. Bei weiterem Transformieren durch eine Gyrator-Umwandlung erhält man das in Fig. 4 dargestellte Ersatzschaltbild eines elektromechanischen Breitband-Filters. Die Konstanten dieses Schaltkreises sind die folgenden:

R₁ :	1.0 (ohm)	(henry)	R₂ :	1.0 (ohm)	(farad)
401L	: 4.28θ4χ1θ"⁸	(henry)	401C	: 4.682OxlO~⁵
402L	. 4.3558xlO"⁸	(henry)	4O2C	, «. 11 _
4O3L	: 4.3177xlO"⁸	(henry)	4O3C	, _ It _
4O4L	: 4.3IOIXIO"⁸	(henry)	4O4C	■ — " —
4O5L	4.3O73xlO~⁸	(henry)	4O5C	. — " _
4O6L:	4.3062xl0"⁸	(henry)	4O6C	ι _ " —
4O7L:	4.3O59xlO~⁸	(henry)	4O7C	- W _	(henry)
4o8 :	1.7348xl0"⁶	(henry)	409	2.47l6xlO"⁶	(henry)
410 :	2.6745xl0"⁶	(henry)	411 .	2,7515xlO~⁶	(henry)
412 j	2.785OXIO"⁶	413	2.7983X1O"⁶

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Der in Pig. 5 dargestellte Schaltkreis ist mittels einer Bandpass-Transformation in ein Bandpassfilter mit einer Mittenfrequenz von 115,85 kHz und einer Durchlaßbandbreite von 100 Hz transformiert. Bei weiterem Transformieren durch eine Gyrator-Umwandlung erhält man das in Pis;. 6 dargestellte Ersatzschaltbild eines elektromechanischen Schmalband-Filters, Die Konstanten dieses Schaltkreises sind die folgenden:

R, : 1.0 (ohm)

601	.0009x10
603	_ » _
605	_ II _
607	— '· _
609	.6170x10
611 :	_ K _
: 9



• 1

-6

(henry)

(farad)

1.0 (ohm)

602	: 2	.1002χ1θ"⁹	(farad)
608	* *	_ " _
604	: 2	.1023xl0"⁹	(farad)
606	: 2	.1Ο23χ1θ"⁹	(farad)

610 : 2.1037x10

-6

(farad)

Der in Pig. 6 dargestellte Schaltkreis wird durch eine Gyrator-Umwandlung und eine Norton-Umwandlung in einen Schaltkreis transformiert, der dann mit dem in Fig. 4 dargestellten Schaltkreis gegabelt bzw. verzweigt verbunden wird, wodurch man ein Ersatzschaltbild (Pig.2) der elektromechanischen Frequenzweiche gemäß der Erfindung erhält. Die Konstanten dieses Schaltkreises Sind die folgenden:

509846/0833

R₁ :
2O1L:
2O2L:
2O3L:

2O5L:
2O6L:
37L:
:
215L:
216L:
217L:

1.0 (ohm) 4.2804x10 4.3558x10 4.3177x10 4.3101x10 4.3073x10 4.3062x10 4.3059x10 6.1318x10 4.0643x10 4.04l6xl0 4.0416x10

-8 -8

-8 -8 -8 -6 -8 -8

-8

(henry) (henry) (henry) (henry) (henry) (henry) (henry) (henry) (henry) (henry) (henry)

Rp :	1	.0 (ohm)
201C:	4	.682OxIO"⁵(farad)
202C:
2O3C:		_ " _
2O4C:		_ II _
2O5C:		_ Il _
2O6C:		_ Il _
2O7C:		_ H _
215C:	4	.682OxIO"⁵(farad)
216C:		*. ·» _
217C:		_ Il _

R₃ : 19.224 (ohm)

209: 1.7348xl0"⁶(henry)

210: 2.47l6xl0"⁶(henry)

211: 2.6745xlO~⁶(henry)

212: 2.7515x10~⁶(henry)

213: 2.7850xl0"⁶(henry)

214: 2.7983xl0"⁶(henry)

218L: 4.O375xlO~⁸(henry)

218C: 4.682OxlO~⁵(farad)

219 : 8.4ll2xl0"⁸(henry)

220 : 8.0443xl0"⁸(henry)

221 : 8.4ll2xl0"⁸(henry)

In Pig. 2 können die Parallelresor.anz-Kreise 201, 218, 202 - 207 und 215 - 217 durch Transduktoren bzw. Resonatoren ersetzt werden. Ferner können die Spulen 208 - 214 und 219 - 221 durch Koppler ersetzt werden. Es kann also das in Fig. 2 dargestellte Ersatzschaltbild durch ein mechanisches Schwingungsbzw. Vibrations-System ersetzt werden, wodurch die in Fig. 1 dargestellte elektromechanische Frequenzweiche verwirklicht ist.

Gemäß Fig. 1 sind Torsions-Resonatoren (Resonatoren mit Vibration bzw. Schwingung im Torsions-Mode) 102 - 107 durch longitudinal schwingende Koppler (Koppler mit Vibration bzw.

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Schwingung im Longitudinal-Mode) kettenartig miteinander verbunden, wobei sie zwischen einem gemeinsamen Seitentransduktor 101a und einem Trenn-Seitentransduktor 101b angeordnet sind, wodurch ein Breitband-Zweig gebildet ist. In ähnlicher Weise sind Torsions-Resonatoren 116 und 117 mittels eines longitudinal schwingenden Kopplers 119 zwischen einem Resonator 115 und einem Trenn-Seitentransduktor 118 kettenartig gekoppelt, wodurch ein Schmalband-Zweig gebildet ist. Der Breitband-Zweig und der Schmalband-Zweig sind mittels eines Kopplers 108 mechanisch miteinander verbunden, dessen Kopplungs-Koeffizient gleich dem geometrischen Mittelwert der normierten Bandbreiten der beiden Zweige ist. Der gemeinsame Seitentransduktor 101a und die Trenn-Seitentransduktoren 101b und 118 besitzen einen konstruktiven Aufbau, ein piezoelektrisches keramisches Element aus Blei-Titanat-Zirkonat od. dgl., das einer Polarisationsbehandlung unterworfen wurde. Das keramische Element ist zwischen zwei Metallglieder geschichtet, über gemeinsame elektrische Seitenklemmen 125 und 126 wird ein elektrisches Wechselfeld daran angelegt, wodurch der Transduktor 101a in seinem Torsions-Mode schwingt.

Angenommen, es wird eine elektrische Energie an die gemeinsamen elektrischen Seitenklemmen 125 und 126 angelegt. Diese Energie wird dann durch den gemeinsamen Seitentransduktor 101a in mechanische Vibrations- bzw. Schwingungs-

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energie umgewandelt. Die mechanische Schwingungsenergie wird auf den Breitband-Zweig, in welchem sie mittels eines Kopplers 109 zwischen den Resonatoren 102 und 107 übertragen wird, und auf den Schmalband-Zweig aufgeteilt bzw. verzweigt, in welchem sie mittels der Koppler 108 und 119 zwischen den Resonatoren 115 und 117 aufeinanderfolgend übertragen wird. Die aufgeteilte bzw. verzweigte mechanische Schwingungsenergie wird mittels der Trenn-Seitentransduktoren 101b und 118 in elektrische Energie zurückverwandelt.

In Fig. 7 sind Grund-Biege-Resonatoren (Resonatoren mit Vibration bzw. Schwingung im Grund-Biege-Mode) 702 bis und 7l6 und 717 mittels longitudinal schwingender Koppler 709 bzw. 719 zwischen einem gemeinsamen Seitentransduktor 701a mit Grund-Biege-Mode und einem Trenn-Seitentransduktor 718 miteinander kettenartig gekoppelt, wodurch ein Breitband-Zweig und ein Schmalband-Zweig gebildet sind. Diese Zweige sind mittels eines Kopplers 708 verbunden, dessen Kopplungs-Koeffizient gleich dem Wert des geometrischen Mittels der normierten Bandbreiten der beiden Zweige wie beim in Pig. I dargestellten Ausführungsbeispiel ist.

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Im vorstehenden wurde eine erfindungsgemäße elektromechanische Prquenzweiche ohne Pol beschrieben. Im folgenden wird die Erfindung ferner anhand einer in Fig. 8 dargestellten elektromechanischen Frequenzweiche mit Pol bzw. Polen beschrieben.

In Fig. 8 können Resonanzkreise 801, 811, 830, 802 bis 810 und 827 - 829 durch Transduktoren bzw. Resonatoren und Spulen 813 - 824, 826 und 83I - 833 durch Koppler ersetzt werden. Ein übertrager 825, dessen übersetzungsverhältnis 1:1 ist, schafft eine umgekehrte Phasenbeziehung zwischen den parallel schwingenden Kreisen 803 und 8o4. Durch Ersetzen dieses Ersatzschaltbildes durch ein mechanisches Schwingungssystem wird, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1, die in Fig. 9 dargestellte elektromechanisch^ Frequenzweiche verwirklicht.

In Fig. 9 sind Torsions-Resonatoren 902 - 910 und 928 und 929 mittels longitudinal schwingende Koppler 913 bzw. 931 - 933 zwischen einem gemeinsamen Seitentransduktor 901 und einem Trenn-Seitentransduktor 911 bzw. zwischen einem Resonator 927 und einem Trenn-Seitentransduktor 930 miteinander kettenartig gekoppelt, wodurch ein Breitband-Zweig und ein Schmalband-Zweig gebildet

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sind. Diese Zweige sind mittels eines Kopplers 926 verbunden, dessen Kopplungskoeffizient, wie beim in Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel, gleich dem Wert des geometrischen Mittels der normierten Bandbreiten der beiden Zweige ist. Der Koppler 915 ist an der Innenseite eines der Resonatoren, beispielsweise des Resonators 904,

Gegen-bzw.
befestigt, um eine|Umkehr-Phasenkopplung zwischen den Resonatoren 903 und 904 zu bewirken. Die Resonatoren und 909 besitzen Einschnitte, damit Kontakt mit den Kopplern 923 bzw. 924 vermieden wird. Die Resonatoren sind zur leichteren Halterung in gerader Linie angeordnet. Haltedrähte 93^ tragen diese Resonatoren in der Mitte, welche der Knoten der Torsionsschwingung jedes Resonators ist.

Die Erfindung wurde im einzelnen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele einer elektromechanischen Frequenzweiche beschrieben, die aus Torsions-Resonatoren und Grund-Biege-Resonatoren aufgebaut ist. Erfindungsgemäß können auch longitudinal schwingende Resonatoren anstatt der Torsions-Resonatoren oder der Grund-Biege-Resonatoren verwendet werden. Auch können der Breitband-Zweig und der Schmalband-Zweig entweder ohne oder mit Pol sein.

- Ansprüche -

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Claims

PATENTANWALT Dr. fur. UWE DREISS 7 STUTTGARWr "j

Diplom-Ingenieur, M. Sc. »«ν Schickstraße 2 tO I

^^ Telefon (0711) 245734

Telegrammadresse UDEPAT

Anmelder: ^Mein Zeichen:

Nippon Electric Company Ltd. . Ni - 648

33-1 Shiba Gochome,

^l. , , Amtl. Akt. Z.:

Mmato-ku

T ο k y ο (JAPAN)

Priorität: 7. Mai 1974
Japan
49 681/1974

Patentansprüche

ij Elektromechanische Frequenzweiche mit einem Eingangs-Seiten-Transduktor zum Verzweigen eines eine gewisse Spreizung auf der Frequenzachse besitzenden Eingangssignals in zwei Ausgangssignale, die unterschiedliche Frequenzanteile besitzen, mit einem ersten Ausgangs-Seitentransduktor, mit einer ersten Anzahl Resonatoren, die mittels Koppler zwischen dem Eingangs-Seitentransduktor und dem ersten Ausgangs-Seitentransduktor miteinander gekoppelt sind, wodurch ein erstes elektromechanisches Filter gebildet ist, mit einem zweiten Ausgangs-Seitentransduktor und mit einem oder mehreren zweiten Resonatoren, die mittels Koppler zwischen dem Eingangs-Seitentransduktor und dem zweiten Ausgangs-Seitentransduktor miteinander gekoppelt sind, wodurch ein zweites elektromechanisches Filter gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenfrequenzen des ersten und des

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zweiten elektromechanischen Filters einander benachbart sind und das Verhältnis der Durchlaß-Bandbreiten der beiden elektromechanischen Filter größer als etwa 10 ist, und daß das erste und das zweite elektromechanische Filter mittels eines Kopplers (108; 708, 926) miteinander gekoppelt sind, dessen Kopplungskoeffizient im Bereich von +_ 30 % des Wertes des geometrischen Mittels der normierten Bandbreiten der beiden elektromechanischen Filter ist.
2. Frequenzweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite elektromechanische Filter aus Torsions-Transduktoren (101a,b, 118) und -Resonatoren (102-107, 115-117) aufgebaut und ohne Pol sind.
3. Frequenzweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite elektromechanische Filter aus Grund-Biege-Transduktoren (701a,b, 718) und -Resonatoren (702-707, 715-717) aufgebaut und ohne Pol sind.
4. Frequenzweiche nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß die Transduktoren (701a,b, 718) und die Resonatoren

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(702-707, 715-717) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, in ihren Abmessungen einander ähnlich sind und aus einem langgestreckten Vierkantstab-Körcer gebildet sind.
5. Frequenzweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite elektromechanisehe Filter aus Torsions-Transduktoren (901, 911» 930) und -Resonatoren (901-910, 927-929) aufgebaut sind und daß

bzw.Polen das erste elektromechanische Filter mit Pol; und das

zweite elektromechanische Filter ohne Pol ist«

6, Frequenzweiche nach Anspruch 2 oder 5₉ dadurch gekennzeichnet j daß die Transduktoren (101a_sb_s 118; 901_s 911₉ 930) und Resonatoren ilO2-IO7_sli5-H7; 9O2-91O_s 927-929) in ihren Abmessungen einander ähnlich sind vjia aus einem langgestreckten sylindrischen Körper gebildet sind.