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Bei vielen dieser bekannten Schaltungen, z. B. nach der britischen
Patentschrift 8 16463 oder der deutschen Patentschrift 12 57 990, erfordert die
meist notwendige Anpassung der hohen Quarzimpedanz an das Widerstandsniveau der
übrigen Schaltung außerdem Übertra-
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ger, die bei hohen Frequenzen, z. B. im Bereich 1 bis 100 MHz, schwer
realisierbar sind.
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Zur Realisierung von Filterbandsperren mit entsprechend hohen Sperrfrequenzen
sind also Schaltungen erforderlich, die eine ausreichende Unterdrückung der Obertöne
bzw. des Grundtones der Quarzschwingung gewährleisten und außerdem eine kapazitive
Übersetzung der Quarzimpedanz ermöglichen.
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In diesem Zusammenhang sind in der deutschen Patentschrift 12 68
289 und in der deutschen Offenlegungsschrift 19 48 802 Quarzbandsperren beschrieben,
die die obengenannten Anforderungen wenigstens teilweise erfüllen und die sich wegen
ihrer allgemeinen Verwendbarkeit und ihrer Erweiterungsfahigkeit, beispielsweise
durch Erhohung der Quarzzahl, zu Bandsperren mit an sich beliebig steilen Dämpfungsflanken
gut bewährt haben; abgesehen von speziellen Anwendungsfällen mit besonders hohen
Anforderungen an die Sperrdämpfung, sind diese Bandsperrenschaltungen jedoch zu
aufwendig und daher nicht wirtschaftlich einsetzbar.
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Weiterhin ist aus der deutschen Patentschrift 12 88 699 eine Bandsperre
nach Art einer Brückenschaltung bekannt, die durch eine Quarzstörung aus einem Allpaßglied
vierter Ordnung hervorgeht. Ein solches erdsymmetrisch aufgebautes Allpaßglied,
jedoch ohne Quarzstörung, ist in F i g. 1 dargestellt. Es enthält in den Längszweigen
die Parallelschaltung eines aus der Spule Ll1 und dem Kondensator C,1 bestehenden
Serienresonanzkreises und eines aus der Spule L12 und dem Kondensator C12 bestehenden
Parallelresonanzkreises.
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Die zu den Längszweigen dualen Diagonalzweige enthalten jeweils die
Serienschaltung eines aus der Spule L21 und dem Kondensator C2t bestehenden Serienresonanzkreises
und eines aus der Spule L22 und dem Kondensator C22 bestehenden Parallelresonanzkreises.
In der Darstellung nach F i g. 1 sind die oben angegebenen Schaltelemente, wie allgemein
üblich, jeweils nur in einem Längs- und einem Diagonalzweig der Brückenschaltung
eingezeichnet.
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F i g. 2 zeigt eine durch die obengenannte deutsche Patentschrift
12 88 699 bekannte und zur Schaltung nach F i g. 1 äquivalente Schaltungsanordnung,
die als überbrücktes T-Glied ausgeführt und durch Einbeziehung eines Schwingquarzes
zu einer schmalen Bandsperre ausgebildet ist. Die Bezugszeichen für diese und die
im folgenden beschriebenen Figuren sind übereinstimmend mit den jeweiligen Elementewerten
und bezogen auf die äquivalente Brückenschaltung der F i g. 1 gewählt.
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Die Bandsperre nach F i g. 2 enthält im Querzweig die Parallelschaltung
einer Spule L22/2 und eines Kondensators 2C22 und in den Längszweigen die Serienschaltung
einer Spule L21 und eines Kondensators C21. Der Überbrückungszweig enthält die Parallelschaltung
eines Serienresonanzkreises und eines aus einer Spule 2L12 und eines Kondensators
Cit2/2 bestehenden Parallelresonanzkreises, dem ein durch seine Induktivität 2Lq
und seine Kapazität CqI2 bezeichneter Schwingquarz parallel geschaltet ist. Durch
den Schwingquarz ist damit ein »störender« Serienschwingkreis mit der Induktivität
2Lq und der Kapazität Cq/2 parallel zum Kondensator C12/2 des Parallelresonanzkreises
gelegt; seine Resonanzfrequenz liegt dicht bei der sich einstellenden Sperrfrequenz
foo mit dem normierten Wert Q = f/fM, wobei fM die mittlere Allpaßresonanzfrequenz
bedeutet.
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F i g. 3 zeigt für eine Schaltung nach F i g. 2 die
Dämpfung al,,x
und a2max sowie die relative Bandbreite dfilf, (3 dB-Bandbreite) von gewünschten
oder parasitären Sperrbereichen als Funktion der normierten Sperrfrequenz Q. Als
Parameter ist der relative Frequenzabstand B der oberen von der unteren Allpaßresonanz
f,,, ft bezogen auf die mittlere Allpaßresonanz fM mit ganzzahligen Werten von 1
bis 5 gewählt. Als zweiter Parameter ist der gebräuchliche Zobelsche Versteilerungsfaktor
m mit einem Wert von m = 1 eingeführt, wodurch der den Serienresonanzkreis aufnehmende
Überbrückungszweig entfällt. Die Dämpfung S2maX unterscheidet sich von al may durch
eine andere Wahl des Induktivitätsverhältnisses LqIL12. Die Kurvenpunkte, bei denen
eine Phasendrehung von einem ungeraden bzw. geraden Vielfachen eines rechten Winkels
auftreten, sind auf den Kurven mit Kreisen bzw.
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Kreuzen bezeichnet Wie aus den Kurven ersichtlich ist, ergibt die
zugehörige Bandsperrenschaltung bei einer Nebenresonanz für Q =1 einen Sperrbereich
der Breite 0; der Abfall der Bandbreiten möglicher parasitärer Sperrbereiche bei
Obertönen ist proportional zu Q-3 und bei Untertönen proportional zu Q.
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Für den Zusammenhang zwischen der Bandbreite der von Quarznebenresonanzen
hervorgerufenen Sperrbereiche und der dabei auftretenden Dämpfungsspitzen ab,, gilt
für m= 1 folgende Beziehung
wobei Qq die Quarzgüte ist.
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Daraus wird erkennbar, daß ein Sperrbereich der Breite 0, wie er
bei der Nebenresonanz Q= I auftritt, keinerlei störende Dämpfungsspitzen verursacht.
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Die Schaltung nach F i g. 2 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn
nur ein einziger schmaler Nebenresonanzbereich sehr gut bzw. vollständig unterdrückt
werden muß. Der Abfall der Bandbreiten bzw. der Dämpfungsspitzen ist jedoch für
Q < 1 nicht sehr günstig.
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F i g. 4 zeigt eine weitere Bandsperre, die durch Einfügen einer
Quarzstörung aus einem Allpaßglied vierter Ordnung nach F i g. 1 hervorgeht. Diese
Schaltung ist durch die deutsche Patentschrift 21 45 703, insbesondere für Störungen
durch mehrere Quarze und für den Sonderfall, daß der Nutzsperrbereich bei Q = I
liegt, bekannt. Bei ihr ist durch den Schwingquarz ein »störender« Serienschwingkreis
parallel zur Kapazität 2C22/ü gelegt und die kapazitive Widerstandsübersetzung derart
gewählt, daß das Impedanzniveau der Schaltung an die Impedanz des Schwingquarzes
angepaßt ist.
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Bei der speziellen Ausführung der F i g. 4 dieser Bandsperrenschaltung
handelt es sich um ein zur Schaltung nach F i g. 1 äquivalentes, überbrücktes T-Glied,
dessen Längszweig eingangs- und ausgangsseitig jeweils eine Spule L21 aufweist,
der im folgenden bzw.
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vorhergehenden Querzweig jeweils ein Kondensator (ü-1/ü)C21 nach-
bzw. vorgeschaltet ist, dem wiederum im Längszweig jeweils ein weiterer Kondensator
C21/ü nach- bzw. vorgeschaltet ist. Zwischen beiden Kondensatoren C21/ü liegt im
Querzweig ein durch eine Spule u2L22/2 und einen Kondensator 2C22/ü gebildeter Parallelresonanzkreis,
dem ein die Störung verursachender Schwingquarz parallel geschaltet ist. Der Überbrückungszweig
des T-Gliedes enthält die Parallelschaltung
einer Spule 2L12 und
eines Kondensators Cm2/2.
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F i g. 5 zeigt in einer zu F i g. 3 analogen Darstellung die Dämpfung
und die mit einem konstant gehaltenen Faktor LdL22 m B multiplizierte relative Bandbreite
Sffi/fx von gewünschten oder parasitären Sperrbereichen für verschiedene Bemessungen
der Schaltung nach F i g. 4 als Funktion der normierten Sperrfrequenz Q. Als Parameter
sind auch hier der relative Frequenzabstand B, jedoch mit Werten zwischen 0,1 und
2 und der Zobelsche-Versteilerungsfaktor m mit m= 1 - gewählt. Punkte mit einer
Phasendrehung von einem ungeraden bzw. geraden Vielfachen eines rechten Winkels
sind in Übereinstimmung zu Fig.3 ebenfalls mit Kreisen bzw. Kreuzen bezeichnet.
Wie leicht erkennbar ist, ist zwar eine vollständige Unterdrückung einer Nebenresonanz
hier nicht möglich, dafür fällt sowohl die obere Flanke (Q> 1) als auch die untere
Flanke (Q <1) 1) der Dämpfungs- bzw.
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Bandbreitenkurve steiler ab als in F i g. 3. Wie rechnerisch leicht
nachzuweisen ist, fällt die obere Flanke dort proportional Q-5 und die untere Flanke
proportional Q+3 ab. Damit ist die Schaltung nach Fig.4 besonders für eine gute
Nebenresonanzdämpfung bei Obertönen bzw. bei gleichzeitigem Auftreten von Unter-
und Obertönen geeignet.
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In vielen Anwendungsfällen sind jedoch Bandsperren erforderlich,
die eine vollständige Unterdrückung einer Nebenresonanz und zusätzlich einen starken
Dämpfungsabfall bei hohen Frequenzen ermöglichen. Die Bandsperrenschaltung nach
F i g. 4 weist zwar einen im allgemeinen ausreichend großen Dämpfungsabfall bei
hohen Frequenzen auf, jedoch ist mit ihr die vollständige Unterdrückung einer Nebenresonanz
nicht möglich. Mit der Schaltung nach F i g. 2 kann zwar eine Nebenresonanz vollständig
unterdrückt, jedoch bei hohen Frequenzen kein mit der Schaltung nach F i g. 4 erreichbarer
Dämpfungsabfall erzielt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den erwähnten Schwierigkeiten
in verhältnismäßig einfacher Weise abzuhelfen und insbesondere einfach aufgebaute
Quarzbandsperren anzugeben, die eine vollständige oder wenigstens in hohem Maße
wirksame Nebenresonanzunterdrückung gewährleisten und außerdem auch für hohe Frequenzen
einsetzbar sind.
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Ausgehend von einer Bandsperre für elektrische Schwingungen unter
Verwendung eines frequenzbestimmenden piezoelektrischen Kristalls und eines Allpaßgliedes
vierter Ordnung in Brückenschaltung, dessen Längszweig aus der Parallelschaltung
eines Serienresonanzkreises und eines Parallelresonanzkreises besteht und dessen
Diagonalzweig dazu dual ist und aus der Serienschaltung eines Parallelresonanzkreises
und eines Serienresonanzkreises besteht, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß das frequenzbestimmende piezoelektrische Kristall dem Kondensator
eines der Serienresonanzkreise parallel geschaltet ist.
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Vorteilhaft ist es, als frequenzbestimmendes piezoelektrisches Kristall
einen Schwingquarz vorzusehen.
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In vielen Anwendungsfällen ist es notwendig, die Bandsperre in bereits
vorliegende unsymmetrische Schaltungsanordnungen einzubeziehen und sie deshalb unsymmetrisch
als zur Brückenschaltung äquivalente Differential- bzw. als überbrückte T-Schaltung
auszu-
führen. Ein \Jortei\ ergibt sich dann in der eines der zwei in der Brückenschaltung
erforderlichen Schwingquarze.
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An Hand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung
noch näher erläutert.
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Es zeigt in der Zeichnung Fig. 1 ein einleitend bereits beschriebenes
Allpaßglied vierter Ordnung, F i g. 2 eine einleitend bereits beschriebene bekannte
Bandsperre, F i g. 3 den Dämpfungs- und Bandbreitenverlauf einer Schaltung nach
F i g. 2, F i g. 4 eine weitere ebenfalls bereits erörterte bekannte Bandsperre,
F i g. 5 den Dämpfungs- und Bandbreitenverlauf einer Schaltung nach F i g. 4, F
i g. 6 eine Bandsperre gemäß der Erfindung, Fig. 7 eine weitere Bandsperre gemäß
der Erfindung, F i g. 8 den Dämpfungs- und Bandbreitenverlauf von Schaltungen nach
den F i g. 6 oder 7, F i g. 9 bis 11 weitere Ausführungsformen von Bandsperren gemäß
der Erfindung, F i g. 12 den Dämpfungs- und Bandbreitenverlauf der Schaltungen nach
den Fig. 9 bis 11.
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Die erfindungsgemäße Bandsperrenschaltung nach F i g. 6 ist als überbrückte
T-Schaltung ausgeführt, die äquivalent zu einer quarzgestörten Allpaßschaltung nach
F i g. 1 ist, bei der der »störende« Schwingquarz parallel zum Kondensator C2 des
im Diagonalzweig liegenden Serienresonanzkreises geschaltet ist. In der äquivalenten
unsymmetrischen Darstellung nach F i g. 6 erscheint der Schwingquarz parallel zum
Kondensator 2C2, eines im Querzweig liegenden und die Spule L21/2 aufweisenden Serienresonanzkreises.
Der Schwingquarz verhält sich in dieser Anordnung wie die Serienschaltung einer
Induktivität Ld2 und einer Kapazität 2Cq. Im Eingangs- und Ausgangslängszweig dieser
T-Schaltung liegt jeweils ein aus einem Kondensator C22 und einer Spule L22 bestehender.
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Parallelresonanzkreis; im Überbrückungszweig liegt ein aus einer
Spule 2L11 und einem Kondensator Cd 1/2 bestehender Serienresonanzkreis.
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Bei der oben beschriebenen Schaltung nach F i g. 6 wie auch bei den
folgenden erfindungsgemäßen Schaltungen, die alle Äquivalenzen der quarzgestörten
Brückenschaltung nach F i g. 1 sind, wurde davon ausgegangen, daß die Serienresonanzkreise
und die Parallelresonanzkreise des Längs- und des Diagonalzweiges dieser quarzgestörten
Brückenschaltung nach F i g. 1 alle näherungsweise auf die gleiche Resonanzfrequenz
abgestimmt sind, und daß der Zobelsche Versteilerungsfaktor m den Wert 1 annimmt.
Dadurch ergibt sich für die äquivalenten unsymmetrischen Schaltungen eine einfachere
Berechenbarkeit und Bemessung und die Möglichkeit der Einsparung von Bauelementen.
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In F i g. 7 ist eine weitere äquivalente Darstellung der quarzgestörten
Allpaßschaltung nach F i g. 1, dessen »störender« Schwingquarz parallel zum Kondensator
C21 geschaltet ist, in Form eines überbrückten T-Gliedes angegeben. Im Eingangs-
und Ausgangslängszweig dieses T-Gliedes liegt jeweils eine Spule L21, im Querzweig
liegt die Serienschaltung eines Kondensators 2C21 und eines aus einer Spule L22/2
und aus einem Kondensator 2C22 bestehenden Parallelresonanzkreises.
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Im ersten Überbrückungszweig des T-Gliedes liegt ein aus der Spule
2L" und dem Kondensator C,/2 bestehender Serienresonanzkreis; ein zweiter Überbrückungskreis
enthält
einen aus einem Kondensator Ci2/2 und einer Spule 2 . t12 L2i - L12 bestehenden
Parallelresonanzkreis.
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Gemeinsam für beide Bandsperrenschaltungen nach den F i g. 6 und
7 ist also die Schaltung eines »störenden« Serienresonanzkreises der Induktivität
Ld2 und der Kapazität 2Cq parallel zum Kondensator 2C21, der hier dem Kondensator
C21 des Serienresonanzkreises des Diagonalzweiges der äquivalenten Brückenschaltung
nach F i g. 1 entspricht. Die Resonanzfrequenz dieses »störenden« Serienresonanzkreises
liegt dicht bei der sich einstellenden Sperrfrequenz f mit dem normierten Wert Q
= f,,/fM, wobei fM die mittlere Allpaßresonanz bedeutet.
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F i g. 8 zeigt die Dämpfung als und die mit einem konstant gehaltenen
Faktor Lq/L21 m ß multiplizierte relative Bandbreite Jft/fm von gewünschten oder
parasitären Sperrbereichen für die oben beschriebenen Bandsperrenschaltungen der
F i g. 6 und 7. Übereinstimmend mit der Darstellung nach F i g. 3 ist hier als erster
Parameter der relative Frequenzabstand B der oberen von der unteren Allpaßresonanz
La bezogen auf die mittlere Allpaßresonanz fM mit ganzzahligen Werten zwischen 1
und 5 gewählt. Als zweiter Parameter ist auch hier der Zobelsche Versteilerungsfaktor
m mit dem Wert m= 1 eingeführt. Wie aus der Figur ersichtlich ist, tritt für beide
Bandsperrenschaltungen bei der Nebenresonanz mit Q =1 ein ein.Sperrbereich der Breite
O bzw. eine vollständige Unterdrückung einer Nebenresonanz auf. Außerdem verläuft
der Abfall der Bandbreiten und damit der Dämpfungsspitzen parasitärer Sperrbereiche
bei Obertönen proportional zu S2-s und somit wesentlich steiler als bei der bekannten
Bandsperre nach F i g. 2. Eine physikalische Erklärung dafür, daß eine Nebenresonanz
bei 11 1 keinen parasitären Sperrbereich liefert, ist darin zu sehen, daß die aus
der Spule L22 bzw. L22/2 und dem Kondensator C22 bzw. 2C22 bestehenden Parallelresonanzkreise
bei ihrer Resonanzfrequenz die Quarzstörung von der restlichen Bandsperrenschaltung
abtrennen.
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Wegen ihrer vollständigen Unterdrückung einer Nebenresonanz und der
bei höheren Frequenzen besonders starken Nebenwellenunterdrückung sind die Schaltungen
nach F i g. 6 und 7 besonders für Bandsperren mit Grundtonquarzen geeignet. Nach
der bisher üblichen Betrachtungsweise sind Quarzsperrenschaltungen als quarzgestörte
Allpässe aufzufassen, bei den der Allpaß aus der Parallelschaltung eines Bandpasses
und einer Bandsperre besteht und bei denen der Quarz so in den Bandpaßteil eingefügt
ist, daß alle Nebenresonanzen in dessen Sperrbereich fallen. Im Hinblick darauf
erscheint es bemerkenswert und unerwartet, daß bei den erfindungsgemäßen Schaltungen
der F i g. 6 und 7 der Schwingquarz in den Bandsperrenteil des Allpasses eingefügt
ist und seine Oberwellen, die damit in dessen Durchlaßbereich fallen, trotzdem besser
als beim bekannten Stand der Technik unterdrückt werden.
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Bei den erfindungsgemäßen Bandsperrenschaltungen der Fig. 9 bis 11
handelt es sich ebenfalls um überbrückte T-Schaltungen, die äquivalent zur Allpaßschaltung
nach Fig.l sind, bei der ein »störender«
Schwingquarz jedoch nicht parallel zum Kondensator
C2 des im Diagonalzweig, sondern parallel zum Kondensator C11 des im Brückenlängszweig
liegenden Serienresonanzkreises geschaltet ist.
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Durch den Schwingquarz ist den Schaltungen der Fig. 9 bis 11, deren
übereinstimmend aufgebauter erster Überbrückungszweig jeweils aus der Serienschaltung
einer Spule 2Lt1 und eines Kondensators C,1/2 besteht, ein »störender« Serienschwingkreis
mit der Induktivität 2Lq und der Kapazität Cq/2 parallel zum Kondensator Cm 1/2
geschaltet.
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Die Allpaßschaltung der Bandsperre nach F i g. 9 ist bezüglich des
Aufbaues und der Elementewerte identisch mit derjenigen nach Fig. 7; lediglich der
Ort der Quarzstörung unterscheidet sich wie oben angegeben.
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Eine weitere erfindungsgemäße Bandsperrenanordnung, die sich von
der Anordnung nach F i g. 6 lediglich dadurch unterscheidet, daß der Schwingquarz
nicht dem Kondensator 2C21 des im Querzweig liegenden Serienresonanzkreises, sondern
dem Kondensator Cit /2 des im l Überbrückungszweig liegenden Serienresonanzkreises
parallel geschaltet ist, zeigt Fig. 10. Die dieser Bandsperre zugrunde liegende
Allpaßschaltung stimmt mit derjenigen von F i g. 6 hinsichtlich des Aufbaus und
der Elementewerte überein; der Schwingquarz ist durch die Induktivität 2Lq und die
Kapazität CqI2 bestimmt.
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F i g. 11 zeigt eine weitere, als überbrückte T-Schaltung ausgeführte
Bandsperrenanordnung, die in den Längszweigen jeweils einen Kondensator C21 und
im Querzweig die Serienschaltung einer Spule L2l/2 und eines aus einer Spule L22/2
und einem Kondensator 2C22 bestehenden Parallelresonanzkreises aufweist. Der erste
Überbrückungszweig enthält übereinstimmend mit den F i g. 9 und 10 einen Serienschwingkreis,
bestehend aus einer Spule 2Lll und einen Kondensator C11/2, dem der »störende« Schwingquarz
als eine Serienschaltung einer Induktivität 2Lq und einer Kapazität Cq/2 parallel
geschaltet ist. In einem zweiten Überbrückungszweig der T-Schaltung liegt ein Parallelresonanzkreis
mit einer Spule 2L,2 und einem Kondensator c12 - c21 2 F i g. 12 zeigt die Dämpfung
atmsx und a2max und die mit einem konstant gehaltenen Faktor Lq m/L11 113 multiplizierte
relative Bandbreite Af1/f von gewünschten oder parasitären Sperrbereichen der Schaltungen
nach den Fig.9 bis 11 als Funktion der normierten Sperrfrequenz Q. Die Dämpfung
a2maxunterscheidet sich von atn7aX durch eine andere Wahl der Induktivitätsverhältnisse
Lq/LXt. Als Parameter ist auch hier der relative Frequenzabstand B mit Werten zwischen
0,2 und 2 gewählt. Für den Zobelschen Versteilerungsfaktor m wurde der Wert m= 1
angenommen.
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Wie aus den Kurven ersichtlich ist, ist zwar eine vollständige Unterdrückung
einer Nebenresonanz wie bei den Schaltungen nach den F i g. 6 und F i g. 7 nicht
möglich, dafür fällt die obere Flanke (Q> 1) der Bandbreiten- bzw. der Dämpfungskurve
mit einer Steigung von Q-7 noch steiler ab als bei allen oben gezeigten Kurven.
Besonders vorteilhaft einsetzbar dürfen diese Bandsperrenschaltungen deshalb wohl
am unteren Rand breiter Übertragungsbereiche sein.