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Elektromechanisches Filter mit mehreren, parallelachsig ange-
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ordneten, stabförmig ausgebildeten Biegeresonatoren Die Erfindung
betrifft ein elektromechanisches Filter mit mehreren parallelachsig angeordneten,
stabförmig ausgebildeten mechanischen Biegeresonatoren, die nebeneinander in einer
Ebene liegen und über Koppeldrähte miteinander gekoppelt sind, und bei dem an Eingang
und am Ausgang elektrostriktive Wandlerresonatoren zur Umwandlung elektrischer in
mechanische bzw. zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie vorgesehen sind
und das weiterhin wenigstens ein der Erzeugung von wenigstens einem Dämpfungspol
dienendes zusätzliches Koppelelement enthält.
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Bekanntlich haben sich zur Frequenzselektion bei der Ubertragung elektrischer
Nachrichten mechanische Filter deshalb gut bewährt, weil aufgrund der hohen Güte
der einzelnen Resonatoren eine verhältnismäßig kleine Bauweise erreicht werden kann,
so daß sich also gegenüber den früher verwendeten sogenannten LC-Filterschaltungen
eine erhebliche Volumenersparnis für das einzelne Filter ergibt. Erwahzlenswert
ist auch das günstigere Temperaturverhalten mechanischer Resonatoren. Mechanische
Resonatoren können bekanntlich verschiedene Schwingungsformen ausführen und es wird
bei den heutzutage eingesetzten mechanischen Filtern unter anderem die Längsschwingung,
die Torsionsschwingung und die Biegeschwingung als Nutzschwingung für die einzelnen
Resonatoren angewendet, wobei entsprechende Schwingungsformen auch für die mechanischen
Koppelelemente in Frage kommen und das Bestreben bei der Realisierung solcher mechanischer
Filter wesentlich darauf mit gerichtet sein muß, jeweils passende und günstige Schwingungsformen
für die Resonatoren und für die Koppelelemente auszuwählen. Eine vorteilhafte Schwingungsform
für die Resonatoren ist die Bnegeschw ngung deshalb, weil beim
Biegeresonator
die Resonanzfrequenz nicht nur von seiner Länge, sondern auch von dem in Schwingungsrichtung
wirksamen Flächenträgheitsmoment abhängig ist. Das Flächenträgheitsmoment wird aber
durch die Querschnittsform bestimmt, so daß man deshalb beim Biegeresonator außer
der Länge auch den Querschnitt zur Einstellung der Resonanzfrequenz heranziehen
kann. Eine vorteilhafte Kopplung solcher Biegeresonatoren ist dabei die Längskopplung,
weil sie bei einem nur geringen Querschnitt des Koppeldrahtes eine verhältnismäßig
feste Kopplung ergibt, so daß sich dadurch auch solche Filter realisieren lassen,
für deren Anwendungszweck eine verhältnismäßig große Bandbreite erforderlich ist,
Bandbreiten also, wie sie im Bereich der Trägerfrequenzübertragungstechnik auftreten.
Wegen des geringen Querschnitts des Längskopplers sind solche Filter außerdem gegenüber
sogenannten Nebenwellen - das sind nicht gewünschte Eigenschwingungen des gesamten
Filtersystems - nur wenig anfällig, weil diese Nebenwellen nur eine geringe Verkopplung
unter den einzelnen Resonatoren erfahren.
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Mechanische Filter der vorerwähnten Art sind beispielstoeise durch
die deutsche Patentschrift 15 41 975 bekannt geworden und dort im einzelnen beschrieben.
Es ist in dieser Patentschrift auch bereits ein weiteres, bei mechanischen Filtern
auftretendes Problem beschrieben, nämlich die Erzeugung von Dämpfungspolen in der
übertragungscharakteristik des Filters. Durch die Einführung von Dämpfungspolen
läßt sich bekanntlich eine Versteilerung der Dämpfungscharakteristik an jeweils
gewünschten Frequenzpunkten erzielen, wodurch in aller Regel die liiöglichkeit besteht,
Filterresonatoren einzusparen, was insbesondere dann erstrebenswert ist, wenn für
das einzelne Filter ein noch kleinerer Raumbedarf gefordert wird. Darüber hinaus
läßt sich durch die Verwendung einer geringeren Resonatorzahl zugleich auch die
Gruppenlaufzeit im Durchlaßbereich reduzieren.
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Bei der in der vorerwähnten deutschen Patentschrift 15 41 975 angegebenen
Lösung zur Erzeugung von Dämpfungspolen wird wenig-
stens ein zusätzliches
Koppelelement verwendet, das einander in ihrer elektrischen Wirkungsweise nicht
unmittelbar benachbarte Resonatoren zusätzlich miteinander verbindet. Die physikalische
Wirkungsweise solcher zusätzlichen Koppelelemente läuft dabei darauf hinaus, daß
an in Ubertragungsrichtung nachfolgenden Resonatoren bei einer ganz bestimmten Frequenz
eine Signalauslöschung erzeugt wird. Diese Frequenz wird dann als Polfrequenz bezeichnet.
Bei der bekannten Anordnung ist zur Erzielung dieser Wirkungsweise ein zusätzliches
Koppelelement vorzusehen, das relativ zum Hauptkoppler, d.h. zu dem die Bandbreite
bestimmenden Koppler, schräg geführt ist, um dadurch gegenphasig schwingende Abschnitte
der durch das zusätzliche Koppelelement gekoppelten Resonatoren miteinander zu verbinden.
Solche schräg geführten Koppelelemente sind im wesentlichen bei der praktischen
Realisierung aus zwei Gründen schwierig zu handhaben. Es werden nämlich zusätzliche
Biegekomponenten in diesem zusätzlichen Koppelelement wirksam, die zu Dämpfungsverzerrungen
führen, da auch für das schräg angeordnete zusätzliche Koppelelement die Längs schwingung
als Nutzschwingung verwendet wird. Weiterhin muß das Koppelelement an solchen Stellen
befestigt werden, bei denen sich die Biegeamplitude der Resonato ren in Abhängigkeit
von der örtlichen Lage bereits stark ändert, weshalb die Anbringung verhältnismäßig
toleranzempfindlich ist, insbesondere dann, wenn in einer technischen Großfertigung
eine Vielzahl solcher Filter mit möglichst untereinander gleichen Eigenschaften
automatisch hergestellt werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau solcher mechanischer
Filter anzugeben, bei denen sich unter Berücksichtigung der einleitend erwähnten
Forderungen Dämpfungspole in der Filtercharakteristik unter Verwendung eines oder
mehrerer zusätzlicher Koppelelemente erzielen lassen und gleichzeitig die Möglichkeit
geschaffen wird, das bzw. die zusätzlichen Koppelelemente parallel zur Filterlängsachse
zu führen.
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Ausgehend von einem elektromechanischen Filter mit mehreren
parallelachsig
angeordneten, stabförmig ausgebildeten mechanischen Biegeresonatoren, die nebeneinander
in einer Ebene liegen und über Koppeldrähte miteinander gekoppelt sind, und bei
dem an Eingang und am Ausgang elektrostriktive Wandlerresonatoren zur Umwandlung
elektrischer in mechanische bzw. zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie
vorgesehen sind und das weiterhin wenigstens ein der Erzeugung-von wenigstens einem
Dämpfungspol dienendes zusätzliches Koppelelement enthält, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß wenigstens zwei einander benachbarte Resonatoren, von denen
wenigstens einer durch ein zusätzliches Koppeleléent überbrückt ist, durch wenigstens
ein weiteres Koppelelement derart miteinander verbunden sind, daß dieses weitere
Koppelelement an gegenphasig schwingenden Resonatorabschnitten dieser beiden benachbarten
Resonatoren befestigt ist.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch
näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig.1 ein Filter aus mechanischen Biegeresonatoren
unter Verwendung zweier weiterer, die Filterbandbreite bestimmender Koppelelemente,
die parallel geführt sind; Fig.la die Anordnung zweier weiterer Koppelelemente symmetrisch
zur Längsachse des Filters; Fig.2 das zu Fig.1 bzw. 1a gehörige elektrische Ersatzschaltbild;
Fig.3 den Ausschnitt einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit, bei dem nur ein Biegeresonator
durch ein zusätzliches Koppelelement überbrückt ist.
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Wie bereits einleitend erwähnt, wird in den hier angegebenen
Ausführungsbeispielen
von einem Filtergrundkonzept ausgegangen, das bereits in der deutschen Patentschrift
15 41 975 im einzelnen beschrieben ist, weshalb in den Fig.1 und 3 nur mehr die
einzelnen Biegeresonatoren und ihre Verkopplung schematisch dargestellt sind. In
den Ausführungsbeispielen werden zur Umwandlung der elektrischen in mechanische
Energie bzw. umgekehrt zur Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie elektrostriktive
Wandlerelemente verwendet, die an den Endresonatoren befestigt sind und die zur
Energieumwandlung den sogenannten transversalen Piezoeffekt ausnutzen. Das in Fig.1
dargestellte Filter besteht aus den mit 1 bis 8 bezeichneten Biegeresonatoren, die
piezoelektrischen Wandlerelemente sind mit 1 und 8t bezeichnet. Da die Wandlerelemente
auf der den metallischen Resonatoren 1 bzw. 8 abgewandten Seite mit einer Metallisierung
versehen sind, läßt sich an diese Metallisierung die elektrische Signalenergie unmittelbar
zwischen den Klemmen 15 und 15' an das Filter heranführen bzw. zwischen den Klemmen
16 und 16' vom Filter abnehmen. Man kann dabei davon ausgehen, daß die mit 15' und
16' kenntlich gemachten Anschlußpunkte für das gesamte Filter elektrisches Bezugspotential
beispielsweise deshalb darstellen, weil diese Anschlußpunkte direkt einer metallischen
Grundplatte zugeordnet sind, auf der die einzelnen Resonatoren in ihren Knotenpunkten
12 über metallische Halteelemente befestigt sind. Fig.1 läßt auch die Schwingungsrichtung
der Biegeresonatoren durch den Pfeil 13 erkennen und es schwingen demzufolge die
parallelachsig angeordneten stabförmig ausgebildeten mechanischen Biegeresonatoren
in der Zeichenebene. Zur Kopplung der einzelnen, in einer Ebene liegenden Resonatoren
sind die Koppelelemente 9 bzw. 9 verwendet, die im Bereich der Resonatormitte an
den Resonatoren 1 bis 4 bzw. 5 bis 8 angreifen. Diese Koppelelemente müssen entsprechend
den Regeln der bekannten Filterentwurfstheorien so bemessen sein, daß das Filter
in seiner Gesamtheit die geforderte Bandbreite hat.
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Aus Fig.1 ist ferner zu erkennen, daß zwischen zwei benachbarten Resonatoren
- im Ausführungsbeispiel also zwischen den Resona-
toren 4 und 5
- im Unterschied zur Ausführungsform gemäß dem deutschen Bundespatent 15 41 975,
der Hauptkoppler unterbrochen ist und ersetzt ist durch zwei weitere Koppelelemente
10, die derart an den benachbarten Resonatoren 4 und 5 befestigt sind, daß jeweils
gegenphasig schwingende Abschnitte dieser Resonatoren miteinander verbunden werden.
Diese weiteren Koppelelemente können parallel zueinander verlaufen, oder sie können,
wie in Fig.1a dargestellt, gegeneinander so geneigt sein, daß sie symmetrisch zur
Filterlängsachse liegen. Zur Erzeugung von Dämpfungspolen ist ferner ein zusätzliches
Koppelelement vorgesehen, das in Fig.1 mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet und dort
an den Resonatoren 3 und 6 befestigt ist. Bei einer derartigen Anbringung werden
vom zusätzlichen Koppelelement 11 somit die beiden Resonatoren 4 und 5 überbrückt,
d.h. also diejenigen benachbarten Resonatoren, die durch die schräg liegenden Hauptkoppelelemente
verbunden sind.
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In Fig.2 ist. das zu Fig.1 gehörige elektrische Ersatzschaltbild dargestellt,
bei dem zur besseren Übersicht wirkungsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern
wie in Fig 1 bezeichnet sind. Die Resonatoren stellen sich demzufolge als Parallelresonanzkreise
1 bis 8 in den Querzweigen einer Abzweigschaltung dar, und da zur Ermittlung des
Ersatzschaltbildes die mechanischen und die elektrischen Größen mit Hilfe der sogenannten
Kraft-Strom-Analogie miteinander verglichen sind, lassen sich die Koppelelemente
und auch die statischen Kapazitäten der Wandlerelemente 1' und 8 als Indvitivitäten
in den Längszweigen der Abzweigschaltung darstellen. Aus Fig.2 ist ferner zu erkennen
ein im Zuge der Schaltung liegender Ubertrager mit dem Ubersetzungsverhältnis 1:-1,
durch den die weiteren Koppelelemente 10 berücksichtigt werden, die eine Phasenumkehr
zwischen einander benachbarten Resonatoren bewirken. Das der Polerzeugung dienende
zusätzliche Koppelelement ist im elektrischen Ersatzschaltbild durch die zwischen
den Resonanzkreisen 3 und 6 liegende Induktivität 11 berücksichtigt.
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In Fig.3 ist als weitere Ausgestaltungsmöglichkeit ein Ausschnitt
eines nach Fig.1 aufgebauten Filters gezeigt, was durch die gestrichelt verlängerten
Hauptkoppler 9 und 9' kenntlich gemacht werden soll. Auch in Fig.3 sind für wirkungsgleiche
Elemente wiederum die gleichen Bezugsziffern wie in Fig.1 verwendet, so daß also
die für den Gesamtaufbau wesentlichen Resonatoren 4 und 5 gezeichnet sind, die wiederum
durch zwei weitere Koppelelemente 10 miteinander gekoppelt sind. Selbstverständlich
ist auch beim Ausführungsbeispiel von Fig.3 darauf zu achten, daß weitere Koppelelemente
10 in. ihrer Eigenschaft als die Bandbreite bestimmende Koppelelemente an gegenphasig
schwingenden Punkten der Resonatoren 4 und 5 angreifen. Im Unterschied zu Fig.1
ist nun' im Ausführungsbeispiel von Fig.2 nur einer der benachbarten Resonatoren
4, 5, nämlich der Resonator 5, durch das zusätzliche Koppelelement 11 überbrückt,
was mit anderen Worten bedeutet, daß das der Polerzeugung dienende zusätzliche Koppelelement
11 an den Resonatoren 4 und 6 befestigt ist. Während sich in Fig.1 wegen der Überbrückung
mit zwei Resonatoren zwei Dämpfungspole im Filtersperrbereich erzielen lassen, von
denen einer unterhalb und der andere oberhalb des Filterdurchlaßbereiches liegt,
entsteht im Ausführungsbeispiel von Fig.2 wegen der Überbrückung von nur einem der
Resonatoren 4, 5 nur ein Dämpfungspol, der unterhalb des Filterdurchlaßbereiches
liegt.
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Im Gegensatz zur deutschen Patentschrift 15 41 975, bei der der Dämpfungspol
durch ein schräg geführtes zusätzliches Xoppelelement erzeugt wird, läßt sich bei
den Ausführungsbeispielen nach den Fig.1 bis 3 die zur Polerzeugung erforderliche
Phasenumkehr durch die schräg geführten Hauptkoppelelemente 10 bewirken, die somit,
da sie Ja unmittelbar benachbarte Resonatoren verbinden, verhältnismäßig kurz ausgebildet
werden können. Darüber hinaus haben die Koppelelemente 10 im allgemeinen auch einen
größeren Querschnitt, wodurch die Gefahr des Auftretens nicht gewünschter Nebenwellen
erheblich gemindert wird. Weiterhin -ergibt sich durch die hier dargestellten Ausführungsbeispiele
der
Vorteil, daß die mit den schräg verlaufenden Kopplern 10 verbundenen
Resonatoren 4 und 5 bereits vor der Montage des Filters als Baueinheit geprüft und
abgeglichen werden können.
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3 Patentansprüche 3 Figuren
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