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Elektromechanisches Filter mit parallelachsig angeordneten
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stabförmigen Resonatoren Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches
Filter mit mehreren paralloachsig angeordneten, stabförmig ausgebildeten mechanischen
Resonatoren, die nebeneinander in einer Ebene liegen und über wenigstens einen Eoppeldraht
miteinander gekoppelt sind, und bei dem am Eingang und am Ausgang elektrostriktive
Wandlerresonatoren zur Umwandlung elektrischer in mechanische bzw. zur Umwandlung
mechanischer in elektrische Energie vorgesehen sind und das weiterhin der Erzeugung
von Dämpfungspolen dienende zusätzliche Resonatoren 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. Erwähnenswert 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 auszuwählen0 Eine vorteilhafte Schwingungsform
für die Resonatoren ist die Biegeschwingung 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 auitreten.
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 beispielsweise 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
Ubertragungscharakteristik des Filters.
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Durch die Einführung von Dämpfungspolen läßt sich bekanntlich eine
Versteilerung der Dämpfungscharakteristik an j Jeweils gewünschten Frequenzpunkten
erzielen, wodurch in aller Regel die Möglichkeit 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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Zur Erzeugung von Aampfungspolen ist nun in einer älteren Anmeldung
(P 24 53 122.4) eine Filteranordnung beschrieben, bei -
der unmittelbar
an die sogenannten Antriebsschwinger, d.h.
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also diejenigen Resonatoren, die ein und ausgangsseitig gleichzeitig
mit den aus elektrostriktivem Material bestehenden Wandlerelementen versehen sind,
zusätzliche Resonatoren angekoppelt sind. Wie sich bei dieser Anordnung zeigt, ist
insbesondere zur Erzielung verhältnismäßig großer Filterbandbreiten, die beispielsweise
im Bereich der Trägerfrequenztechnik erforderlich sind, ein Kopplungsfaktor notwendig,
der größer ist als zur Realisierung der eigentlichen Filterbandbreite an sich erforderlich
wäre, was offenbar darauf beruht, daß der Antriebsresonator zugleich den Polresonator
zu mechanischen Schwingungen anregen muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines mechanischen
Filters anzugeben, bei dem unter Verwendung zusätzlicher Polresonatoren gleichzeitig
der Kopplungsfaktor der Ein-und Ausgangsresonatoren nicht vergrößert werden muß.
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Ausgehend von einem elektromechanischen Filter mit mehreren parallelachsig
angeordneten, stabförmig ausgebildeten mechanischen Resonatoren, die nebeneinander
in einer Ebene liegen und über wenigstens einen Koppeldraht miteinander gekoppelt
sind, und bei dem am Eingang und am Ausgang elektrostriStive Wandlerresonatoren
zur Umwandlung elektrischer in mechanische bzw. zur Umwandlung mechanischer in elektrische
Energie vorgesehen sind und das weiterhin der Erzeugung von Dämpfungspolen dienende
zusätzliche Resonatoren enthält, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die zusätzlichen Resonatoren nur mit solchen Resonatoren des Filters gekoppelt
sind, die nicht gleichzeitig der Energieumwandlung dienen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind noch in den Unteransprüchen
angegeben.
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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 aus Biegeresonatoren bestehendes
Ausführungsbeispiel mit einem zusätzlichen Resonator innerhalb und einem zusätzlichen
Resonator außerhalb des durch die Wandlerresonatoren begrenzten Filterabschnittes;
Fig.2 das zu Fig.1 gehörige wirkungsgleiche elektrische Ersatzschaltbild; Fig.3
ein Ersatzschaltbild, das durch äquivalente Zweipolumwandlung aus der Schaltung
von Fig.2 entsteht.
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In der einleitend angegebenen deutschen Patentschrift 15 41 975 und
auch in der älteren Anmeldung P 24 53 122.4 sind bereits Ausführungsformen mechanischer
Filter beschrieben, bei denen parallelachsig angeordnete Biegeresonatoren verwendet
sind.
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Auch in Fig.1 ist ein solches Grundkonzept schematisch dargestellt,
wobei das eigentliche Filter aus den Biegeresonatoren 1 bis 5 besteht. Die Biegeresonatoren
selbst sind in ihren Schwingungsknoten 11 über metallische Haltestifte auf einer
zur besseren uebersicht nicht mehr dargestellten Grundplatte gehaltert, die in Fig.1
durch die Klemmen 12' und 13' kenntlich gemacht ist, so daß also diese Klemmen gleichzeitig
auch elektrisches Bezugspotential für das gesamte Filter darstellen. Die Endresonatoren
1 und 5 sind mit elektrostriktiven Wandlerelementen 1' bzw. 5' versehen, an deren
metallischen Belegungen unmittelbar die Anschlußklemmen 12 bzw. 13 herangeführt
sind. Wenn also an den Eingangsklemmen 12, 12' elektrische Signalenergie anliegt,
wird diese vom Eingangswandler in mechanische Schwingungen umF gewandelt, entsprechend
den Selektionseigenschaften des Filters in Form mechanischer Schwingungen auf den
Ausgangsresonator übertragen und kann demzufolge an den Ausgangsklemmen 13, 13'
wieder als elektrische Signalenergie abgenommen werden. Wegen der bereits erläuterten
Halterung der Resonatoren 1 bis 5 führen diese entsprechend dem in Fig.1 angegebenen
Doppelpfeil 14 Biege-
schwingungen aus, die bei der gewählten Darstellungsweise
in der Zeichenebene liegen. Zur Kopplung der einzelnen Resonatoren 1 bis 5 ist ein
Längsschwingungen ausführendes Koppelelement 10 verwendet, das im Bereich des Biegeschwingungsmaximums
an den Resonatoren befestigt ist und das so bemessen sein muß, daß sich das geforderte
Durchlaßverhalten ergibt.
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Zur Erzeugung von Dämpfungspolen sind im Ausführungsbeispiel zwei
zusätzliche Resonatoren verwendet, und zwar die mit den Bezugsziffern 6 und 7 bezeichneten
Resonatoren. Diese zusätzli chen Resonatoren entsprechen in ihres-AuSbau und ihrer
Halterung völlig den eigentlichen Filterresonatoren-1 bis 5. Wesentlich ist nun,
daß die Resonatoren 6 und 7 mit solchen Resonatoren des Filters gekoppelt sind,
die nicht gleichzeitig die Energieumwandlung von elektrischer in mechanische bzw.
umgekehrt von mechanischer in elektrische Energie dienen. Aus diesem Grund ist der
Resonator 6 über das ebenfalls Längs schwingungen ausführende Koppelelement 8 mit
dem Resonator 2 verbunden, entsprechend ist der zusätzliche Resonator 7 über das
ebenfalls Längsschwingungen ausführende Koppelelement 9 mit dem Resonator 4 verbur,-den.
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Wie aus Fig.1 ebenfalls zu erkennen, lassen sich die polerzeugenden
zusätzlichen Resonatoren entweder außerhalb oder auch innerhalb des durch die Wandlerresonatoren
1 und 5 begrenzten Filterabschnittes anbringen. Wie aus Fig.1 -jedoch weiterhin
zu erkennen ist, hat die Anbringung des zusätzlichen Resonators 6 stets zur Folge,
daß das Koppelelement 8 eine größere Länge haben muß als das Koppelelement 9 das
stets über den Wandlerresonator 1 weggeführt sein muß. Die Anbringung des polerzeugenden
Resonators nach Art des Resonators 7 hat zudem den Vorteil, daß der Polresonator
7 erforderlichenfalls in Richtung zur Filtermitte angebracht werden kanne wodurch
ein weiterer Freiheitsgrad bei der Dimensionierung des Filters erzielt werden kann,
in Fig.2 ist das zu tig1 gehörige alektrisehe Ersatzschaltbild
dargestellt,
und es sind dort wirkungsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in
Fig.1 bezeichnet. Zur Erstellung des elektrischen Ersatzschaltbildes ist für den
Vergleich der elektrischen und der mechanischen Größen die sogenannte Kraft-Strom-Analogie
herangezogen, so daß die einzelnen Resonatoren als Parallelresonanzkreise in den
Querzweigen einer Abzweigschaltung erscheinen, während gleichzeitig die Koppelelemente
und auch die statischen Kapazitäten der elektrostriktiven Wandlerelemente als Induktivitäten
in Längszweigen dieser Schaltung auftreten. Um das Entstehen von Dämpfungspolen
noch zu verdeutlichen, wurde auf die Schaltung von Flg.2 eine bekannte Schaltungsumwandlung
angewandt, wodurch das in Fig.3 gezeichnete elektrische Ersatzschaltbild entsteht.
Aus Fig.3 ist nun unmittelbar zu erkennen, daß in dem mit 2, 6, 8 bzw. in den mit
4, 7, 9 bezeichneten Querzweig ein Serienresonanzkreis auftritt. Im gewählten Ausführungsbeispiel
tritt dabei ein Dämpfungspol (£ unterhalb und ein Dämpfungspol (f+c ) oberhalb des
Filterdurchlaßbereiches auf, Unabhängig davon ob die Polresonatoren 6 bzw. 7 innerhalb
oder außerhalb des durch die Wandlerresonatoren begrenzten Abschnittes liegen, läßt
sich eine solche Bemessung dieser Resonatoren in Verbindung mit ihren zugehörigen
Koppelelementen finden, daß je nach Anforderungen die Dämpfungspollage unter- oder
auch oberhalb des Durchlaßbereiches frei wählbar ist.
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4 Patentansprüche 3 Figuren
L e e r s e i t e