DE2634115A1

DE2634115A1 - Mechanisches frequenz-bandpass- filter

Info

Publication number: DE2634115A1
Application number: DE19762634115
Authority: DE
Inventors: Herbert Ernyei
Original assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Current assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Priority date: 1975-07-31
Filing date: 1976-07-29
Publication date: 1977-02-03
Also published as: FR2320004B1; US4060774A; FR2320004A1

Description

IIGNES lELEGRAPHIQÜES 28. Juli 1976

ET TELEPHONIQÜES

89, rue de la Faisanderie

75016 PARIS / Frankreioh

Unser Zeichen; L· 991

Mechanisches Frequenz-Bandpaß-Filter

Die Erfindung betrifft mechanische HF-Bandpaß-Filter, die eine gewisse Anzahl von Resonatoren aufweisen, welche aus Metallstäben (beispielsweise aus rostfreiem Stahl) gebildet sind, die im Kompressions- und Dehnungsbetrieb longitudinal schwingen und untereinander durch Stangen gekoppelt sind, welche Elemente einer mechanischen Schallübertragungsleitung darstellen und im Biegebetrieb arbeiten. Solche Filter werden in Trägerstrom-Fernsprechübertragungsschaltungen benutzt, wobei die Mittenfrequenz ihres Durchlaßbandes beispielsweise 128 kHz und die Breite dieses Bandes 4 kHz beträgt.

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In bekannter Weise haben die Resonatoistäbe eine zylindrische Form und ihre Achsen sind parallel und liegen in ein und derselben Ebene.Sie sind miteinander durch geradlinige Stangen gekoppelt, die sich im wesentlichen in derselben Ebene befinden und mit wenigstens einer der ebenen Endflächen der Resonatoren verbunden sind, welche in einer zu den Achsen senkrechten Ebene liegen. Die Längen zwischen den Stäben dieser Kopplungsstangen (im folgenden kurz als"Koppler" bezeichnet), die im Biegebetrieb arbeiten, liegen in einem Verhältnis, das mit der Ausbreitungswellenlänge in den Stangen für die Mittenfrequenz des gewünschten Bandes passend berechnet worden ist.

Es sind bereits, beispielsweise aus der FR-PS 1 191 701, Filter der oben genannten Art bekannt, die aus für ihre Grundfrequenz auf die Mittenfrequenz des gewünschten Durchlaßbandes abgestimmten gleichen Resonatoren bestehen und deren benachbarte Resonatoren durch Koppler in Form von Stangen miteinander verbunden sind, die an dem einen und dem anderen Ende der Resonatoren befestigt sind, zu deren Achsen diese Koppler im Ruhezustand im wesentlichen senkrecht sind. Eine solche Anordnung erfordert, daß die Resonatoren genau dieselbe Länge haben, denn die Koppler sollen im Ruhezustand zwei gerade Linien bilden, die zu den Achsen der Resonatoren senkrecht sind.

Solche Filter weisen folgende Nachteile auf:

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a) die Resonatoren sollen genau gleiche axiale Längen haben, was es verbietet, die bewußten Längen einzustellen, um Unregelmäßigkeiten in den Konstanten (Elastizität und Dichte) des Metalls zu berücksichtigen;

b) auf jeden Fall können die Resonatoren keine unterschiedlichen Längen haben, da die mit ihren beiden Enden verbundenen Koppler parallel sein sollen, was es verbietet, andere Filter als solche herzustellen, bei welchen alle Resonatoren identisch sind (oder wenigstens dieselbe Länge haben). Es ist aber bekannt, daß solche Filter, die manchmal als"parametrische Filter" bezeichnet werden, nur dann in Abhängigkeit von der Frequenz ein genau festgelegtes Bandpaß-Filterverhalten haben, wenn sie an ihren Enden durch Kettenimpedanzen abgeschlossen sind, die mit Rücksicht auf den Abschluß an ihrem Eingang wie an ihrem. Ausgang physikalisch nicht realisierbar sind. In der Praxis möchte man aber Filter herstellen, die an ohmsche Widerstände anschließbar sind und dann in dem Durchlaßband ein vorbestimmtes Verhalten haben, beispielsweise ein Tschebyscheff- oder ein Butterworth-Verhalten, was Resonatoren, die nicht alle identisch sind, und entsprechende Kopplungen verlangt.

Gemäß der Erfindung werden die oben genannten Nachteile dank folgender Maßnahmen vermieden:

1) Die benachbarten Resonatoren sind untereinander nur an einem ihrer Enden gekoppelt, was gestattet, ihnen unterschiedliche axiale Längen und infolgedessen unterschiedliche Resonanzfrequenzen zu geben.

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2) Die unterschiedlichen Resonatoren können unterschiedliche Querschnitte haben, die man beispielsweise erzielt, indem man von ein und demselben kreiszylindrischen Querschnitt ausgeht, auf welchem parallel zu der Längsachse Abflachungen gebildet werden, die den Querschnitt jedes von ihnen beträchtlich verringern.

3) Die im Biegebetrieb arbeitenden Koppler haben gleiche Quei— schnitte und gleiche Längen, beispielsweise eine Viertelwellenlänge, oder ein und denselben Bruchteil der Wellenlänge, der kleiner als eine Viertel wellenlänge ist.

4) Die aufeinanderfolgenden Koppler werden mittels ein und derselben zylindrischen Stange hergestellt, die durch Punktschweißen mit den Resonatoren verbunden wird.

In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegen sämtliche Koppler zwischen den Resonatoren in ihrer gegenseitigen Verlängerung.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Koppler auf zwei oder mehr als zwei Gruppen verteilt, in denen sie jeweils in ihrer gegenseitigen Verlängerung Hegen, wobei jede dieser Gruppen mit den koplanaren Enden einer Gruppe benachbarter Resonatoren verbunden ist und wobei wenigstens eine der Gruppen von Kopplern mit den zu den vorgenannten Enden entgegengesetzten Enden einer anderen Gruppe von benachbarten Resonatoren verbunden ist.

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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in Projektion auf eine Ebene parallel zu

den Längsachen der Resonatoren den Zusammenbau der benachbarten Resonatoren und ihrer Koppler,

Fig. 2 den Querschnitt der Einrichtung von

"Fig. 1" in einer zu den Achsen senkrechten Ebene sowie die Projektion der Koppler auf diese Ebene,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform der

Einrichtung von Fig. 1, und

Fig. 4 eine bevorzugte Art der individuellen

Befestigung der Resonatoren in einer der vorhergehenden Figuren.

Fig. 1 zeigt ein aus drei Resonatoren 1,2 und 3 gebildetes Filter, bei welchem gleiche Querschnitte für die Resonatoren 1 und 3 und ein geringerer Querschnitt für den Resonator 2 angenommen worden ist. Der Resonator 1 ist mit der elektrischen Eingangsklemme E über einen schematisch dargestellten

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elektromechanischen Wandler TE verbunden, während der Resonator S mit der elektrischen Ausgangsklemme S über einen schematisch dargestellten mechanisch-elektrischen Wandler TS verbunden ist. Die axialen Längen (d.h. die vertikalen Längen in Fig. 2) der Resonatoren 1,2 und 3 können unterschiedlich sein, denn allein koplanar sind ihre unteren Enden, die untereinander durch die Kopplungsstange 4 verbunden sind, deren beide aufeinanderfolgende Teile 5 und 6 mit den Resonatoren 1,2 und 3 durch Schweißpunkte verbunden sind.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt der .Einrichtung von Fig. 1 in der Ebene AA senkrecht zu den Achsen der Resonatoren. Die Querschnitte 11 und 13 der Resonatoren 1 und 3 sind gleich und kreisförmig, während der Querschnitt 12 des Resonators 2 kleiner ist, wobei die Verkleinerung des Querschnittes durch Abflachungen 15 und 16 erzielt wird, die auf den Seiten eines zylindrischen Stabes gebildet" werden, der ursprünglich den Resonatoren 1 und 3 gleicht. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt, denn die Querschnitte 11, 12 und 13 können jede andere Form haben.

Fig. 2 zeigt außerdem an den Stellen 17 und 18 die Projektionen der Koppler 5 und 6 von Fig. 1 auf die Ebene von Fig. 2, wobei angenommen worden ist,daß die Koppler vorzugsweise im wesentlichen in einer Symmetrieebene der unteren Endquerschnitte der Resonatoren 1,2 und 3 angeordnet sind. In Fig.

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haben die Koppler 5 und 6 zwischen den Schweißpunkten, die sie einerseits mit den Resonatoren 1 und 2 und anderei— seits mit den Resonatoren 2 und 3 verbinden, gleiche Längen, die für die Mittenfrequenz des Durchlaßbandes des Filters und für die Aüsbreitungsgeschwindigkeit in der diese Koppler bildenden Stange gleich einer ViertelweUenlange sind.

Diese Dimensionierung stellt im übrigen keine Einschränkung dar und die Längen der Koppler können gleich ein und demselben Bruchteil einer solchen Viertelwellenlänge bei Filtern sein, deren andere Elemente entsprechend berechnet werden, wie bereits dargelegt.

Fig. S zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, die fünf Resonatoren 21 bis 25 aufweist, von denen die drei ersten, d.h. die Resonatoren 21 bis 23 untereinander durch Koppler 31 und 32 gekoppelt sind, die mit den benachbarten Enden der Resonatoren 21 , 22 und 23 verbunden sind, während die Resonatoren 23, 24 und 25 untereinander durch Koppler 33 und 34 gekoppelt sind, die mit den entgegengesetzten (aber einander benachbarten) Enden derselben Resonatoren verbunden sind. Die Resonatoren 21 und 25 stellen hier die Wandler TE und TS von Fig. 1 dar. Die Anordnung von Fig. 3 kann unter dem Gesichtspunkt des Platzbedarfes oder der Art der Befestigung des gesamten Filters Vorteile aufweisen. Ein weiterer Vorteil ist die mögliche Differenz in den Durchmessern der Kopplungsstangen zwischen den Gruppen 21-23 und 24-25.

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Fig. 4 zeigt eine besonders vorteilhafte Art der Befestigung der Resonatoren, beispielsweise des Resonators 21, auf einer Grundplatte 40. Der Resonator 21 ist an einem der Enden von jeder von zwei Stangen 41 und 42 angelötet oder angeschweißt, die zu seiner Längsachse L senkrecht sind. Diese Stangen sind außerdem an ihren anderen Enden mit der Grundplatte 40 verschweißt (oder in anderer Weise verbunden), so daß die Längen der Stangen 41 und 42 im wesentlichen gleich einer Viertelwellenlänge der ersten Biegeschwingungsmode bei der Mittenfrequenz des Durchlaßbandes des Filters und für die Längsausbreitungsgeschwindigkeit in den Stangen sind; alles das spielt sich so ab, wie wenn der Resonator 21 unter statischen Gesichtspunkten im Raum fest, aber unter Schwingungsgesichtspunkten vollkommen frei wäre.

Die Herstellung eines Filters nach der Erfindung verlangt, daß man für jeden der Resonatoren und der Koppler die mechanischen Kenngrößen dieser Elemente in Abhängigkeit von der gewählten Mittenfrequenz und von der gewählten Bandbreite sowie dem gewünschten Verlauf für die Frequenzdämpfungskurve des Filters in seinem Durchlaßband und in der Nähe der unteren und der oberen Grenze desselben berechnen kann.

Ausgehend von den bekannten Schaltbildern äquivalenter elektrischer Filter kann man die Parameter der entsprechenden mechanischen Filter berechnen, und zwar nach den Regeln, die beispielsweise in dem Aufsatz von R.A. Johnson und A.E. Guenther angegeben

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sind, der in der amerikanischen Zeitschrift "I.E.E.E. Transactions on Sonics and Ultrasonics", Band S.U.-21, Nr. 4, Oktober 1974, S. 244 bis 256, veröffentlicht worden sind. Aus den Werten dieser Parameter wird man die Eigenfrequenzen der Resonatoren und ihre Masse pro Axiallängeneinheit und somit ihre mechanische Dimensionierung für eine Herstellung aus einem bestimmten Metall mit bekannter Dichte und mit bekanntem Elastizitätsmodul, wie beispielsweise der unter dem Handelsnamen El invar bekannten Legierung, herleiten können.Die Parameter der mechanischen Koppler, d.h. die Länge und der Durchmesser der Kopplungsstangen lassen sich ebenso aus den Werten der Elemente der elektrischen Ersatzschal tungen herleiten. '

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Claims

Patentansprüche:

\ 1 J Mechanisches Frequenz-Bandpaß-Filter, mit einer gewissen Anzahl von Resonatoren, die aus zylindrischen Metallstäben gebildet sind, welche im Kompressions- und Dehnungsbetrieb longitudinal schwingen und untereinander durch Koppler gekoppelt sind, die aus Stangen gebildet sind, welche zu der Schwingungsrichtung der Stäbe im wesentlichen senkrecht sind und im Biegebetrieb arbeiten, wobei die Stangen gleiche Querschnitte und gleiche Längen haben und wobei die Stäbe einander benachbart mit ihren Schwingungsrichtungen parallel zu ein und derselben Axialrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe mit gleichen oder unterschiedlichen Längen Gruppen bilden, in denen jeweils die einzelnen Stäbe mit einer ihrer Endflächen in einer Ebene liegen, die allen Endflächen gemeinsam und senkrecht zu der axialen Richtung ist, und daß jeder der Koppler die Endflächen miteinander verbindet, die in der gemeinsamen Ebene liegen und zu zwei benachbarten Resonantoren ein und derselben Gruppe gehören.
2. Filter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Endflächen aller Stäbe der Gruppen in der gemeinsamen Ebene liegen.
3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe wenigstens zwei Gruppen bilden, in denen jeweils eine

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der Endflächen der Einzelstäbe in einer gemeinsamen Ebene Hegt.
4. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppler ein und dieselbe Länge haben, die für die Mittenfrequenz des Durchlaßbandes des Filters und für sich längs der Koppler ausbreitende Wellen höchstens gleich einer Viertelwellenlänge ist.
5. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Stäbe durch Stangen an einer Grundplatte befestigt ist, wobei die Stangen zu dieser Platte im wesentlichen senkrecht sind und eine Länge haben, die für die Mittenfrequenz und das Durchlaßband des Filters im Biegebetrieb im wesentlichen gleich einer Viertelwellenlänge ist.
6. Filter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Gruppenende aus einem elektromechanischen oder einem mechanisch-elektrischen Energiewandlerstab bestehen kann.
7. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine beliebige Frequenzdämpfungskurve durch Wahl verschiedener Querschnitte für die aufeinanderfolgenden Stäbe erzielbar ist.

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