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Elektromechanisches Filter
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Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Filter mit eingangs-
und ausgangsseitig angeordneten und mit elektromechanischen Wandlern versehenen
mechanischen Resonatoren, deren Wandlerelektroden an elektrische Endkreise angeschlossen
sind.
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Elektromechanische Filter haben zur Lösung vieler Aufgaben der Filtertechnik
hunter anderem insofern eine große praktische Bedeutung erlangt, als sie bekanntlich
den aus konzentrierten Schaltelementen bestehenden Filtern sowohl hinsichtlich des
Raumverbrauchs als auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften, vor allem der
Güte ihrer Resonanzelemente zum Teil erheblich überlegen sind, Für den Einsatz in
miniaturisierten Schaltungen, in denen auch die Filter ein möglichst kleines Volumen
haben sollen, haben sich insbesondere elektromechanische Filter mit Biegeresonatoren
als Resonanzelemente und Längsschwingungen ausführenden Koppelelementen, wie sie
beispielsweise aus der deutschen Patentschrift-1 922 550 bekannt sind, gut bewährt.
Bei solchen mechanischen Filtern werden die Eingangs- und Ausgangskreise als elektrische,
d.h. als LC-Schwingkreise aufgebaut. Als Schwingkreiskapazitäten werden dabei im
allgemeinen die durch elektrostriktive Wandler gebildeten statischen Wandlerkapazitäten
der im Filter enthaltenen Verbundresonatoren verwendet, während die Schwingkreisinduktivitäten
durch zugeschaltete Spulen dargestellt sind.
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Durch die Endkreise sollen u.a. snsbesondere für Filter mittlerer
und großer Bandbreite störend in Erscheinung tretende Neben- und Oberschwingungen
des mechanischen Filtersystems unterdrückt werden. Gleichzeitig soll durch diese
Endkreise jedoch auch ein insbesondere für die Refilisierung breitbandiger Filter
mit geringer Grunddämpfung erforderlicher ausreichend kleiner Wert des elektromechanischen
Kopplungsfaktors K erzielt werden.
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Außer einem kleinen elektromechanischen Kopplungsfaktor K lerd bei
einer Vielzahl von Filteranwendungen eine besonders hohe Temperaturkonstanz der
Filterkurve gefordert. Da jedoch die statischen Wandlerkapazitäten von gebräuchlichen
piezoelektrischen Wandlern im allgemeinen mit einem relativ großen Temperatura koeffizienten
behaftet sind, ergibt sich für nicht durch-beson dere Maßnahmen temperaturkompensierte
elektrische Endkreise ein unerwünscht großer Frequenz-Temperaturkoeffizient.
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Da Spulen mit ausreichend großem, zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten
der Wandlerkapazität, geeigneten Temperaturkoeffizienten nicht verfügbar si.nd,
besteht eine naheliegende und bekannte Lösung des vorstehend erläuterten Problems
darin, der Endkreisspule L1 einen Kondensator Cz parallel zuzuschalten, welcher
einen dem Temperaturkoeffizienten der Wandlerkapazität Co gegenläufigen Temperaturkoeffizienten
hat. Eine solche Schaltung ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt, in der weiterhin
das eigentliche electromechanische Filter mit dem Bezugszeichen F versehen und der
elektrische Eingangskreis durch die Serienschaltung aus einem Generator Q und einem
Äbschlußwiderstand R abgeschlossen ist.
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Nachteilig ist jedoch eine durch diese Methode der Temperaturkompensation
bedingte erhebliche Verkleinerung des wirksamen elektromechanischen Kopplungsfaktors
K, wie aus der folgenden Gleichung K'² = K² # Co = K² # Co Co+Cz C'
ohne
weiteres zu erkennen ist. Durch diese Reduzierung des Wertes für den elektromechaiiiscllen
Koppliingsfaktor K wird wiederum die Breit11lndigkeit verringert oder es ist für
eine bestimmte Filterbandbreite ein höherer Ausgt9ngswert von K nötig, was wiederum
die Grunddämpfung zusätzlich erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend erwähnten
Schwieriglteiten abzuhelfen und für ein elektromechanisches Filter eine Lösung anzugeben,
durch die für die elektrischen Endkreise des Filters eine hohe Konstanz des Frequenz-Temperaturkoeffizienten
erreicht und dabei eine Verringerung des elektromechanischen Kopplungsfaktors gleichzeitig
vermieden wird.
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Ausgehend von einem elektromechanischen Filter mit eingangs-und ausgangsseitig
angeordneten und mit elektromechanischen Wandlern versehenen mechanischen Resonatoren,
deren Wandlerelektroden an elektrische Endkreise angeschlossen sind,wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Endkreiskapazität jeweils die statische
Wandlerkapazität eines der elektromechanischen Wandler vorgesehen ist, daß als Endkreisinduktivität
jeweils eine durch ene Kapazität abgeschlossene Gyratorschaltung vorgesehen ist,
und daß die Temperaturkoeflizienten der Kapazität und/oder des Gyrationsfaktors
G der Gyratorschaltung so gewählt sind, daß die Eniireisinduktivität einen den Temperaturkoeffizienten
der statischen Wandlerkapazität entgegengesetzt gleichen Temperaturkoeffizienten
aufweist.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich dadurch,
daß die Gyratoren in die Integration der angrenzenden Funktionseinheiten einbezogen
werden können.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die
Gyratorschaltung als parallel zu den Wandleranschlüssen liegende Zweipolsehaltung
ausgebildet ist und damit parallel zum Filtereingang liegt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgesta'ltlulg der Erfindung besteht darin,
daß die Gyratorschaltung als eine in Kettenschaltung zum Filter in die elektrischen
Endkreise einbezogene Vierpolschaltung ausgebildet ist. In diesem Falle ist es zweckmäßig,
den Abschlußwiderstand R des elektrischen Endkreises parallel zu den filterseitigen
Gyratoranschlüssen zu schalten und die Kapazität C zur Potentialtrennung in Serie
zu einem der dem Filter abgewandten Gyratoranschlüsse zu schalten.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten
Figuren noch näher erläutert.
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In der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 eine bereits erläuterte Schaltung,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltung, bei der die Gyratorschaltung als Zweipol
parallel zum Filtereingang liegt, Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße Schaltung,
bei der die Gyratorschaltung als Vierpol in Kettenschaltung zum Filter liegt, Fig.
4 eine Ausbildungsmöglichkeit der Gyratorschaltung mit spannungsgesteuerten Stromquellen
(Y-Gyrator).
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Die in der Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Schaltung, bei der
funktionsgleiche Schaltelemente übereinstimmend mit der Fig. 1 bezeichnet sind,
enthält eine als Zweipol ausgebildete, mit einer Kapazität C abgeschlossene und
mit ihren Eingangsklemmen parallel zum Eingang eines elektromechanischen Filters
F liegende Gyratorschaltung GS, durch die die Endkreisspule L1 der Fig. 1 ersetzt
ist. Es liegt damit parallel zur s-tatischen Wandlerkapazität CO des Eingangswandlers
eine als Induktivität L
wirkende Schaltung, deren Xnduk-tivit-tswert
1 der Beziehung l=G2 c geliügt, wobei G der Gyrationsfaktor der Gyratorschaltung
GS und c der Kapazitätswert der Kapazität C bedeuten. Da sowohl der Gyrationsfaktor
G als auch die Kapazität C hinsichtlich ihres Temperaturkoeffizienten beeinflußbar
bzw, vorwählbar sind, ist es nun möglich, gemäß der Erfindung dem Induktivitätswert
1 einen der Wandierkapazität entgegengesetzt gleichen Temperaturkoeffizienten zu
geben, so daß der Temperaturkoeffizient des gesamten spulenlosen Endkreises einen
vernachlässigbar kleinen Wert annimmt.
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Gemäß der Erfindung kann nun die Kompensation entweder durch einen
Kondensator C mit entsprechend gewähltem Temperaturkoeffizienten und eine zusätzliche
entsprechende Beeinflussung des Gyrationsfaktors G der Gyratorschaltung GS erreicht
werden oder durch lediglich eine dieser beiden Maßnahmen.
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Die hier aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich anhand eines elektrischen
Filtereingangskreises erläuterte erfindungsgemäße Temperaturkompensation läßt sich
in gleicher Weise auch an einem elektrischen Filterausgangskreis vornehmen.
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Während in der Fig. 2 der Gyrator als Zweipol parallel zum Fil--tereiI
aAlg liegt, zeigt die Fig. 3 eine weitere erfidungsgemäße Schaltung, bei der die
Gyratorschaltung GS als Vierpol in Kettenschaltung zum Filter liegt.
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Der Abschlußwiderstand R liegt hicr zweckmäßigerweise parallel zum
filterseitigen Gyratorausgang, während der Kondensator C zur Potentialtrennung dem
dem Filter abgewandten Gyratoreingang in Serie zu dem Generator Q vorgeschaltet
ist. Auch bei dieser Schaltung kann die Temperaturkompensation sowohl alleine durch
den
Kondensator C oder die Gyratorschaltung GS als auch durch Kondensator und Gyratorschaltung
gern eins am vorgenommen werden.
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In der Fig. 4 ist zur Erläuterung der Erfindung ein Schaltbild eines
erfindungsgemäß aufgebauten Parallelschwingkrei.ses mit einer aus einem kapazitiv
abgeschlossenen Gyrator gebildeten Inddcti-rität angegeben.
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Das Schaltbild enthält die weiterhin zueinander parallelgeschalteten
und einseitig geerdeten Schaltelemente Cp und Rp, und anstelle der zu ersetzenden
Spule eine beispielsweise durch spannungsgesteuerte Stromquellen realisierte Gyratorschaltung
GS, die durch eine Kapazität C abgeschlossen ist.
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Es entspricht bei diesem Schaltbild also die Gyratorschaltung GS mit
der Kapazität C einer parallel zum Kondensator Cp geschalteten Spule, deren Temperaturkoeffizient
sich nunmehr durch die geeignete Wahl der Temperaturkoeffizienten des Gyrationsfaktors
G der Gyratorschaltung und der Kapazität C derart beeinflussen läßt, daß der Temperaturkoeffizient
des Kondensators Cp ausreichend genau kompensiert wird.
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Ersetzt man diesen Kondensator Cp durch die Kapazität CO des elektromechanischen
Wandlers, so ergibt sich nunmehr das Schaltbild der erfindungsgemäßen Temperaturkompensation
eines Endkreises durch eine Gyratorschaltung.
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Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Realisierungsbeispiel handelt
es sich um einen Y-Gyrator mit spannungsgesteuerten Stromquellen. Für den Gyrationsfaktor
G gilt in diesem Fall die folgende Beziehung
wenn Y12 und Y21 Ubertragungsadmittanzen Ser spannungsgesteuerten Stromquellen sind.
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Es sind jedoch auch andere Tyren von Gyratorschaltungen, beispielsweise
Z-Gyratoren mit stromgesteuerten Spannungsquellen geeignet für die erfindungsgemäße
Kompensation der elektrischen Endkreise von mechanischen Filtern.
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5 Patentansprüche 4 Figuren