DE2651731A1 - Elektromechanisches frequenzfilter - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. 2 D b I /J I

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

LIGFES TEIEGEAPHIQUES 10. November 1376

et TELEPHOITIQUES

89, rue de la Faisanderie

70016 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: L 1001

Elektroraechanisches Frequenzfilter

Die" Erfindung "bezieht sich auf ein elektromechanisch^s Frequenzfilter, das für die !Trennung einer Trägerschwingung konstanter Frequenz von Signalen mit benachbarten Frequenzen und infolge einer Modulation veränderlicher Amplitude, mit denen die Trägerschwingung gemischt sein kann, verwendbar ist.

Ein derartiges Filter kann beispielsweise bei einem Trägerstrom-Fernsprechsystem verwendet werden. Die Frequenz der abzutrennenden Schwingung kann beispielsweise in der Hahe von 128 kHz liegen, und die Bandbreite liegt in der Größenordnung von 50 bis 100 Hz. Diese Frequenz wird nachfolgend "Nutzfrequenz" genannt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Filters, .das nicht nur die Ausfilterung der Futzfrequenz ermöglicht, sondern auch gewährleistet, daß alle Frequenzen in

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der Nähe des Durchlaßbandes, das diese Nutzfrequenz als Mittenfrequenz hat, eine "beträchtliche Dämpfung aufweisen, selbst wenn diese Frequenzen'verhältnismäßig weit von der ITutzfrequenz entfernt sind. Mit der Erfindung soll also ein Filter geschaffen werden, das nur ein einziges Durchlaßband hat.

Die Erfindung geht aus von bekannten Filtern, die folgende Bestandteile aufweisen:

- Eine Gruppe von mehreren Resonatoren, die aufeinanderfolgend angeordnet sind und jeweils durch einen zylindrischen Metallstab gebildet sind, der Kompressions-Dehnungs-Schwingungen in seiner Längsrichtung ausführt und so bemessen ist* daß er die Nutzfrequenz als Grundresonanzfrequenz hat, wobei die Längsachsen der Stäbe zueinander parallel sind und im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen;

- einen elektromechanischen Eingangswandler, der einen äußeren elektrischen Kreis mit einem der Resonatoren der Gruppe, der nachstehend zur Vereinfachung "erster Resonator" genannt wird, koppelt;

- einen mechanoelektrisehen Ausgangswandler, der einen weiteren äußeren elektrischen Kreis mit einem anderen Resonator koppelt, der nachstehend "letzter Resonator" genannt wird;

- im wesentlichen geradlinige und senkrecht zu den Achsen der Resonatoren liegende Kopplungsstäbe, die mit den Resonatoren an Punkten verbunden sind, die im wesentlichen in der Mitte von deren Längserstreckung liegen, wobei diese Kopplungsstäbe Kompressions-Dehnungs-Schwingungen in ihrer eigenen Längsrichtung ausführen.

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In an sich, "bekannter Weise können die Wandler durch. Plättchen aus piezoelektrischen] Keramikmaterial gebildet sein, beispielsweise aus Zirkoniutn-Blei-Iitanat (PZT), die beim Anlegen eines veränderlichen elektrischen Feldes senkrecht zu ihrer Dickenrichtung parallel zu den Ebenen ihrer Hauptflächen schwingen und die im umgekehrten Fall, wenn sie unter der Einwirkung einer mechanischen Kraft solche Schwingungen ausführen, an ihren entgegengesetzten Flächen ein elektrisches Feld senkrecht zu diesen Flächen erzeugen.

Obgleich dem ersten Anschein nach eine Anordnung der soeben definierten Art ein Filter mit einem einzigen schmalen Durchlaßband darstellt, das die den verschiedenen Resonatoren gemeinsame Longitudinal-Resonanzfrequenz als Mittenfrequenz hat, weist eine solche Anordnung in der Praxis verschiedene weitere Übertragungsfrequenzbänder zwischen dem Eingangswandler und dem Ausgangswandler auf; diese parasitären Bänder entsprechen anderen Schwingungsformen der Resonatoren als der zuvor definierten Grundsehwingungsform. Derartige parasitäre Bänder sind mit der Art der Kopplung der Wandler mit den Stäben verknüpft und stehen insbesondere im Zusammenhang mit Biegeschwingungen der Resonatoren, die in der Praxis mit den üblichen Kopplungsmaßnahraen zwischen Resonatoren und Wandlern nicht vermieden werden können.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die infragestehenden parasitären Bänder mittels neuartiger Maßnahmen zur Kopplung zwischen den äußersten Resonatoren und den Wandlern unterdrückt oder wenigstens stark gedämpft werden können.

Fach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß jeder Wandler in zwei gleichen Hälften ausgebildet ist, die mit dem gleichen Resonanz-Metallstab über zwei Abflachungen gekoppelt sind, die zueinander parallel sind und symmetrisch in Bezug auf die Achse des Wandlers liegen.

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Eine Ausführungsform der Erfindung "besteht darin, daß die Atflachungen an den "beiden äußersten Resonanz-Metallstäben zu der die xichsen der Resonanz-Metallstäbe enthaltenden Ebene parallel sind.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Abflachungen, die an einem der beiden äußersten Resonanz-Metallstäbe angebracht sind, senkrecht zu den Abflachungen am anderen äußersten Resonanz-Metallstab sind

Weitere Merkmale und Torteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Anordnung der Resonatoren und der Wandler bei einem elektromechanischen. Prequenzfilter,

Fig. 2 die Anordnung der Resonatoren und der Wandler bei einer Ausführungsform der Erfindung,

Pig. 3 eine besonders vorteilhafte Art der Verbindung zwischen den Resonatoren und den zugehörigen Kopplungsstäben und

Pig. 4 ein Diagramm von Dämpfungs-Frequenz-Kennlinien für die verschiedenen betrachteten Arten von Filtern.

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Pig. 1 zeigt einen Schnitt durch, ein Filter mit drei zylindrischen Resonatorstäben 101, 102, 105, die miteinander durch zylindrische Kopplungsstäbe 111 und 112 gekoppelt sind, wobei der Schnitt in einer senkrecht zu den Achsen der Resonatoren liegenden Ebene im wesentlichen in der Mitte ihrer Längsausdehung liegt.

Die nutzbare Schwingungsform der Resonatoren 101, 102, ist die longitudinale Kompressions-Dehnimgs-Schwingung in der Längsrichtung der Resonatoren, während die Kopplungsstäbe 111, 112 gleichfalls longitudinal schwingen, wie später erläutert wird.

An den Außenflächen der äußersten Resonatoren 101 und sind Abflachungen gebildet, die parallel zu den Längsachsen der Resonatoren liegen, und es sei zunächst angenommen, daß diese Abflachungen beliebig in Bezug auf die Kopplungsstäbe 111, 112 orientiert sind. Die Abflachungen dienen dazu, das Filter mit den Eingangs- und Ausgangswandlern zu koppeln. Die Wandler enthalten jeweils eine Platte aus piezoelektrischem Keramikmaterial 131 bzw. 132, an der eine Elektrode 121 bzw. 122 angebracht ist. Die Elektroden 121, 122 sind mit den isolierten Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen TE, TS des Filters verbunden, während die metallische Masse der Resonatoren mit einem auf konstantem Potential liegenden Punkt M verbunden ist, der "Massepunkt" genannt werden soll. Die elektrische Spannung des Eingangssignals des Filters wird zwischen den Punkten TE und M angelegt, während die Spannung des Ausgangssignals zwischen den Punkten TS und M abgenommen wird. Die Rollen der Eingangs- und Ausgangswandler können natürlich vertauscht werden.

Wenn eine elektrische Wechselsignalspannung an die Klemme TE angelegt wird, gerät bekanntlich die Platte 131 in Kompressions-Dehnungs-Schwingungen, deren Richtung parallel

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zu der Längsachse des Resonators 101 liegt (die senkrecht zur Zeichenebene verläuft), der gleichzeitig infolge des Poisson'sehen Effektes in eine Radialschwingung gerät. Diese Schwingungsforra, welche die Nutζschwingung darstellt, ist jedoch nicht die allein mögliche. Die Verlängerung in der betreffenden Richtung entsteht nämlich nicht entlang der Achse des Stabes, sondern entlang einer Mantellinie, wodurch eine Störbiegeschwingung in einer Ebene erzeugt wird, welche die Längsachse des Resonators 101 enthält. Diese Schwingung wird über den Kopplungsstab 111 auf den Resonator 102 und von da über den Kopplungsstab 112 auf den Resonator 103 übertragen, von welchem sie über den Ausgangswandler zur Klemme TS gelangt. Die Minimaidätnpfung des an der Klemme TS erscheinenden Störsignals ist natürlich im allgemeinen nicht kleiner als die 'gewünschte Minimaldämpfung des Filters. Es erscheinen somit in der Dämpfungs-Frequenz-Kennlinie des Filters ein oder mehrere parasitäre Durchlaßbänder, und die Erfahrung zeigt, daß ein in einem solchen parasitären Band übertragenes Signal bei beliebiger Orientierung der Abflachungen in Bezug auf die Kopplungsstäbe einen Pegel haben kann, der bei gleicher Eingangsspannung an der Klemme TE gleich dem Pegel des Nutζsignals oder sogar um einige Dezibel größer sein kann (Kurve A von Fig. 4)₅ zeigt als Beispiel die Kennlinie eines Filters, das wie das Filter von Fig. 1 jeweils einen Wandler an jedem der beiden äußersten Resonatoren hat,' wobei aber die beiden Wandler zueinander parallel und nach Art des Wandlers 131 von Fig. 1 angeordnet sind.

Mit der nachstehend beschriebenen Ausbildung des Filters wird das betreffende Störsignal beseitigt, ohne daß zugleich das Nutzsignal gedämpft wird. Dies geschieht durch eine geeignete Kopplung zwischen den Wandlern und den äußersten Resonatoren.

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In Pig. 1 sind die Wandler 131 und 132, die mit den an den Resonatoren 101 und 103 angebrachten AtifIachangen gekoppelt sind, so orientiert, daß die Ebene des ersten Wandlers 131 im wesentlichen senkrecht zur gemeinsamen Richtung der Eopp-•lungsstäbe 111, 112 liegt, während die Ebene des zweiten Wandlers 132 parallel zu dieser Richtung liegt. Dies hat zur Folge, daß die beispielsweise vom Wandler 131 im Resonator 101 erregten Biegeschwingungen parallel zu einer Ebene liegen, die parallel zu der gemeinsamen Richtung der Kopplungsstäbe 111, 112 orientiert ist, und daß sie die gleiche Richtung im Resonator 103 beibehalten. Da sie in diesem Resonator dann senkrecht zu der den Wandler 132 tragenden Abflachung liegen, wird keine Biegesehwingung infolge der möglichen Biegeschwingungen des Stabes 101 auf diesen Wandler übertragen, oder zumindest wird eine derartige Biegesehwingung nur mit einer sehr verringerten Amplitude übertragen. Die Kennlinie eines solchen Filters ist durch die Kurve B von Fig. 4 dargestellt. Die kleinste Dämpfung des parasitären Bandes liegt nunmehr in der Nähe von 10 dB.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, deren Bestandteile 201, 202, 203, 211 und 212 die gleiche Rolle spielen wie die Bestandteile 101, 102, 103, 111 bzw. 112 von Fig. 1. Dagegen sind die Wandler 131 und 132 von Fig. 1 durch ein Paar von Eingangswandlern 231, 233 und ein Paar von Ausgangswandlern 232,

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254 ersetzt. Alle diese Wandler sind mit Abflachungen gekoppelt, die an den Resonatoren 201 und 203 angebracht sind und deren Ebenen parallel zu den Längsachsen der Resonatoren und der Richtung der Kopplungsstäbe 211 und 212 liegen.

Wenn bei der Anordnung von Fig. 2 die Eingangswandler 231, 233 so erregt werden, daß im Resonator 201 Longitudinalschwingungen senkrecht zur Zeichenebene erzeugt werden, kann wegen der Symmetrie der Anordnung offensichtlich keine Biegeschwingung dieses Resonators entstehen. Wenn jedoch eine restliche Biegeschwingung vorhanden wäre, die zum Resonator 203 übertragen würde, hätte offensichtlich die Symmetrie der Wandler 232, 234 die Wirkung, daß diese Restbiegeschwingung keine elektrische Spannung an der Ausgangsklemme IES des Filters erzeugen könnte.

Die Dämpfung als Punktion der Frequenz bei einem Filter der in Fig. 2 dargestellten Art ist als Beispiel durch die Kurve C von Fig. 4 gezeigt. Diese Kurve läßt erkennen, daß bei einer Dämpfung, die bei der Frequenz 128 kHz praktisch Full ist, die Anordnung von Fig. 2 eine Dämpfung von etwa 60 dB in dem wichtigsten parasitären Band aufweist, das in der Fähe von 52 kHz liegt.

Fig. 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Kopplungsstäbe zwischen den Resonatoren. Bei der Anordnung von Fig. 3 sind die Resonatoren 301, 302 durch einen Stab gekoppelt, der im allgemeinen zylindrisch ist, aber an den Enden Abschnitte 312,313 aufweist, die sich im allgemeinen konisch erweitern und durch elektrische Punktschweißung mit den Resonatoren 301 bzw. 302 verbunden sind. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß diese Art der Verbindung besonders vorteilhaft ist und Ergebnisse liefert, die sehr viel besser als die Ergebnisse sind, die dadurch erhalten

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werden konnten, daß ein zylindrischer Kopplungsstab in Bohrungen in den Resonatorstaben eingeführt wird.

Zur Tervollständigung der vorstehenden Erläuterung werden nachstehend einige Zahlenwerte für eine praktische Ausführung der in Fig. 2 dargestellten Anordnung angegeben:

- Metall der Resonatoren und

Kopplungsstäbe: Elinvar-Stahl;

- Axiale Länge der zylindrischen Resonatoren für 128 kHz: 18 mm;

- Durchmesser der Resonatoren.: 4,5 mm;

- Durchmesser der Kopplungsstäbe: 0,7 mm

- Länge der Kopplungsstäbe: 3,6 mm;

- Material der keramischen Wandler: Zirkonium-Blei-!itanat "P.163" hergestellt von der Firma "Quartz et Silice"

- Abmessungen der keramischen Wandler: Länge (parallel zur Längsrichtung

der Resonatoren): 2,5 mm

Breite: 1 mm

Dicke: 0,5 mm.

Bei Eingangs- und Ausgangsimpedanzen von 2000 Ohm "beträgt die Einfügungsdämpfung des Filters etwa 3,7 dB.

Es sind natürlich zahlreiche Abänderungen der beschriebenen Ausführungsform möglich. Beispielsweise ist es theoretisch nicht notwendig, daß die Resonatoren eine kreiszylindrische Form haben. Der Ausdruck "zylindrisch" muß im weitesten Sinne verstanden werden; anstelle eines kreisrunden Querschnitts könnten die Resonatoren auch einen polygonalen, rechteckigen oder anderen Querschnitt haben. Die kreisrunde Form erscheint jedoch hinsichtlich der mechanischen Bearbeitung am günstigsten.

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Claims (1)

1. 265Ί731

   Pa t ent'ans prüc he

   Elektromechanisches Frequenzfilter mit einer Reihe von mehreren im allgemeinen zylindrischen"Resonanz-Metallstäben, deren zu ihren Mantellinien parallele Achsen in. einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei die Metallstäbe miteinander durch Kopplungs-Metallstäbe gekoppelt sind, die im wesentlichen senkrecht zu den Mantellinien stehen und im wesentlichen in der gemeinsamen Ebene liegen, wobei elektromechanisch^ und mechanoelektrische Wandler mit den äußersten Resonanz-Metallstäben über Abflachungen gekoppelt sind, die an den Zylinderflächen der äußersten Resonanz-Metallstäbe angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler in zwei gleichen Hälften ausgebildet ist, die mit dem gleichen Resonanz-Metallstab über zwei Abflachungen gekoppelt sind, die zueinander parallel sind und symmetrisch in Bezug auf die Achse des Wandlers liegen.

   Elektromechanisches Frequenzfilter mit sehr schmaler Bandbreite nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachungen an. den beiden äußersten Resonanz-Metallstäben zu der die Achsen der Resonanz-Metallstäbe enthaltenden Ebene parallel sind.

   Elektromechanisches Frequenzfilter nach Anspruch 1,"dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachungen, die an einem der beiden äußersten Resonanz-Metallstäbe angebracht sind, senkrecht zu den Abflachungen am anderen äußersten Resonanz-Metallstab sind.

   Frequenzfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungs-Metallstäbe über den größten Teil ihrer Länge eine zylindrische Form haben und an ihren Enden sich konisch erweiternde Abschnitte aufweisen, die mit den Resonanz-Metallstäben durch Schweißen verbunden _Sind._7o9822/O697

   ORIGINAL INSPECTED