DE2828465C2 - Elektromechanisches Bandpaßfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Bandpaßfilter nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Ein Bandpaßfilter dient dazu, einen bestimmten Frequenzbereich mit geringer Dämpfung durchzulassen, den Durchgang von höheren oder niedrigeren Frequenzen dagegen zu sperren. Unter anderem kommen Bandpaßfilter in der Trägerfrequenz-Technik zur Verwendung.

Ein aus der FR-OS 23 04 217 bekanntes Bandpaßfilter dieser Art ist in sogenannter gefalteter Bauweise ausgeführt und weist insgesamt 13 Resonatoren auf, die über Koppelelemente zickzackförmig miteinander verbunden sind. An die beiden äußeren Resonatoren sind elektromechanische Wandler angeschlossen. Dämpfungspole sind nicht vorhanden.

Ein aus der DE-AS 12 57 993 bekanntgewordenes, mechanisches Frequenzfilter führt Lcngitudinalschwingungen aus und ist mit Dämpfungspo'en in Form von Umwegkopplungen versehen, die mehrere, nicht unmittelbar hintereinander liegende Resonatoren miteinander verbinden.

Der Vollständigkeit halber seien noch die FR-PS 22 90 788 und die DE-OS 20 37 209 erwähnt. Aus der zuvor angeführten FR-PS ist es bekannt, die Resonatoren eines mechanischen Filters mit Umwegkopplungen zu versehen, während die DE-OS ein mechanisches Filter mit Torsions-Resonatoren offenbart, die ebenfalls mit Koppeielementen versehen sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein elektromechanisches Bandpaßfiiter der eingangs erwähnten Art, d. h. ein Filter nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches, mit Dämpfungspolen in Form von Koppelelementen solcher Anordnung zu versehen, daß gegenüber bekannten Filtern eine bessere Dämpfung und ein kompakterer Aufbau erzielt werden.

Der Lösung der Aufgabe dienen die im Kennzeichen des ersten Anspruches angeführten Merkmale, wobei durch den Wortlaut: »Anwendung eines Filtersystems ...« zum Ausdruck gebracht wird, daß ein Filter-Schwingsystem mit Umwegkopplungen aus der DE-AS 12 57 993 im Prinzip bekannt ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Koppelelemente und Umwegkopplungen erhöht sich die Durchlaßfähigkeit des Filters für bestimmte Frequenzen. Gleichzeitig führt die Anordnung zu einem kompakteren Aufbau, als ihn die bekannten Filter besitzen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein elektromechanisches Bandpaßfilter bekannter Bauart;

F i g. 2 nach Art eines Diagramms ein Bandpaßfilter mit Dämpfungspolen;

F i g. 3 eine erste Ausführungsform eines Bandpaßfilters gemäß Erfindung;

F i g. 4 in der Draufsicht und in vergrößerter Darstellung den mittleren Resonator des Bandpaßfilters nach Fig.3;

F i g. 5 schaubildlich die Gruppenlaufzeit als Funktion der Frequenz bei einem bekannten Filter in gestrichelter bei dem Filter nach F i g. 3 in ausgezogener Linienführung;

F i g. 6 die Dämpfungskurve, die man bei einem Filter nach F i g. 3 erhält; und F i g. 7 eine weitere Ausführungsform eines Eandpaßfilters.

F i g. 1 zeigt ein bekanntes mechanisches Filter, das in sogenannter gefalteter Bauweise ausgeführt ist. Das Filter weist 13 Resonatoren 10 auf, die als Halbwellenschwinger Longitudinalschwingungen ausführen, wobei Koppelelemente 11 vorgesehen sind, welche die aufeinander folgenden Resonatoren 10 miteinander verbinden und Leiter mit einer Länge von /i/4 sind. Der Ausdruck »gefaltete Bauart« bedeutet, daß die Resonatoren 10 in zwei Reihen angeordnet und über die Koppelelemente 11 zickzackförmig miteinander verbunden sind. In bekannter Weise sind die äußeren Resonatoren mit elektromechanischen Wandlern 12 und 13 verbunden, beispielsweise mit magnetostriktiven Wandlern, die elektrische Signale in mechanische Schwingungen umsetzen, und umgekehrt.

Man kann an den Enden auch magneto-striktive Wandler als Resonatoren verwenden, wobei allerdings die Koppelelemente an den Enden entsprechend bestimmt sein müssen.

Ein solches Filter hat Gruppenlaufzeiten, die sich in einem Frequenzband von 128— 132 kHz mit der Frequenz gemäß der gestrichelten Kurve in F i g. 5 ändern. Der kleinste Wert dieser Zeit ist 1190 μ5.

Fig.2 zeigt diagrammartig eine theoretisch mögliche Ausführurgsform für ein Filter mit Dämpfungspolen. Die Buchstaben R bezeichnen dabei Resonatoren und die Buchstaben C die Koppelelemente. Ein derartiges Filter unterscheidet sich von dem Filter nach F i g. 1 durch überbrückende Koppelelemente C 5 und C 9, welche den mittleren Resonator R5 mit den Resonatoren Rl bzw. RS verbinden. Jedes dieser überbrückenden Koppelelernente mit einer Länge von 3 A/4 bildet zwei Dämpfungspole. Der Aufbau nach Fig.2 ist nur als Beispiel wiedergegeben. Man kann ebenso ein Koppelelement zwischen den Resonatoren R 1 und /?4 und ein Koppelelement zwischen den Resonatoren R 6 und R 9 vorsehen.

F i g. 3 stellt eine praktische Ausführung der Erfindung auf der Grundlage der oben erläuterten Theorie dar. Bei diesem Filter sind die Koppelelemente C2, C3, C4 und C6, CT. C8, welche die aufeinander folgenden Resonatoren verbinden, nicht Leiter mit einer Länge von A/4 sondern haben vielmehr Längen, die es aus geometrischen Gründen gestatten, den Resonator R 5 mit dem Resonator R 2 und dem Resonator R 8 durch überbrückende Koppelelemente zu verbinden, die eine Länge von 3 A/4 haben.

So kann man beispielsweise folgende genormte Längen für die Koppelelemente wählen, wobei als Einheit die Länge λ einer Welle dient: 0,25 für das Koppelelement Cl, 0,35 für C2, 0,15 für C3 und 0,35 für C4. Das überbrückende Koppelelement C5 erhält die Länge 0,75. Die Längen der Koppeleiemente C6, C7, CS, C9, C10 haben symmetrische Werte.

Man sieht aus den Fig.3 und 4, daß die Enden der überbrückenden Koppeleiemente C 5 und C 9 an mit Abstand angeordneten Punkten an die Endflächen der Resonatoren R 5 sowie R 2 oder R 8 angekoppelt sind. Um die charakteristischen Eigenschaften der Einzelelemente unter diesen Bedingungen zu bestimmen, wird wie folgt vorgegangen:

Zunächst bestimmt man die Impedanzen und theoretischen Längen der Resonatoren und Koppelelemente, die das gewünschte Filterverhalten ergeben. Man erhält also Impedanzen Zi, und Z, für die Resonatoren bzw. Koppelelemente und entsprechende Längen/J* undp,.

Wie bereits oben erläutert wurde, sind diejenigen Längen p', bekannt, welche die Koppelelemente tatsächlich haben müssen. Es sei nun eine Zusammenschaltung aus zwei Resonatoren der Ordnung k und k + 1 betrachtet,

die durch ein Koppelelement des Ranges /miteinander verbunden sind. Die Impedanzen der Resonatoren sind Zk und Zk + ι, die Impedanz des Koppelelementes ist Z) und die Längen sind pk und pk + ι für die Resonatoren bzw. Pi für das Koppelelement. Wenn man /?', kennt, und beispielsweise für C3 in F i g. 3 den Wert 0,15 wählt, kann man die neuen Werte Z * und Z\ + ι ρ \ und ρ '* + ι sowie Z', mittels folgender Gleichungen ausrechnen, in welchen die Impedanzen umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche der Resonatoren bzw. der Koppelelemente angenommen werden:

p'k = Λ.--Ρ*

wobei A_K , = (l - ^^- cos 2 π ρ'Λ - Vi ist.
V π Z₁ J

A = A_kl-2k

P'k+\ = Λ+ l./'Pt+i
A + ι - A_k+i r^zk+\

Bis hierher wurde davon ausgegangen, daß die Koppelelemente an den Endflächen der Resonatoren befestigt sind. Dies trifft aber nicht für die überbrückenden Koppelelemente CS und C9 zu, deren Enden mit einer gewissen Entfernung von den Endflächen der Resonatoren R 5 bzw. R 2 und R 8 befestigt sind. Diese Anordnung bringt einen Korrekturfaktor in die Impedanzberechnung und die Rechnung zeigt dabei, daß die Querschnittsfläche der überbrückenden Koppelelemente mit folgendem Faktor multipliziert werden muß:

B =

cos π c

wobei L die Länge des Resonators und cdie Distanz zwischen der Anschlußstelle des Koppelelementes und der

gegenüberliegenden Stirnfläche des Resonators sind; siehe hierzu F i g. 4. ·■

Dies bewirkt die Multiplikation des Querschnitts des Koppelelements mit
1

COS -21

Das Filterverhalten eines solchen Filters ist in den F i g. 5 und 6 dargestellt. Die Gruppenlaufzeit ist durch die ausgezogene Kurve in F i g. 5 dargestellt; die geringste Laufzeit ist offensichtlich 570 μ5. Sie ist damit erheblich kleiner als die minimale Laufzeit beim bekannten Filter, die — siehe oben — 1190 μ5 war.

Die Dämpfungskurve ist in Fig.6 dargestellt; erkennbar sind zwei Dämpfungspole erreichbar, die etwa symmetrisch gegenüber der Mittenfrequenz sind. Die Mittenfrequenz stellt sich dar als 129 850Hz; der eine Dämpfungspo! liegt zwischen 127 450 Hz und 127 850 Hz und der andere zwischen 131 900 Hz und 132 325 Hz.

Man erkennt ohne weiteres, daß die Filtereigenschaften den Eigenschaften des Filters nach Fig. 1 erheblich überlegen sind, obwohl das neue Filter nur neun Resonatoren aufweist und nicht dreizehn wie das bekannte Filter ohne Überbrückung.

Fig.4 stellt in Einzelheiten dar, wie die Koppelelemente am mittleren Resonator R5 befestigt sind. Die überbrückenden Koppelelemente, d. h. C5 und C9, deren Impedanzen Z etwas höher sind als die Impedanzen der anderen Koppelelemente, sind auf eine Fläche 15 aufgeschweißt, die eine Ausnehmung 16 aufweist. Da die überbrückenden Koppelelemente über die Länge der Schweißnaht nicht in Berührung mit dem Resonator sind, kann man mit großer Genauigkeit die Länge der Schweißnaht und die effektive Länge des Koppelelementes bestimmen.

Die Koppelelemente C 4 und C 6, welche den Resonator R 5 mit den daneben liegenden Resonatoren R 4 und R 6 verbinden, sind auf eine Fläche 17 aufgeschweißt, die auf der entgegengesetzten Seite des Resonators angeordnet ist. Man kann die Koppelelemente auch an der Endfläche des Resonators befestigen, indem man ein Loch bohrt und sie darin anlötet oder anschweißt

Die für den Resonator R 5 beschriebene Art der Anbringung ist dieselbe wie für die Resonatoren R 2 und RS, was man übrigens auch aus F i g. 3 erkennen kann.

Fig.7 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters. In diesem Falle sind alle die aufeinanderfolgenden Resonatoren verbindenden Koppelelemente Leiter mit einer Länge von AJA (= 0,25). Die überbrückenden Koppelelemente haben eine von 0,75 etwas abweichende Länge, z. B. eine solche von 0,65. Die |"

Koppelelemente sind in der unter Hinweis auf F i g. 3 beschriebenen Weise mit den Resonatoren verbunden. if

Selbstverständlich sind die Ausführungsbeispiele nach den F i g. 3 und 7 nur Beispiele, denen keine beschrän- ü *

kende Bedeutung zukommt Man kann auch alle dazwischen liegenden Lösungen verwirklichen, wobei die ""*

überbrückenden Koppelelemente eine Länge von etwa 0,75 und eine Anordnung haben, wie sie in Fig.3 dargestellt ist £

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   \. Elektromechanisches Bandpaßfilter bei welchem mehrere, stabförmige, zu Longitudinalschwingungen anregbare Resonatoren untereinander sowie mit den elektromechanischen Wandlern an den Enden des Filter-Schwingsystems durch Longitudinalschwingungen ausführende Koppelelemente verbunden sind,

   und bei welchem die Resonatoren eine Länge aufweisen, die etwa der halben Wellenlänge von Longitudinalschwingungen im Resonator-Werkstoff bei der Resonanzfrequenz gleich ist,

   und bei welchem die Resonatoren, deren zueinander parallele Achsen in einer Ebene liegen, in zwei Gruppen aufgeteilt sind,

   ίο und bei welchem die eine Gruppe die In Signalflußrichtung ungeradzahligen Resonatoren und die andere

   Gruppe die in Signalflußrichtung geradzahligen Resonatoren in solcher räumlicher Anordnung enthält, daß die Verlängerungen der Achsen der Resonatoren der einen Gruppe jeweils in den Zwischenräumen zwischen den Resonatoren der anderen Gruppe verlaufen und daß die in schräger Richtung einander zugewandten Stirnseiten der in Signalflußrichtung aufeinanderfolgenden Resonatoren einen gegenseitigen Abstand auf weisen, der sich nach der erforderlichen Länge der Koppelelemente richtet, die zur Achsrichtung der Resonatoren geneigt verlaufen, gekennzeichnet durch

   die Anwendung eines Filter-Schwingsystems, bei welchem ein oder mehrere, jeweils durch ein mechanisches Koppelelement verwirklichte Umwegkopplungen vorgesehen sind und bei welchem der Richtwert für die

   Länge der Koppelelemente (Ci ... CA, C6... C8, C10) zwischen den einzelnen Resonatoren (R 1... R9)

   die Länge A/4 und der Richtwert für die Länge der die Umwegkopplungen herbeiführenden Koppelelemente (C 5, C9) die Länge 3 A/4 beträgt und bei welchem von den exakten Längenabmessungen A/4 bzw. 3 i/4 abweichende Längen der Koppelelemente bei der Bemessung der Resonatoren berücksichtigt sind, mit der Maßgabe,

   daß das die Umwegkopplung bewirkende zusätzliche Koppelelement jeweils einen Resonator R 2, R 8) der einen Gruppe von Resonatoren R 2... R 8) mit einem Resonator R 5) der anderen Gruppe von Resonatoren Rt... R 9) verbindet,

   und daß die Enden des zusätzlichen Koppelelementes bzw. der zusätzlichen Koppelelemente (C 5, C 9) an den Mantelflächen der Resonatoren (R 2, R 5, R 8) in geringfügiger Entfernung von den Resonator-Stirnflä chen befestigt sind und daß entweder

   das zusätzliche Koppelelement bzw. die zusätzlichen Koppeielemente (C5, C9 in F i g. 3) die Länge 3 A/4 und die zwischen den einzelnen Resonatoren vorgesehenen Koppelelemente (Ci ... CA, C^ ... CS, ClO) zum Teil eine von der Länge A/4 abweichende Längenabmessung aufweisen

   oder das zusätzliche Koppelelement bzw. die zusätzlichen Koppelelemente (C5, C9 in F i g. 7) mit einer von der Länge 3 AIA abweichenden Länge und die zwischen den einzelnen Resonatoren einzufügenden Koppelelemente (Ci... C4, C6... CS, C10) mit der Länge A/4 ausführbar sind; dabei ist mit A die der Betriebsfrequenz entsprechende Wellenlänge von Longitudinalschwingungen im Werkstoff der Koppelelemente bezeichnet.
2. 2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem überbrückenden Koppelelement

   (C5 bzw. C9 in F i g. 3 und 7) zu verbindenden Resonatoren (R 2, R 5, R 8 in F i g. 3 und 7) jeweils an ihrem einen Ende mit einer von der Stirnseite aus sich erstreckenden Abflachung (16 in F i g. 4) versehen sind, die | parallel zur Resonatorachse verläuft

   ji und daß dieser Abflachung eine weitere, stufig abgesetzte Abflachung (15 in F i g. 4) mit größerem Abstand

   von der Resonatorachse nachfolgt

   und daß diese Abflachung zur Befestigung des überbrückenden Koppelelementes (C9 in Fig.4) bzw. der überbrückenden Koppelelemente dient.
3. 3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein überbrückendes Koppelelement mit der Länge 3 A/4 vorgesehen ist, das den Resonator Ri₁ in der Gruppe der geradzahligen Resonatoren mit dem Resonator Rk + 3 in der Gruppe der ungeradzahligen Resonatoren verbinden

   und daß die Koppelelemente zwischen den Resonatoren Rk und R_k +1 sowie zwischen den Resonatoren Rk +2 und Rk + 3 eine Länge aufweisen, die größer als A/4 ist, während das Koppelelement zwischen den Resonatoren Rk + 1 und Rk + 2 mit einer Länge ausgeführt ist, die weniger als A/4 beträgt.
4. 4. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein überbrückendes Koppelelement vorgesehen ist, dessen Länge etwa 3 A/4 beträgt und das den Resonator Rk in der Gruppe der geradzahligen Resonatoren mit dem Resonator Rk + 3 in der Gruppe der ungeradzahligen Resonatoren verbindet

   und daß die drei Koppelelemente zwischen den vier aufeinanderfolgenden Resonatoren Rk, Rk + 1, Rk + 2 und Rk + 3 die Länge A/4 aufweisen.