DE743934C - Wellenfilter aus mehreren hintereinandergeschalteten Gliedern, die alle den gleichen Durchlassbereich aufweisen und die jeweils piezoelektrische Kristalle als Impedanzen enthalten - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Wellen-. filter aus mehreren hintereinandergeschalteten Gliedern, die alle 'den gleichen Durchlaßbereich aufweisen und die jeweils piezoelekirische Kristalle als Impedanzen enthalten. Früher war es üblich, in Breitbandfiltern, die piezoelektrische Kristalle enthielten, Ouarzplatten anzuwenden, die nach dem Curie- oder X-Schnitt geschnitten waren, bei dem die größeren Oberflächen der Kristallplatte der optischen und der mechanischen Achse parallel sind. Die Hauptresonanzfrequenz einer so geschnittenen Kristallplatte ist hauptsächlich durch ihre Länge in der Richtung der mechanischen Achse gegeben. Durch genaue Formgebung konnte man bei diesen bekannten Schnitten mit Sicherheit erreichen, daß alle anderen Resonanzstellen des Kristalls auf Frequenzen fallen, die so weit von der ' Hauptresonanzfrequenz entfernt sind, daß sie keinen schädlichen Einfluß auf die Selektivitätskurve des Filters ausüben können. Für

Frequenzen von der Größe einiger Megahertz führt der X-Schnitt aber zu Kristallen von unfbequem kleinen Ausmaßen. Um nun Kristalle von praktischen Abmessungen zu erhalten, ist es zweckmäßig, auf an sich bekannte andere Schnittarten überzugehen, bei denen die Hauptresonanz hauptsächlich durch die kleinste Dimension der Platte gegeben ist. Für so hohe Frequenzen eignen sich vorzüglich Quarzkristalle, die nach dem Y-Schnitt oder nach verschiedenen anderen, davon abgeleiteten Schnitten geschnitten sind; bei diesen Kristallen liegt die Hauptoberfläche in der Ebene der elektrischen und optischen Achse. Bei derartigen Kristallplatten entspricht die Hauptresonanzfrequenz einer Scherüngsschwingung, und ihre Frequenz ist hauptsächlich durch die Dicke der Platte bestimmt. So kann man Platten von relativ großer Oberfläche benutzen.

Die Verwendung von derartigen in Y-S chnitt geschnittenen Kristallplatten in elektrischen

Wellenfiltern wird jedoch durch die Tatsache erschwert, daß solche Platten sehr viele Resonanzstellen aufweisen, von denen einige auf Frequenzen fallen, die der Hauptresonanzfrequenz sehr nahe liegen. Diese Nebenresonanzen verhindern nicht die Übertragung des Filters im eigentlichen Durchlaßbereich, aber sie vermindern die Selektivität des Filters durch eine starke Abnahme der Dämpfung ίο bei Frequenzen, die an den Durch'aßbereich angrenzen.

Erfmdun-gsgemäß wird nun dieser Einfluß der' Nebenfrequenzen der Quarzkristall auf ■die Selektivitätskurve eines aus zwei oder mehr liintereinandergeschalteten Gliedern aufgebauten Wellenfilters dadurch verringert, daß die in den verschiedenen Gliedern verwendeten rechtwinklig geschnittenen Kristalle zwar die gleiche Hauptresonanzstelle, aber voneinander abweichende Nebenresonanzstellen haben. Auf diese Weise wird eine Verringerung der Dämpfung in einem der Glieder des Filters, die durch eine Nebenresonanz hervorgerufen wird, ausgeglichen durch die hohe Dämpfung der anderen Glieder bei derselben Frequenz. Durch ausgedehnte Versuche und mathematische Behandlung hat sich ergeben, daß die Nebenresonanzstellen eines Kristalls, der im Y-Schnitt geschnitten ist, und von Kristallen, die in ähnlicher Weise geschnitten sind, abhängig sind von der Länge und Breite der Kristallplatte und daß diese systematisch verändert werden können durch Veränderung der Länge und Breite der Platte im Hinblick auf die Dicke. Für gewisse besondere Typen von Kristallschnitten geben die erfindungsgemäßen Plattengestaltungen einen besonders großen Abstand der Nebenresonanzstellen. Der Erfindungsgedanke soll nun an Hand der Abbildungen näher erläutert werden.

Um die Abhängigkeit der Resonanzfrequenzen einer Kristallplatte, die in Scherungsschwingung erregt ist, von den Piattenabmessungen darzustellen, sei der besondere Fall eines Kristalls gewählt, der in AT-Schnitt geschnitten ist. Diese Schnittart, die durch die völlige Unabhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Temperatur charakterisiert ist, ist beschrieben in einer Arbeit von Lack, Willard und Fair mit dem Titel »Some Improvements in Quartz Crystal Circuit Elements«, Bell System Technical Journal, Band XIIT, Nr. 3, Juli 1934, S. 453- _ Sie unterscheidet sich von dem gewöhnlichen Y-Schnitt darin, daß die. Ebene der Kristallplatte gegen die Ebene der optischen und elektrischen Achse um einen Winkel von 35³ geneigt ist (Abb. 5}, wobei die Drehung um die elektrische Achse erfolgt. Die Kurven der Abb. 1 zeigen die Hauptresonanzfrequenzen eines rechtwinklig geschnittenen Kristalls in AT-Schnitt in Abhängigkeit von der Länge der Platte in Richtung der elektrischen X-Achse; es wurde eine Platte verwendet mit einer Dicke von I mm und einer in der Richtung senkrecht zur X-Achse festgehaltenen Länge von 22 mm.

Für jede Länge des Kristalls gibt es eine Vielzahl von Resonanzen bei ziemlich unregelmäßig zerstreuten Frequenzen. Die Frequenzänderungen verlaufen bei Längenänderungen in der X-Richtung in grober Annäherung an die beiden Scharen der einander schneidenden gestrichelten Linien. Diese Scharen der gestrichelten Linien stellen die Frequenzen dar, die der Kristall bei geeigneter Erregung aufweisen würde, wenn keine Kopplung zwischen den verschiedenen Arten der Schwingung bestünde. Die gestrichelten Kurven A, B und C entsprechen der Scherungsschwingung und stellen die Frequenzen dar, die durch die Formel

= 1665 ]/^r

η-

(ι)

gegeben sind. Darin bedeutet / die Frequenz in kHz, α die Länge der Platte in Millimeter in Richtung der X-Achse, b die Dicke der Platte in Millimeter; m und η sind ganze Zahlen. Für den Wert in gleich 1 und η gleich einer der Zahlen 1, 3 oder 5 erhält man die Kurven A, B und C. Kurve A entspricht der Grundscherungsschwingung.

Die schrägen gestrichelten Linien D-H entsprechen Harmonischen einer langsamen Biegungsschwingung der Platte entlang der X-Achse; die Frequenzen dieser Schwingungsart sind gleichfalls von den Abmessungen der Platte abhängig. Die ausgezogenen Linien stellen die wirklich gemessenen Resonanzfrequenzen dar. Diese Linien neigen dazu, mit den verschiedenen Abschnitten der einzelnen gestrichelten Linien zusammenzufallen, aber sie schneiden sich nicht. Der Grund hierfür liegt in der mechanischen Kopplung zwischen den Scherungs- und Biegungsschwingungen. In der Nähe 'der Schnittpunkte der gestrichelten Linien zeigt der Kristall Paare von Resonanzen; ihr Abstand hängt von dem Kopplungsgrad zwischen den Schwingungsarten ab.

Wenn die Ausdehnung der Platte in Richtung der X-Achse festgehalten und ihre Breite senkrecht zur X-Achse verändert wird, dann ergeben sich Resonanzcharakteristiken mit etwas einfacheren Kurvenscharen, als sie in Abb. ι dargestellt sind, hervorgerufen durch lie Wechselwirkung der verschiedenartigen Scherungs- und Biegungsschwingungen. Dies wird durch die Kurven der Abb. 2 dargestellt, welche die Charakteristiken der Reso-

nanzen eines in AT-Schnitt geschnittenen Kristalls zeigen, wenn die Ausdehnung senkrecht zur X-Achse verändert wird und wenn ferner das Verhältnis der Ausdehnung in Richtung'der X-Achse zur Dicke den festen Wert von 10,5 hat und die Dicke 1 mm beträgt. Die horizontalen Linien entsprechen den in Abb. 1 gezeigten Resonanzstellen für einen Wert von = 10,5, und die schrägen Linien stellen Harmonische von langsamen Längs schwingungen dar, die sich in Richtung der optischen Achse fortpflanzen. Diese Charakteristiken sind insofern sehr bemerkenswert, als die beiden Schwingungsarten äußerst lose miteinander gekoppelt sind. Dadurch werden die Resonanzen, die durch die Ausdehnung in der X-Riehtung gegeben sind, nur an den Punkten verschoben, die sehr nahe an den Kreuzungspunkten mit den schrägen Linien liegen.

$0 ergibt sich, daß die Resonanzfrequenzen für eine rechtwinklige, in AT-Schnitt geschnittene Platte und für irgendwelche gegebenen Abmessungen durch die Wechselwirkung der Scherungsschwingungen und den damit gekoppelten Oberschwingungen der Biegungsschwinguragen festgelegt sind. Ferner zeigt sich, daß die Frequenzen der beiden Schwingungsarten und der wirklichen Resonanzstellen in bestimmter Weise von den Dimensionen der Platte abhängen und durch Veränderung dieser Abmessungen beeinflußt werden können. Gleichartige Resultate erhält man für einen normal in Y-Schnitt geschnittenen Kristall und auch für andere Schnitte, die vondi esem abgeleitet« ind. (Die mathematischen Grundlagen über die Schwingungsweise eines piezoelektrischen Kristalls sind z. B. in der oben angegebenen Arbeit von Lack, Willard und Fair und ebenfalls in der Arbeit von W. P. Mason, »Electrical Wave Filters Employing Quartz Crystals as Elements«, Bell System Technical Journal, Band XIII, Nr. 3, Juli 1934, beschrieben.)

Es hat sich gezeigt, daß der Kristall außer den oben besprochenen Resonanzstellen noch einige Nebenresonanzen enthält, die durch die Kopplung zusätzlicher Schwingungsarten hervorgerufen werden. Im allgemeinen sind diese zusätzlichen Resonanzstellen nicht so scharf ausgeprägt, daß sie einen starken Einfluß auf die Selektivität eines Wellenfilters ausüben können. Immerhin rufen sie Unregelmäßigkeiten in der Durchlaßcharakteristik hervor, und es ist deshalb wünschenswert, sie unschädlich zu machen.

Aus Versuchen hat sich ferner ergeben, daß diese Nebenresonanzen bei bestimmten optimalen Verhältnissen der Kristallplattenabmessungen so weit von den Hauptresonanzen abrücken, daß ihre Wirkung auf die Selektivität des Filters ausreichend verhütet wird. Für einen Kristall, der in AT-Schnitt geschnitten ist, ergeben sich für die Abmessungen rechtwinklig geschnittener Platten folgende optimalen Verhältnisse: Bezeichnet man die Dicke der Kristallplatte mit Y', die Länge in Richtung der mechanischen Achse mit X und die Länge senkrecht dazu mit Z', dann muß das Verhältnis XjY' ungefähr gleich einer der Zahlen 9, 10,5, 12,5 und 13,8 sein·, und' das· Verhältnis Z'jY' soll ungefähr gleich einer der Zahlen 10,S₁ 12,5, 14, 15,5, *7>5» i^Q>5> 21 und 22 sein.

Abb. 3 zeigt ein. typisches Wellenfilter, bei welchem diese Erfindung anwendbar ist. Dieses Filter 'besteht aus drei Gliedern, die alle gleichartig geschaltet sind und den gleichen Hauptdurchlaßbereich haben, bei welchem ^die durch die Impedanz des piezoelektrischen Kristalls hindurchgelassenen Schwingungen durch die Schwingungen, die durch eine andersartige Impedanz 'hindurchgelassen werden, z. B. einen Kondensator, aufgehaben werden. Diese beiden Impedanzen sollen so beschaffen sein, daß ein vollständiger Ausgleich für alle Frequenzen erhalten wird, ausgenommen die Frequenzen des übertragenen Frequenzbereiches. Das erste Glied, das zwischen den Eingangsklemmen ι und 2 und den Ausgangsklemmen 3 und 4 liegt, enthält einen Übertrager T₁ mit "drei Wicklungen, einen piezoelektrischen. Kristall PX₁ und eine Ausgleichskapazität C₁. Das zweite Glied zwischen den Klemmen 5, 6 und 7, 8 enthält die entsprechenden Schaltelemente T₂,,FX₂ und C₂, und das dritte Glied zwischen den Klemmen 9, 10 Und 11, 12 enthält die entsprechenden Schaltelemente T_a> PX₃ und C₃. Zur Erleichterung der Impedanzanpassung werden die Glieder vorzugsweise so untereinander verbunden, wie es in der Abbildung dargestellt ist. Der Übertrager sollte eine hohe Induktivität und feste Kopplung zwischen den Wicklungen aufweisen, um ihn möglichst dem theoretischen Idealübertrager anzunähern.

Eine vereinfachte Schaltanordnung wird in Abb. 4 dargestellt. Die beiden Übertrager !T₁ und T₂ sind durch eine einfache Induktivität mit Mittelanzapfung ersetzt. Die beiden Wicklungshälften dieser Induktivität sind so fest wie möglich miteinander gekoppelt. Die ganze Induktivität der Spule sollte relativ hoch sein; ihr Einfluß kann jedoch für die Frequenzen des Übertragungsbereiches durchParallelschalten einer Kapazität C₄ vernachlässigbar klein gemacht werden, wenn diese Kapazität mit der Induktivität in der Mitte des Übertragungsbereiches in Resonanz ist. Eine gleichartige Kapazität C₅ dient zur Neuträlisation der Induktivität des Ausgangsübertragers für dieselbe Frequenz.

Jedes der Glieder dieses in Abb. 3 dargestellten Filters ist gleichbedeutend einem symmetrischen Wellenfilter an sich bekannter Art. Um die effektive übertragene Bandbreite zu vergrößern, können in ebenfalls bereits bekannter Weise Induktivitäten in Serie zu jedem der Kristalle und zu jeder der ausgleichenden Kapazitäten hinzugeschaltet werden. Das kann auch in dem Filter, wie es Abb. 4 zeigt, geschehen.

Die Kristalle PX₁, PX₂ und PX₃ sind vorzugsweise in dem bereits erwähnten AT-Schnitt geschnitten und sind so geformt, daß der Hauptfrequenzbereich, der übertragen werden soll, der Grundresonanzfrequenz der Scherungsschwingung entspricht, d. h. also einer Frequenz, die etwa durch die gestrichelte Kurve A von Abb. 1 gekennzeichnet ist. Wenn nun -die Dimensionen aller drei Kristalle gleich wären, dann würden sie alle selbstverständlich auch die gleichen Nebenresonanzen haben. Man würde eine Vielzahl von übertragenen Frequenzbereichen erhalten, die sehr nahe zusammenliegen wurden. Erfindungsgemäß werden diese unerwünschten Bereiche dadurch iinterdrückt, daß man den Kristallen eine solche Form gibt, daß sie die gleiche Grundresonanzfrequenz haben, daß man ihnen aiber verschiedenartige rechtwink- !ige Abmessungen gibt, so daß die Nebenresonanzen nicht zusammenfallen. Beispielsweise können alle die Kristalle so hergestellt werden, daß ihre Z'-Dimensionen 2omal so so groß sind wie ihre Y'-Dimensionen (gleich der Dicke), daß aber ihre X-Dimensionen der Reihe nach 9-, 10,5- .und I2,5mal so groß sind wie ihre Dicken. Aus den Kurven der Abb. ι kann die Lage' der Nebenresonanzfrequenzen zu der Grundresonanzfrequenz leicht ermittelt werden. Für ein Verhältnis XjY' = 9 liegen die nächsten bedeutenden Resonanzstellen bei Frequenzen, die um den Faktor 1,032- und i,o65mal größer sind als die Grundresonanz. Für ein Verhältnis von 10,5 haben die Faktoren den Wert 1,025, 1,061 und 1,102 und für ein Verhältnis von 12,5 haben diese den Wert von 1,020, 1,040 und 1,075.

Die Grundresonanzfrequenz ist nun umgekehrt proportional der Dicke des Kristalls, aber da sie auch von den anderen Dimensionen der Platte abhängt, läßt sich aus Abb. ι erkennen, daß die Platten mit den verschiedenartigen Seitenverhältnissen, die oben angegeben sind, alle Dicken aufweisen müssen, die sich nur wenig voneinander unterscheiden, wenn ihre Grundresonanzfrequenzen gleich sein sollen. Während die Nebenresonanzen auf Frequenzen fallen, die sich prozentual nur wenig von der Grundresonanzfrequenz unterscheiden, ist der absolute Frequenzabstand bei hohen Frequenzen sehr groß. Bei einer Frequenz von 2 MHz z. B. stellt eine Abweichung von ι °/o schon ein Frequenzintervall von 20 kHz dar; die kleinsten Abstände, die in den obigen Abbildungen angegeben sind, entsprechen Intervallen von 40 kHz oder mehr. Ein solcher Frequenzabstand aber reicht ans, um ein genügendes Frequenzband für Sprache zu übertragen.

Anstatt das Verhältnis Z'fY' für alle Kristalle auf dem gleichen Wert zu halten und nur das X-F'-Verhältnis zu ändern, ist es allgemein vorzuziehen, beide Verhältnisse von Kristall zu Kristall zu verändern; nur müssen in allen Fällen die oben angegebenen optimalen Werte eingehalten werden. Eine andere Art der Formgebung, die auch zufriedenstellende Resultate ergibt, besteht darin, daß das Verhältnis XfY' für alle Kristalle annähernd gleich einem der optimalen Werte gesetzt wird, z. B. gleich 10,5; aber die Verhältnisse für die einzelnen Kristalle müssen sich ganz wenig voneinander unterscheiden, so daß eine genügend große Verschiebung der Nebenresonanzen erhalten wird.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Wellenfilter aus mehreren hintereinandergeschalteten Gliedern, die alle den gleichen Durchlaßfoereich aufweisen und die jeweils piezoelektrische Kristalle als Impedanzen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß diese rechtwinklig geschnittene Kristallplatten sind, die' zu den Hauptkristallachsen gleichartig ausgerichtet geschnitten sind, so daß sie eine Hauptscherungsschwingungsresonanz bei einer gemeinsamen, den Durchlaßbereich bestimmenden Frequenz aufweisen, und daß die einzelnen Platten verschiedene Ausmaße haben, derart, daß die Nebenresonanzen von den Hauptresonanzen hinreichend entfernt sind und für die verschiedenen Kristalle nicht zusammenfallen, so dlaß die Bildung von zusätzlichen, unerwünschten DurcMaßbereichen des Filters vermieden ist.
2. 2. Wellenfilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung rechtwinklig nach dem AT-Schnitt geschnittener Quarzkristallplatten.
3. 3. Wellenfilter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge der Kristallplatten in Rich- us tung der elektrischen Kristallachse zu ihrer Dicke von Kristall zu Kristall verschiedene Werte nach den Zahlen 9, 10,5, 12,5 und 13,8 annimmt.
4. 4. Wellenfilter nach Anspruch 2, da- iao durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge, der Kristallplatten senkrecht

   zur elektrischen Kristallachse zu ihrer Dicke von Kristall zu Kristall verschiedene Werte nach den Zahlen io,8, 12,5, 14, 15,5, 17,5, 19,5, 21 und 22 annimmt.

   Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

   französische Patentschrift... Nr. 761166; Analen der Physik, 5. Folge, Bd. 9 (1931),

   S. 138 ff.;

   Hausmitteilungen derTelefunken G.τη. b. H. 18 (1937)) Nr. 76,
5. S. S ff. und S. 16 ff.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen