-
Elektrisches Well'enbandfilter mit einem Impedanzzweig, der eine Piezokristallplatte
enthält Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Wellenbandfilter, insbesondere
unter Verwendung von Kristallen aus Rochellesalz als piezoelektrische Impedanzelemente
in, solchen Filtern, und setzt sich zur Aufgabe, den Frequenzbereich, in welchem
piezoelektrische Kristalle als Reaktanzel.emente in Wellenfiltern benutzt werden
können, zu erweitern. Ferner werden, Anordnungen vorgeschlagen, um die Breite des
Übertragungsbandes zu vergrößern und um Dämpfungsschwankungen auf Grund von Temperaturänderungen
in dem Filter zu verringern.
-
Bisher wurden meist- Quarzkristalle als piezoelektrische Elemente
in Wellenfiltern benutzt, deren Übertragungsbänder sich bis zu etwa 5o kHz hinunter
erstrecken. Auf Grund der verhältnismäßig geringen elektromechanischen Kopplung
des Quarzes sind breite Frequenzbänder, die um Frequenzen von unter 50 kHz
liegen, nur auf Kosten der Dämpfung in den Sperrbereichen erreichbar. Auch Platten
aus Rochellesalzkristallen sind als piezoelektrische Elemente bekannt. Bei diesen
aber stören außerdem die in der Nähe der Hauptresonanzfrequenz auftretenden Nebenfrequenzen
sowie die Temperaturabhängigkeit der Frequenz. Es wurde nun gefunden, daß das Breiten-Längen-Verhältnis
der Platte einen beträchtlichen Einfluß auf den Abstand der Nebenfrequenzen von
der Hauptfrequenz hat. Erfindungsgemäß wird daher eine Rochellesalzkristallplatte
für ein Wellenbandfilter so geschnitten, daß das Verhältnis Breite : Länge einen
solchen Wert hat, daß die ,am nächsten liegende fremde Resonanz in dem Frequenzspektrum
einen angenähert maximalen Abstand von der Hauptsch wingungsfrequenz der Platte
hat und das Filter ein breites Band durchläßt, ohne die Dämpfung in den Sperrbereichen
aufzuheben, und die Kopplung zwischen Kristallplatten und Elektroden wird so lose
gemacht, daß die Eigenfrequenz möglichst-unabhängig von der Temperatur wird.
-
Vorzugsweise werden Rochellesalzkristalle benutzt, deren Frequenzbänder
um einen Frequenzbereich zwischen 2o und 6o kHz liegen und bei denen das Verhältnis
der Breite zur Länge einen Wert zwischen 0,35 und 0,55 hat.
-
Um die Dämpfung des Filters bei Temperaturänderungen stabiler zu machen,
wird ein Luftspalt zwischen den Elektroden und der Kristallplatte vorgesehen, oder,
wenn die
Elektroden innig mit den Kristallflächen verbunden sind,
werden diese nur in der Mitte der Hauptflächen des Kristalles angeordnet, während
die Enden freigelassen sind. Um die Kristalle weiterhin zu schützen, werden sie
in einem Behälter untergebracht, in dem die relative Feuchtigkeit dadurch gesteuert
wird, daß eine bestimmte Menge getrockneten und eine bestimmte Menge normalen Rochellesalzes
in dem Behälter angeordnet wird.
-
Die erfindungsgemäßen Filter weisen eine erhebliche Stabilität gegenüber
Temperaturschwankungen auf, und die Betriebsdauer solcher Kristalle ist fast unbeschränkt.
-
Nachstehend sind einige erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele an Hand
der Abbildungen näher beschrieben;: Die Abbildung i zeigt einen typischen homogenen
Kristall aus Rochellesalz perspektivisch, der insbesondere zur Bildung eines piezoelektrischen
Impedanzelementes für ein erfindungsgemäßes Wellenfilter geeignet ist. Der Kristall
besitzt drei zueinander senkrechte Flächen A, B und C und drei Haupt-' achsen
a, b und c, die senkrecht zu den Flächen A, B und C stehen. Das Impedanzelement
besteht aus einem Parallelepiped oder aus einer rechtwinkligen Platte, die aus einem
Rochellesalzkristall herausgeschnitten ist; die Hauptflächen dieser Platte liegen
senkrecht zu einer der Hauptachsen des Kristalles. Vorzugsweise ist die Platte derart
orientiert, daß ihre Hauptachse, d.li. die Längsachse, einen Winkel vorn etwa d5°
mit den anderen beiden Hauptachsen des Kristalles bildet. Dieser Schnitt ergibt
ein Element, dessen Longitudinalschwingungen vollständig frei von fremden Resonanzen
sind und das einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor besitzt.
-
Jedes Impedanzelement besitzt Elektroden, die mit den beiden Hauptflächen
verbunden sind, mit deren Hilfe eine wechselnde elektromotorische Kraft zugeführt
wird. Wenn Elektroden benutzt werden, die innig mit den Flächen verbunden sind,
sollen diese zweckmäßig in der Mitte der Flächen angeordnet sein, so daß sie etwa
70 % einer jeden Hauptfläche decken, während etwa 15 °/o der Fläche an beiden
Seiten offen bleiben, um auf diese Weise die Antiresonänzfrequenz als Funktion.
der Temperatur zu stabilisieren. Die Abb. 2 zeigt ein teilweise mit Elektroden versehenes
Kristallelement i i, dessen Hauptfläche 12 die Länge L und die Breite
w besitzt. Diese ist mit zwei symmnetrischeniEleI:troden 13 und 14 ausgestattet.
Die Elektroden können aus Gold oder einem anderen geeigneten Material bestehen,
das vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird. Zwei ähnliche Elektroden
befinden sich auf der anderen Hauptfläche, und zwar gegenüber den Elektroden auf
der erstgenannten Seite. Der Überzug ist auf beiden Seiten geteilt, so daß ein einziges
Kristallelement einzelne Abschnitte von zwei verschiedenen Impedanzzweigen eines
Wellenfilters bildet, wie näher in Verbindung mit Abb. 6 beschrieben.
-
Wenn das Element i i longitudinal schwingt, besitzt es eine quer liegende
Knotenlinie in der Mitte, an der der Kristall vorzugsweise getragen wird. Wie aus
der Abb.2 zu entnehmen ist, besteht die Traganordnung aus einem Klemmenpaar 15,
16 auf der einen Seite und einem zweiten (nicht dargestellten) ähnlichen Klemmenpaar
auf der entgegengesetzten Seite, wobei der Kristall zwischen diesen Paaren gehalten
wird. Diese Kleinmen können aus leitendem Material oder aus einer anderen, mit einem
leitenden Material überzogenen Substanz bestehen, wobei die elektrischen Verbindungen
mit Hilfe der Klemmen oder auch direkt mit den Elektroden hergestellt werden können.
-
Ein anderes Verfahren, das bei der Stabilisierung sämtlicher Eigenschaften
des Kristallelementes und insbesondere der Antiresonanzfrequenz als einer Funktion
der Temperatur sehr wirksam ist, besteht darin, die Elektroden in einem kleinen
Abstand von dein Kristall anzuordnen, so daß ein kleiner Luftspalt entsteht, der
zweckmäßig etwa 0,025 inni beträgt. Dieser Luftspalt kann dadurch entstehen,
daß der Kristall ziemlich rauh ausgebildet ist, so daß die Elektroden direkt auf
den Unebenheiten dieser Rauheit aufliegen. Andererseits können Abstandshalter aus
Isoliermaterial zwischen den Elektroden und dem Kristall vorgesehen «-erden. Das
letztere Verfahren ist in der Abb. 3 dargestellt; diese zeigt ein Kristallelement
i i mit Elektroden 17 und i ig auf der einen Hauptfläche und den Elektroden i9 und
2o auf der gegenüberliegenden Hauptfläche. Die Elektrodenflächen können etwa den
beiden Hauptflächen des Kristalles entsprechen. In diesem Falle können beispielsweise
die Elektroden auf Glas oder einem sonstigen seine 1#orm bxibelialtenden Material,
und zwar auf der dem Kristall zugekehrten Seite angebracht «-erden. Dies geschieht
vorzugsweise durch Auftragen von Platin, Aluminium oder irgendeinem anderen Metall
mit Hilfe der Zerstäubung. jede Platte befindet sich dann auf einem Abstand d von
dem Kristall mit Hilfe eines Abstandslialters, der, beispielsweise aus einem nicht
leitenden Zement, Wie bei 22 gezeigt, bestehend, an der Knotenlinie angeordnet ist.
Geeignete, nicht dargestellxe Klemmanordnungen tragen den Kristall und die damit
verbundenen Elektroden, die gleichzeitig die elektrische Verbindung mit außenliegenden
Schaltungen bilden.
-
Um einen Kristall herzustellen, der genügend
frei
von fremden Resonanzen ist und bei Temperaturschwankungen verhältnismäßig stabil
bleibt, ist festgestellt worden, daß das Verhältnis r der Breite
w zur Länge l einer jeden Hauptfläche innerhalb bestimmter Grenzen
liegen muß. Ein Grund hierfür geht aus den Kurven in der Abb.4 hervor, die sich
auf einen Rochellesalzkristall beziehen, dessen Hauptfläche senkrecht zu der a-Achse
liegt, während die Länge einen Winkel von 45° mit der b- und c-Achse bildet. Die
Resonanzfrequenzen für die verschiedenen Schwingungsarten in 1--Hz/cm Länge sind
in Abhängigkeit des Verhältnisses r eingetragen. Die voll ausgezogene Kurve 23 zeigt
die Hauptschwingungsart, d. h. die Expansionsschwingung in der Richtung der Länge
L, während die voll ausgezogene Kurve 24 die Expansionsschwingung in der Richtung
der Breite w zeigt. Die gestrichelten Kurven 25, 26 und 27 entsprechen fremden Scherungsschwingungen,
von denen nur die Kurve 25 auf Grund ihrer Nähe zur Kurve 23 von Bedeutung ist.
Die Kurven 23 und 25 sind an den Punkten am weitesten voneinander entfernt, wo r
etwa o,4 beträgt; dieser Punkt bedeutet also das optimale Verhältnis in dieser Hinsicht.
Jedoch weisen die Werte von r zwischen etwa 0,35 und o,55 eine genügende
Trennung zwischen den beiden Kurven auf, um eine befriedigende Arbeitsweise des
Kristallelementes in Wellenfiltern zu sichern. Auch der Bereich zwischen 0,20 und
o,25 kann benutzt werden, aber in diesem Bereich besitzen die Elemente eine Impedanz,
,die in gewissen Fällen zu hoch ist. Die Bereiche direkt unter o,2o, direkt unter
0,30 und zwischen o,6o und o,7o, wo die anderen Kurven die Kurve 23 schneiden,
sollen möglichst vermieden werden. Auch der Bereich, in dem r größer als
0,7 ist, soll auf Grund der Nähe der Scherungskurven ebenfalls vermieden
werden.
-
Rochellesalzkristalle, deren Hauptflächen senkrecht zu der b-Achse
geschnitten. sind, besitzen auch ein Frequenzspektrum, wie in Abb. 4 dargestellt.
Wenn diese Art von Eleinenten - zur Verwendung kommt, soll auch hier das Verhältnis
r- in den gleichen Grenzen wie bei den, zuerst genannten Kristallen eingehalten
werden. Es ist ferner festgestellt worden, daß die Einhaltung des Bereiches von
r, nämlich von 0,35 hiss o,55, die größte Stabilität der Frequenz mit veränderlicher
"Temperatur gewährleistet, was ebenfalls ein (grund dafür ist, daß Kristallelemente,
deren Hauptflächen diese relativen Abmessungen aufweisen, benützt werden sollen.
-
Zum Schutz des Kristalles wird dieser in einem verhältnismäßig luftdichten
Behälter, wie beispielsweise 28 in der Abb.'S,' üritergebracht. In dem Behälter
befinden sich zwei Kristallelemente, deren Elektroden direkt auf den Flächen aufgetragen
sind, wie in der Abb. 2 dargestellt. Die Kristalle sind in einem Halter angeordnet,
der auf der einen Seite des Behälters mittels zweier Metallstäbe 3 i abgestützt
wird. Der Halter besteht aus drei Isolierteilen 32, 33 und 34, in denen vier Klemmenpaare,
beispielsweise 35 und 36, eingebettetsind, wobei jedes durch einen Metall -stift
37 fixiert ist. Die Kristallplatten 29 und 3o sind zwischen vier Klemmenpaaren angeordnet,
während die elektrischen Verbindungen mit den Elektroden über Leiter 38 gebildet
werden, deren eines Ende an dem Stift 37 festgelötet ist. Jeder Leiter führt durch
eine Bohrung des Behälters, von dem er mit Hilfe eines Abschlusses isoliert ist;
dieser Abschluß besteht aus einem sich erweiternden Metallzylinder 39, der teilweise
mit einer Glasperle 40, die um den Leiter herumliegt, ausgefüllt, ist. Der erweiterte
Teil des Zylinders 39 ist an der einen Wand des Behälters festgelötet, so daß eine
Verbindungsstelle, -die weder Luft noch Feuchtigkeit durchlädt, entsteht.
-
Um den Kristall weiter zu schützen, ist es erwünscht, daß die relative
Feuchtigkeit der den Kristall unigebenden Luft in gewissen Grenzen unter Kontrolle
steht, und zwar auch . dann, wenn Temperaturveränderungen auftreten. Dies geschieht
vorzugsweise dadurch,-daß eine kleinere Menge getrocl@neten und eine kleinere Menge
normalen Rochellesalzes in den Behälter eingeführt wird. Das Salz, das vorzugsweise
zerkleinert ist, ist in zwei getrennten Stoffbehältern 40 und 41 enthalten, die
mit Hilfe einer Schnur zwischen,den Stützen q.3 und 4:I aufgegangen sind. Es ist
festgestellt worden, daß etwa 16 ccm jeder Salzart ausreichend sind, um die Feuchtigkeit
von etwa 220 1 Luft innerhalb des abgeschlossenen Behälters zu steuern, wenn .der
Temperaturbereich nicht' allzu groll ist. Wenn die Temperaturänderungen nicht allzu
schnell oder zu groß sind, kann man die Feuchtigkeit verhältnismäßig konstant halten.
Wenn die Temperatur fällt und die relative Feuchtigkeit in dem Behälterdementsprechend
zunehmen würde, so wird die überschüssige Feuchtigkeit von dem getrockneten Salz
absorbiert. so daß wieder ein Gleichgewicht entsteht. Wenn andererseits die Temperatur
steigt, so daß die Feuchtigkeit dementsprechend' zum Abnehmen neigt, gibt Idas normale
Salz Feuchtigkeit ab, so daß wiedefuin Gleichgewicht herrscht.
-
Die Abb. 6 zeit zwei Rochellesalzeleinente .15 und 46 der Art, wie
in den Abb. 2 oder 3 gezeigt, die mit je zwei Elektrodenpaaren versehen sind. Diese
Elemente bilden die vier Impedanzzweige eines Kreuzgliedwellenfilters, dessen- Eingangsklemmen
mit 47 und .1.°8 und
dessen Ausgangsklemmen mit 49 und 5o bezeichnet
sind. Die Elektroden 5I und 52 des Kristalles 45 sind direkt zwischen den Klemmen
47 und 49 angeordnet und bilden einen Reihenimpedanzzweig, während das andere Elektrodenpaar
53 und 54 direkt zwischen den Klemmen 50 und 48 liegt und den zweiten Reihenzweig
bildet. Die beiden Elektrodenpaare des Elementes 46 bilden in ähnlicher Weise die
beiden Diagonalzweige. Das Filter wird durch Hinzufügung von zwei Reihenkapazitäten
Cl, zwei Parallelkapazitäten und vier Reiheninduktivitäten I i vervollständigt.
Die Komponenten der Reaktanzelemente können proportional sein, so daß das Filter
ein Durchlaßcharakteristikum mit einer oder mehreren Dämpfungsspitzen auf jeder
Seite des Bandes aufweist, wie in Abb. 7 dargestellt. Eis ist festgestellt worden,
daß :die Dämpfung in Iden Unterdrückungsbereichen dadurch erhöht werden kann, daß
eine induktive Kopplung zwischen jeder Induktivität an einem Ende des. Filters und
der entsprechenden Induktivität an dem anderen Ende benutzt wird.