DK145280B - Elektromekanisk filter - Google Patents

Description

(S' (19) DANMARK \ξ£/

|Ρ (12) FREMLÆGGELSESSKRIFT od 145280 B

DIREKTORATET FOR PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Ansøgning nr. 204/77 (51) |nt.CI.3 H 03 H 9/46 (22) Indleveringsdag 25- jan. 1977 (24) Løbedag 25· jan. 1977 (41) Aim. tilgængelig 27· aug. 1977 (44) Fremlagt 18. okt. 1982 (86) International ansøgning nr.

(86) International indleveringsdag (85) Videreførelsesdag - (62) Stamansøgning nr. -

(30) Prioritet 26. feb. 19 76, 260 7879, DE

(71) Ansøger SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, Berlin und Muenchen, 8 Muenchen 2, DE.

(72) Opfinder Friedrich Kuenetnund, DE.

(74) Fuldmægtig Internationalt Patent-Bureau.

(54) Elektromekanisk filter.

Opfindelsen angår et elektromekanisk filter med flere mad parallelle akser placerede stavforaigt tildannede mekaniske resonatorer, der ligger ved siden af hinanden i en plan og er koblet til hinanden ved hjælp af mindst én koblingstråd, og hvor der på indgangen og udgangen findes elektrostriktive transorresonatorer til omformning af henholdsvis elektrisk energi til mekanisk energi og mekanisk energi til elektrisk energi, og som endvidere omfatter mindst et yderligere koblingsele-Q ment således forbundet mellem to resonatorer, at der frembringes mindst én dæmp- -j ningspol.

q Som det er kendt har mekaniske filtre vist sig særligt egnede til frekvens's! selektion ved overførsel af elektriske informationssignaler, fordi der på grund ^ af den enkelte resonators høje godhed kan opnås en forholdsvis lille konstruktion, således at der derved opnås en væsentlig volumenbesparelse for det enkelte filter ^ i forhold til de tidligere anvendte såkaldte LC-filterkoblinger. Endvidere er det

S

2 145280 værd at nævne mekaniske resonatorers gunstigere temperaturforhold. Mekaniske resona-torer kan som bekendt udføre forskellige svingningsformer, og der anvendes ved de nutildags benyttede mekaniske filtre bl.a. længdesvingning, torsionssvingning og bøjningssvingning som nyttesvingning for den enkelte resonator, hvorved tilsvarende svingningsformer også kommer på tale for de mekaniske koblingselementer, og bestræbelsen ved fremstilling af et sådant mekanisk filter må i hovedsagen være rettet mod altid at udvælge passende og gunstige svingningsformer for resonatoreme og for koblingselementerne. En fordelagtig svingningsform for resonatoreme er bøjning s svingn ingen, eftersom resonansfrekvensen ved bøjningsresonatoren ikke blot afhænger af dennes længde men også af det i svingningsretningen virkende fladeinerti-moment. Fladeinertimomentet er imidlertid bestemt af tværsnitsformen, således at man derfor ved bøjningsresonatoren foruden længden også kan inddrage tværsnittet til indstillingen af resonansfrekvensen. En fordelagtig kobling af sådanne bøjningsre-sonatorer er da længdekoblingen, eftersom de ved et kun ringe tværsnit af koblingstrådene giver en forholdsvis fast kobling, således at der derved også kan realiseres sådanne filtre, til hvis anvendelsesformål der kræves en forholdsvis stor båndbredde, altså båndbredder, som optræder indenfor området bærefrekvensoverføringsteknik. På grund af længdekoblerens ringe tværsnit er sådanne filtre envidere lidet tilbøjelige til såkaldte bisvingninger, d.v.s. uønskede egensvingninger i det samlede filtersystem, da disse bisvingninger kun opnår en ringe kobling mellem de enkelte resonatorer.

Mekaniske filtre af den ovenfor omtalte art er f.eks. kendt fra tysk patentskrift 15 4l 975, og er beskrevet der i enkeltheder. I dette patentskrift er der også allerede beskrevet et yderligere, ved mekaniske filtre optrædende problem, nemlig opnåelsen af dæmpningspoler i filterets overføringskarakteristik. Ved indførelse af dæmpningspoler kan der som bekendt opnås en større stejlhed af dæmpningskarakteristikken i ethvert ønsket frekvenspunkt, hvorved der som regel er mulighed for at spare filterresonatorer, hvilket er særlig ønskværdigt, når der for det enkelte filter kræves endnu mindre rumforbrug. Herudover kan man ved anvendelse af et mindre resonatortal ligeledes reducere gruppeløbetiden i gennemgangsområdet.

Ved den i det ovennævnte tyske patentskrift 15 41 975 angivne løsning til opnåelse af dæmpningspoler anvendes i det mindste et yderligere koblingselement, der yderligere forbinder resonatorer med hinanden, som er umiddelbart indbyrdes nærliggende i deres elektriske virkemåde. Sådanne yderligere koblingselementers fysiske funktion er , at der på i overføringsretningen efterfølgende resonatorer opnås en signaludslukning ved en ganske bestemt frekvens. Denne frekvens betegnes da en polfrekvens. Ved den kendte indretning findes der til opnåelse af denne virkemåde et yderligere koblingselement, som er skråtført i forhold til hovedkobleren, d.v.s. til den båndbredden bestemmende kobler, for derved at forbinde i modfase svingende afsnit af de ved hjælp af det yderligere koblingselement koblede 3 U5280 resonatorer med hinanden. Sådanne skråtførte koblingselementer er ved den praktiske realisering vanskelige at håndhæve i hovedsagen af to grunde. I dette yderligere koblingselement virker der nemlig yderligere bøjningskomposanter, der fører til dæmpningsforvrængning, da længdesvingningen anvendes som nyttesvingning også for det skråt anbragte yderligere koblingselement. Endvidere skal koblingselementet være fastgjort på sådanne steder, hvor resonatorens bøjningsamplitude allerede ændrer sig stærkt i afhængighed af lejringsstedet, hvorfor placeringen er forholdsvis tolerancefølsom, især i det tilfælde, hvor der ved en teknisk massefabrikation automatisk skal fremstilles et stort antal sådanne filtre, hvis egenskaber i videst muligt omfang er indbyrdes ens.

Det er hensigten med opfindelsen at angive opbygningen af sådanne mekaniske filtre, i hvilke der under hensyntagen til de i indledningen nævnte fordringer kan opnås dæmpningspoler i fi Itericarakteristikken under anvendelse af et eller flere yderligere koblingselementer og samtidig skaffes mulighed for at føre den eller de yderligere koblingselementer parallelt med filterlængdeaksen.

Med udgangspunkt i et elektromekanisk filter med flere med parallelle akser placerede stavformigt tildannede mekaniske resonatorer, der ligger ved siden af hinanden i en plan og er koblet til hinanden ved hjælp af mindst én koblingstråd, og hvor der på indgangen og udgangen findes elektrostriktive transorresonatorer til omformning af henholdsvis elektrisk energi til mekanisk energi og mekanisk energi til elektrisk energi, og som endvidere omfatter mindst et yderligere koblingselement således forbundet mellem to resonatorer, at der frembringes mindst, én daentp-ningspol, opnås dette ifølge opfindelsen ved, at det i hovedsagen bøjningsresonar torer indeholdende filter yderligere indeholder mindst én torsionsresonator, hvorpå i det mindste et af de yderligere koblingselementer virker.

Yderligere fordelagtige udførelsesformer er angivet i underkravene.

Opfindelsen beskrives nærmere i det følgende ved hjælp af udførelsesekserap-ler under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser et udførelseseksempel på mekaniske bøjningsresonatorer med en torsionsresonator med brilleformet længdesnit, der i resonatorens midterområde her en tværsnitsforsnævring, fig. 2 et til fig. 1 svarende udførelseseksempel med den forskel, at tor-sionsresonatoren har to tværsnitsforsnævringer, og fig. 3 det med de mekaniske filtre i fig. 1 og 2 samhørende elektriske æk-vivalentdiagram.

I udførelseseksemplet ifølge fig. 1 er et mekanisk filter opbygget af syv resonatorer, af hvilke resonatoreme 1 til 3 og 5 til 7 udfører en bøjningssvingning som nyttesvingning. Svingningsretningen i et bestemt øjeblik er vist ved pile 13. Som midterresonator 4 er der anvendt en torsionsresonator, hvis svingningsretning i det samme øjeblik er angivet ved halvcirkelformede pile 13'. De 4 145280 enkelte bøjningsresonatorer er fastgjort til en grundplade 11 ved hjælp af holdeelementer 12, der angriber i deres svingningsknudepunkter. Ved enderesonatorerne 1 og 7 er der anbragt små elektrostriktive keramikplader henholdsvis 1' og 7', hvis statiske kapacitet i det elektriske ækvivalentdiagram i fig. 3 er vist som selvinduktioner henholdsvis lr og 7', eftersom der ved opbygningen af det elektriske ækvivalentdiagram er anvendt den såkaldte kraft-strømanalogi. Som det videre fremgår af fig. 1, er bøjningsresonatorerne forsynet med en affladning, og de indre resonatorer er således indrettet, at denne affladning forløber parallelt med filter-grundpladen 11, medens affladningen forløber vinkelret på filtergrundpladen på enderesonatorerne 1 og 7. De enkelte resonatorer selv består af et metallisk materiale og er forbundet med grundpladen 11 ved hjælp af holderben af metal, hvorfor grundpladen 11 samtidig udgør et elektrisk referencepotential for filtret. Til- og fraførsel af den elektriske signalenergi sker her på kendt måde ved hjælp af en på en af de små elektrostriktive plader henholdsvis 1' og 7' anbragt tynd metallisering, hvortil tilslutningstråden er ført direkte.

Sammenkoblingen af de enkelte resonatorer sker ved hjælp af en gennemgående koblingstråd 8, der selv udfører længdesvingninger og hvad angår længde og tværsnit skal være således dimensioneret, at den for filtret krævede båndbredde kan opnås. Den gennemgående koblingstråd 8 er endvidere forbundet med hver af resona-torerne ved hjælp af en egnet mekanisk forbindelse, såsom ved punktsvejsning.

Til opnåelse af dæmpningspoler findes der yderligere koblingselementer 9 og lo, af hvilke koblingselementet 9 er forbundet med resonatoren 1 og resonatoren 4, medens det yderligere koblingselement lo er forbundet med resonatoren -4 og resonatoren 7.

I udførelseseksemplet er torsionsresonatoren 4 af overskuelighedshensyn udformet som en resonator med cirkelrundt tværsnit. I givet fald er det dog hensigtsmæssigt at forsyne også torsionsresonatoren med yderligere affladninger, eftersom der herved kan opnås en veldefineret forbindelse med koblingselementerne 8 til lo, og derudover er det endvidere muligt også at lejre torsionsresonatoren 4, der i udførelseseksemplet udelukkende er fastholdt ved hjælp af koblingselementerne 8, 9 og lo, ved hjælp af yderligere i svingningsknuderne angribende holdeelementer.

Fig. 1 viser umiddelbart et fordelagtigt udførelseseksempel, eftersom torsionsresonatoren 4 er udformet som en brilleresonator og eksempelvis i midterområdet har en tværsnitsforsnævring. På grund af de for bøjningsresonatorerne og de for torsionsresonatoren gældende forskellige fysiske regler ville der ellers i almindelighed for torsionsresonatoren 4 forekomme en i forhold til bøjningsresona-toreme 1 til 3 og 5 til 7 større længde, eftersom det jo også for torsionsresonatoren kræves, at egenresonansen ligger i filtrets gennemgangsområde.

Det i fig. 2 viste mekaniske filter er virkningsmæssigt helt lig med det i

Claims (2)

1. 5 145280 fig. 1 viste filter, hvorfor tilsvarende dele er angivet med samme henvisningsbetegnelser som i fig. 1. Den eneste forskel i den mekaniske udførelsesform ligger i, at torsionsresonatoren 4 ved filtret ifølge fig. 2 har to tværsnitsforsnævringer, hvorfor torsionsresonatoren 4 kan have samme tværsnitsdimensioner som bøj-ningsresonatoreme 1 til 3 og 5 til 7 i resonatorens midterområde, hvorved det samtidigt bliver muligt at fastgøre alle koblingselementer 8 til lo i re-sonatormidterområdet på de enkelte resonatorer. Af fig. 2 fremgår dette umiddelbart, eftersom de yderligere koblingselementer 9 og lo her er ført på oversiden af de enkelte resonatorer, og det båndbredden bestemmende koblingselement 8 er fastgjort på den modsat liggende resonatorside. Karakteristisk for udførelseseksemplerne ifølge fig. 1 og 2 er det også, at der til den til frembringelse af dæmpningspoler krævede fasedrejning på 18o° er anvendt en ^/2- eller Λ-torsions-brille resonator. Derved udnyttes det, at bevægelserne såvel på en frembringer til begge sider af svingningsknudepunkteme (fig. 1) som på de modstående steder på samme resonatortværsnit (fig. 2) forløber 1 modsat retning, altså har en faseforskel på 18o°. Eksemplerne ifølge fig. 1 og 2 kan betegnes som særligt fordelagtige, da der ved hjælp af kun en torsionsreso-nator og kun en yderligere koblingstråd kan opnås samlet allerede fir§ dæmpnings-poler, af hvilke to ligger under og to over filtergennemgangsområdet. I det elektriske ækvivalentdiagram ifølge fig. 3 er elementer med samme virkning angivet med samme henvisningsnumre som i fig. 1 og 2, således at resonatorer-ne ved den til frembringelse af ækvivalentdiagrammet valgte såkaldte kraft-strøm-analogi optræder som parallelresonanskredse i tværgrenene i en afgreningskobling, og koblingstråden som selvinduktioner i de mellemliggende længdegrene. Den tidligere omtalte fasevending for de yderligere koblingselementer 9 og lo i forbindelse med torsionsresonatoren 4 frembringes ved hjælp af to transformere med omsætningsforholdet 1: -1, der er tilsluttet parallelresonanskredsen 4. De ligeledes som selvinduktioner indførte yderligere: koblingselementer 9 og lo ligger tilsvarende forbundet til parallelresonanskredsene 1 og 7 i ækvivalentdiagramraet.
2. 1. Elektromekanisk filter med flere med parallelle akser placerede, stav-formigt tildannede mekaniske resonatorer, der ligger ved siden af hinanden i en plan og er koblet til hinanden ved hjælp af mindst én koblingstråd, og hvor der på indgangen og udgangen findes elektrostriktive transorresonatorer til omformning af henholdsvis elektrisk energi til mekanisk energi og mekanisk energi til elektrisk energi, og som endvidere omfatter mindst et yderligere koblingselement