NO121919B - - Google Patents

Description

Elektrisk bolgefilter.

Denne oppfinnelse angår elektriske båndsperrefiltere.

For eksempel ved bredbånds flerkanals sambandssystemer som brukes også for overføring av et televisjonsbånd, unå dei* anvendes passende venderanordninger som kan skifte fra flerkanals-terminalutsityret til televisj onsbånd-terminalutstyret.

For styring av et flerkanalsystem sen-des1 der vanligvis én eller flere bestemte styrefrekvenser, og det er ofte nødvendig å innbefatte filtere i vendeiranordningene for å sperre styrefrekvensene uten derved samtidig å blokkere en vesentlig del av systemets passbånd.

fremstilling av et filter med et ekstremt smalt sperrebånd nødvendiggjør an-vendelse av piezoelektriske krystaller, men når et slikt filter konstrueres på konven-sjonell måte, oppstår vanskeligheter på grunn av krystaUelementets uønskede resonanser, hvorav noen kan ligge temmelig nær hovedresonansen og kan forårsake uønskede sperrebånd i tillegg.

Hovedhensikten med denne 'oppfinnelse er å overvinne disse vanskeligheter og til-veiebringe en forholdsvis billig anordning, men oppfinnelsens grunnleggende idé kan også anvendes ved filtre for frekvensområ-der hvor bruk av piezo-elektriske krystaller er umulig, og hvor der i stedet anvendes en elektromekanisk innretning med utpreget resonans.

Den ovennevnte hensikt oppnås i henhold til oppfinnelsen med et elektrisk båndsperrefilter omfattende en båndpass filterseksjon og en båndsperre filterseksjon slik sammenkoblet at der dannes et nettverk uten vesentlig dempning ved noen frekvens, med filterelementene bestående av selvinduksjoner og kapasiteter, og en elektromekanisk innretning med utpreget resonans for en gitt frekvens beliggende in-nen passbåndet i båndpass filterseksjonen, idet nevnte innretning er således innkoblet i nevnte båndpass filterseksjon at der dannes et smalt sperrebånd i dempnings-karafcteristiikken for nevnte båndpass filterseksjon.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet under

henvisning til vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 viser et blokkskjema av et filter-nettverk. Fig. 2 viser dempningskarakteristikken

for filteret.

Fig. 3 og 4 viser detaljer av henholdsvis båndpass og båndsperre filterseksjonene av filteret på fig. 1. Fig. 5 viser dempningskarakteristik-kene for filtrene på fig. 3 og 4. Fig. 6 gir formler for beregning av verdiene av elementene på fig. 3 og 4. Fig. 7 viser fig. 3 modifisert i overensstemmelse med oppfinnelsen. Fig. 8 viser en ekvivalent krets for et

piezo-elektrisk krystall.

Fig. 9 viser en modifikasjon av fig. 3. Fig. 10 viser en ekvivalent krets for en

del av fig. 9.

Fig. 11 viser en fullstendig ekvivalent

krets for fig. 9.

Fig. 12 viser en modifikasjon av en del av fig. 11 i overensstemmelse med oppfinnelsen. Fig. 13 gir komponentverdiene for elementene i kretsene på fig. 4, 11 og 12 for et spesielt tilfelle. Fig. 14 viser en modifikasjon av deler av fig. 7 eller 12. Fig. 1 viser et vanlig filter hvor inn-gangsklemmene 1 og 2 er koblet til u.t-gangsklemmene 3 og 4 via et båndpassfil-ter 5 og et dermed parallellkoblet båndsperrefilter 6. Filtrene 5 og 6 kan begge være balanserte eller begge ubalanserte. I siste tilfelle -kan det antas at klemmene 2 og 4 er jordforbundet. Hvis midtfrekvensen av passbåndet for filter 5 faller sammen med imidtfrekvensen av sperrebandet for filter 6, og hvis båndbreddene er like, vil nettverket oppføre seg vesentlig som, et full-pass nettverk, dvs. at ingen vesentlig dempning forekommer for noen frekvens. Det er vel kjent at filtrene 5 og 6 kan konstrueres slik at speilimpedansen for nettverket i fig. 1 er en i det alt vesentlige kon-stant motstand R ved alle frekvenser.

Det antas at filtrene 5 og 6 er bygd av alminnelige elementer bestående av spoler og kondensatorer. Diagrammene A og B på fig. 2 viser de ideelle dempningskarakteri-stitoker for filtrene 5 og 6. Midtfrekvensen er F for begge bånd og b er båndbredden. I henhold til oppfinnelsen er et piezo-elektrisk krystall, eller en annen elektromekanisk innretning med utpreget resonans, hvis hovedresonansfrekvens faller i passbåndet for filteret 5, innkoblet i den hensikt helt eller delvis å erstatte ett av elementene i båndpassfilteret 5, på en slik måte at der dannes en spiss dempningstopp. Denne topp er vist prikket ved 7 på diagram A.

Krystallet vil vanligvis ha flere andre resonanser, hvorav noen kan inntreffe nok-så nær hovedresonansfrekvensen. De nær-meste topper på dempningskurven er vist prikket ved 8 og 9 på diagram A. I henhold til oppfinnelsen er båndbredden b for båndsperrefilteret 6 (fig. 1) valgt slik at toppene 8 og 9 på frekvenskarakteristikken faller utenfor sperrebandet som er vist på diagram B. Dermed er det klart at disse resonanser er uten innflytelse da bølger med frekvenser hvor de uønskede resonanser inntreffer slipper gjennom båndsperrefilteret uten vesentlig dempning. Den eneste effektive dempningstopp i båndpassfilteret 5 er toppen 7 som inntreffer ved en frekvens beliggende i sperrebandet for båndsperrefilteret 6. Ved hovedresonainsfrekven-sen blir bølgene dermed vesentlig svekket av begge filtre.

Eksempelvis viser figurene 3 og 4 detaljer av kretsene i filtrene 5 henholdsvis 6, på fig. 1. Man vil forstå at filtrene kan anta andre velkjente former. Båndpassfilteret, fig. 3, vil bli modifisert i hieinhold til oppfinnelsen, slik det vil bli forklart senere. Begge filtre er ubalanserte.

Båndpassfilteret, fig. 3, er et T-nettverk med to like grener omfattende selvinduksj onsspoler 10 og 11, seriekoblet med kondensatorer, henholdsvis 12 og 13. Parallell-grenen omfatter en selvinduksj ons-spole 14 parallellkoblet med en kondensator 15.

Båndsperrefilteret, fig. 4, er også et T-osttverk med to like seriegrener omfattende selvinduksj omsspolene 16 og 17, parallellkoblet med kondensatorene 18 henholdsvis 19. Parallellgrenen består av to forskjellig avstemte serieresoinanskretser som er parallellkoblet, omfattende selvinduksj ons-spolene 20 og 21, som er seriekoblet med kondensatorene 22 og 23.

Dempningskarakteristikken for båndpassfilteret, fig. 3, er vist ved kurven 24, fig. 5, og for båndsperrefilteret ved kurven 25. De to kurver skjærer hverandre ved frekvensene Bl og B2 hvor dempningen er 3 desibel, og båndbredden er dermed b = B2—Bl. Båndsperrefilteret har tre demp-ningsmaksima ved frekvensene Pl, F og P2. Verdiene av komponentene på figurene 3 og 4 bestemmes ut fra den, alminnelige teori når frekvensene Bl, B2, Pl, P2 og F er gitt.

Formlene for beregning av komponent-verdieme på flg. 3 og 4 fremgår av fig. 6, og trenger ingen nærmere forklaring.

En utførelse av oppfinnelsen er en modifisert form av båndpassfilteret, fig. 3, som, er vist på fig. 7. Kondensatoren 15 er utskiftet méd en kondensator 26 med lavere verdi, parallellkoblet en piezo-elektrisk krystall 27. I første tilnærmelse er krystallet ekvivalent med den krets som er vist på fig. 8, som omfatter en selvinduksj ons-spole 28 seriekoblet en kondensator 29, det hele parallellkoblet en annen kondensator 30. Krystallet skal velges slik at summen av kapasiteten av kondensatorene 26 og 30 er lik kapasiteten av kondensatoren 15 på fig. 3, slik som denne bestemmes av forme-len på fig. 6. Resonanisfrekvensen, for komponentene 28 og 29 skal ligge i sperrebandet for båndsperrefilteret, og skal for-trinnsvis, skjønt ikke nødvendigvis, være lik én av frekvensene Pl eller P2 for mak-simal dempning. Det sees at ved resonans kortslutter komponentene 28 og 29 effek-tivt parallellgrenen av båndpassfilteret, og derved fremkommer dempningstoppen 7

(fig. 2),. Som allerede forklart, kan også

andre uønskede dempningstopper, som 8 og 9, være tilstede, men dersom grensefre-kvensene Bl og B2 (fig. 5 og 6) er valgt slik at alene toppen 7 inntreffer mellom

disse- frekvenser, vil alle uønskede topper inntreffe ved frekvenser beliggende utenfor sperrebandet for båndsperrefilteret og derfor være uten virkning.

Betraktning av kurvene 24 og 25 på fig. 5 viser at dempningen for det fullstendige nettverk, fig. 1, vil være ubetydelig ved alle frekvenser (da frekvenser som blokke-res av ett filter formidles gjennom det andre) unntatt for en utpreget dempningstopp i båndpassfilterets karakteristikk, frembragt av det piezo-elektriske krystall 27 (fig. 7). Derved virker kombinasjonen på fig. 1 sammen med krystallet 27 som et båndsperrefilter med ett ekstremt, smalt sperrebånd.

Smalhieten av toppen 7 avhenger av valget av passende forhold mellom filterets speilimpedans R og impedansen av krystallet 27. Da piezo-elektriske krystaller som regel har temmelig høy impedans (dvs. den ekvivalente spole 28, fig. 8, har stor induk-tans), kan det være vanskelig å oppnå et tilstrekkelig smalt sperrebånd. Denne van-skelighet kan overvinnes, ifølge et annet særtrekk ved oppfinnelsen, ved innføring av en passende impedanstransformasjon i båndpassfilteret slik at filterimpedansen over krystallet økes.

Fig. 9 viser filterét på fig. 3 etter inn-føring av to ideelle transformatorer 31, 32 mellom parallell-grenen og den ene henholdsvis andre seriegren. Transformatoren 31 bevirker en opptransformering av impedansen i forholdet l:k- og transformatoren 32 bevirker en nedtransformering av impedansen i forholdet 7c<2>:1, som antydet på fig. 9. Parallell-grenen omfatter en selvinduksj onsspole 33 og en kondensator 34 med impedanser som for komponentene 14 og 15 multiplisert med k<2>, sam antydet på fig. 9. Filterets karakteristikker forblir uforandret ved innføring av de Ideelle trans f ormat or er.

Overensstemmende med alminnelig nettverksteori er det velkjent at komponentene 12 og 31 er nøyaktig ekvivalent med det nettverk som omfatter tre kondensatorer 35, 36 og 37 på fig. 10, hvor også kapasitetsverdiene er angitt. Elementene 11, 13 og 32 ekvivalerer speilimpedansein fig. 10. Man vil se at siden k er større enn 1, er kapasiteten av kondensatoren 37 nega-tiv, men denne kondensator står parallelt med kondensatoren 34, og den negative verdi oppnås i virkeligheten ved en passende reduksjon av kapasiteten av 34.

Fig. 9 er følgelig ekvivalent med fig. 11, hvor kondensatorene 38 og 39 er lik kondensatorene 35 henholdsvis 36, og kapasiteten av kondensatoren 40 er lik kapasi-

teten av 34 (fig. 9); pluss det dobbelte av kapasiteten av 37 (fig. 7) hvilken er nega-tiv, som allerede nevnt.

Hvis i henhold til oppfinnelsen et piezo-elektrisk krystall 27 kobles over parallell-grenen, som vist på fig. 12, må kapasiteten av kondensatoren 41 pluss kapasiteten av kondensatoren 30 (fig. 8) være lik kapasiteten av kondensatoren 40 (fig. 11).

Det er innlysende at den maksimale verdi av k , som kan brukes er den hvorved kapasiteten av kondensatoren 41 blir redu-sert til akkurat null.

Det må nevnes at selvom ett enkelt piezo-elektrisk krystall er vist på figurene 7 og 12, kan en gruppe av et vilkårlig an-tall slike krystaller med samme resonans1-frekvens, alle parallellkoblet, brukes istedenfor et enkelt krystall. Gruppen av krystaller er ekvivalent med ett enkelt krystall med meget lavere impedans, hvilket muliggjør anvendelsen av en lavere verdi på k, eller gjør en impedanstransformasjon unødvendig.

I et spesielt tilfelle krevdes et båndsperrefilter med 75 ohms speilimpedans, og et smalt sperrebånd med midtfrekvensen på 308 Kc/s. Båndpassfilteret ble konstruert i henhold til figurene 11 og 12, i hvilket komponenten 27 besto av seks like parallellkoblede piezo-elektriske krystaller, alle med resonansfrekvens ved 308 Kc/s. De valgte verdier for de forskjellige filterkom-ponenter i dette spesielle tilfelle er angitt på fig. 13.

Når det piezo-elektriske krystall har uønskede resonansfrekvenser beliggende svært nær hovedresonansfrekvensen, kan det være umulig å velge båndbredden b tilstrekkelig liten til å utelukke alle uøns-kede dempningstopper. For det tilfelle kan krystallet 27 utskiftes med to krystaller 42, 43 koblet i serie, som vist på fig. 14, når krystallene shuntes med motstander 44 henholdsvis 45. Disse krystaller må ha halv-parten av krystallet 27's Impedans, og med hovedresonansen ved samme frekvens. De må også konstrueres eller velges således at de uønskede resonansfrekvenser ikke er nøyaktig de samme. Det er sannsynlig at denne betingelse fylles uten at det skulle være nødvendig å ta særlige forholdsregler. Motstandene 44 og 45 må velges slik at de hver for seg er lik impedansen av det til-svarende krystalls ekvivalente parallellkon-densator 30 (fig. 8) ved hovedresonansfrekvensen. For dette tilfelle kan det vises at iimpedansene for de to krystaller sammen ikke vil synke under R/2 ved de uønskede frekvenser, hvorved ingen vesentlig dempningstopper kan oppstå. Båndbredden b kan derved velges slik at virkningen av re-sonansen lenger unna hovedresonansfrekvensen undertrykkes.

Man vil forstå at oppfinnelsen drar

fordel av den utpregede resonans som en

elektro-mekanisk innretning frembyr. For

eksempel kan samme resultater oppnås

ved meget lavere frekvenser, der piezo-elektriske krystaller er uanvendelige, ved

bruk av en innretning som utnytter den

mekaniske resonans i en metalistav, såsom

em magnetostriksjon eller elektromagnetisk

resonator, istedenfor det piezo-elektriske

krystall.

Claims (7)

1. Elektrisk båndsperref ilter med smalt

sperrebånd, karakterisert ved at det omfatter en båndpassfilterseksjon, hvori er innkoblet en elektromekanisk reso-nansinnretnlng med utpreget resonans ved en frekvens som ligger innenfor passtoån-det, slik at det dannes et smalt sperrebånd i dempningskarakteristikken for båndpassfilterseksjonen og en båndsperref iltersek-sjon hvis sperrebånd har en slik bredde og beliggenhet at eventuelle uønskede resonansfrekvenser for den elektromekaniske resonansinnretning ligger utenfor sperrebandet.

2. Filter i henhold til påstand 1, ka- rakterisert ved at den elektrome kaniske resonansinnretning er shuntet med en parallellgren av båndpassfilterseksjonen.

3. Filter i henhold1 til påstand 2, karakterisert ved at båndpassfilterseksjonen er konstruert slik at der i denne tilveiebringes en impedanstransformasjon hvorved impedansen av filternettverket, sett fra den elektromekaniske resonansinnretning, økes.

4. Filter i henhold til en av påstandene 1—3, karakterisert ved at den nevnte elektromekaniske resonansinnretning inneholder et piezo-elektrisk krystall.

5. Filter i henhold til en av påstandene 1—3, karakterisert ved at den elektromekaniske resonansinnretning inneholder flere piezo-elektriske krystaller.

6. Filter i henhold til påstand 5, karakterisert ved at alle krystallene er koblet parallelt.

7. Filter i henhold til påstand 5, karakterisert ved at krystallene er koblet i serie og åt hvert krystall er shuntet med en motstand.