NO143687B - Filter for elektriske svingninger. - Google Patents

Description

Ved filtre som anvendes innen elektrisk sambandsteknikk, opptrer ofte det problem at overgangen fra et gjennomslipningsområde til et sperreområde i dempningskarakteristikken skal forløpe mest mulig bratt, eller at der i bestemte deler av sperreområdene kreves ekstremt sterke sperredempninger. Disse krav blir ved elektriske filtre oppfylt ved at man i filterkoblingen anordner ekstra resonanskretser som forårsaker dempningspoler ved de ønskede frekvenser. Man hjelper seg også delvis ved at man ved hjelp av såkalt overkobling ved vedkommende frekvenser sperrer overføringen ved kompensasjon. Begge metoder er kjent ikke bare ved elektriske filtre med konsentriske elektriske koblingselementer som spole og kondensator, men også ved de såkalte elektromekaniske filtre. Dannelsen av dempningspoler ved hjelp av overkobling krever i den forbindelse, hvis det dreier seg om flere dempningspoler, en relativt stor påkostning, fordi den nødvendigvis medfører vanskeligheter med hensyn til de toleranser som må overholdes ved produksjonen. Dessuten kan der i tilfellet av flere overkoblinger også opptre forstyrrende biresonanser. For dannelsen av dempningspoler har man derfor ved elektromekaniske filtre også allerede koblet ekstra resonatorer til inngangen og utgangen på det egentlige filteravsnitt, noe som f.eks. fremgår av britisk patentskrift nr. 9 59 39 3

og det i den forbindelse offentliggjorte arbeide i "Proceedings",

11. Annual Symposium on Frequency Control, 7.-9. mai 1957, side 535-555, fremfor alt fig. 4 på side 547, tillike med tilhørende tekst på side 537.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave ved et elektromekanisk filter likeledes ved hjelp av ekstra resonatorer å frembringe dempningspoler som ligger utenfor det egentlige filteravsnitt Samtidig vil man imidlertid avhjelpe de vanskeligheter som opptrer

ved den anordning som er beskrevet i det britiske patentskrift og

i den nevnte artikkel og består i at dempningspolene ikke kan

velges fritt med hensyn til frekvens, og at vedkommende mekaniske resonatorer dessuten i vesentlig grad influerer på kvaliteten av koblingen til de mekaniske resonatorer ved filterinngangen, resp.

-utgangen, og på avstemmingen av disse resonatorer.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på løsning av den nevnte oppgave ved et elektromekanisk filter bestående av stavformede bøye- eller torsjons-resonatorer som er innbyrdes koblet via minst én gjennomgående koblingstråd og er anordnet ved siden av hverandre med parallelle akser i et plan, og til hvis montering der tjener fra koblingstråden adskilte holdestaver som angriper på hver sin enkelt-resonator og er forankret i en grunnplate som bærer det samlede elektromekaniske filtersystem, samt hvor ennyidere enderesonatorene er forsynt med elektromekaniske omformere. Slike filtre tilhører den tidligere kjente teknikk som er representert ved østerriksk patentskrift 285 681 resp. DE-OS 2 145 716 og 2 205 394 når det samtidig tas hensyn til at det fra tysk patentskrift 20 37 209 er kjent å realisere filtre med torsjonsresonatorer som er anordnet med innbyrdes parallelle akser og koblet innbyrdes via langskoblere. For løsning av den ovennevnte oppgave går oppfinnelsen i første rekke ut på at det gjennomgående koblingselement ved et filter som angitt, er ført ut forbi enderesonatorene og forbundet med minst én ytterligere stavformig utført bøye- eller torsjonsresonator som ligger med parallelle akser i samme plan som de øvrige filterresonatorer og er forbundet med grunnplaten via holdestaver som er uavhengige av koblingstråden.

Det kan i den forbindelse for fullstendighets skyld nevnes at det fra DE-AS 1 219 139 i og for seg er kjent å an-ordne ekstra resonatorer som er festet på omformer-resonatorene på den ene side som vender bort fra det egentlige filtersystem. Imidlertid dreier det seg der om et helt annet filtersystem, hvor de enkelte resonatorer er sammenkoblet innbyrdes ved sine respektive ender via sentrisk anordnede koblingselementer, så publikasjonen ikke kan gi noen ansporing til den foreliggende oppfinnelse, så meget mindre som det ikke er mulig å la et gjennomgående koblingselement strekke seg ut forbi en resonator.

Ved et elektromekanisk filter i henhold til oppfinnelsen er det gunstig om holdestavene angriper på de enkelte resonatorer på samme måte, og det fortrinnsvis i området for de nøytrale soner av de enkelte resonatorer.

Når det gjelder resonatorene, er det å anbefale å anvende et stavmateriale med sirkelrundt tverrsnitt og med samme diameter for alle. Samtidig bør sirkeltverrsnittet av i det minste de mekaniske svingeelementer som tjener som rene resonatorer, for-synes med en avflatning som tjener som anlegg og monteringssted for - den i det minste ene - koblingstråden. En slik avflatning er også å anbefale for resonatorer som er komplettert til energiomformere, idet avflatningen tjener som anleggs- resp. monterings-flate for det elektrostriktive materiale som kompletterer resonatoren, og er orientert loddrett på det ved resonatorene bestemte plan på en slik måte at den - i det minste ene - på resonatoren festede koblingstråd blir ansporet til langs-svingninger. For befestigelsen av - den i det minste ene - koblingstråden blir hensiktsmessig energiomformerens resonator forsynt med en ytterligere avflatning som ligger parallelt med det plan som er fastlagt ved de enkelte resonatorer, og også innbefatter koblingstråden. For energiomformerne er det å anbefale også å tilordne hver av dem en spole som sammen med omformerkapasiteten danner en resonanskrets hvis båndbredde er vesentlig større, f.eks. 2-5 ganger større, enn bredden av gjennomslipningsområdet for det elektromekaniske filters mekaniske filterdel.

Takket være den utformning av elektromekaniske filtre som oppfinnelsen gir anvisning på, blir det mulig på enkel måte å holde filterets grunn-gangtid mellom den elektriske inngang og den elektriske utgang kort til tross for stor'flankesteilhet og sperre-dempning. Fremfor alt ved anvendelsen som kanalfilter i et bære-frekvensanlegg med forhåndsmodulasjon bør der mellom filterets elektriske inngang og elektriske utgang, altså mellom omformerne, bare anordnes så mange resonatorer i kjedekoblingen at grunn-gang-tiden for de signaler som skal slippes igjennom, blir liggende i størrelsesorden 0,8 ms og mindre. Ved en båndbredde av gjennomslipningsområdet mellom 3 og 4 kHz, et frekvensleie ved 50 kHz og bøyekrystaller som resonatorer med langs-kobling av disse er det for å overholde denne spesielle dimensjoneringsforskrift tilstrek-kelig om 8-10 resonatorer - omformerne innbefattet - ligger i gjennomgangsdelen og en og en resonator beliggende utenfor gjennomgangsdelen er anordnet for å frembringe dempningspoler henholdsvis nedenfor og ovenfor gjennomslipningsområdet. Ved 8 resonatorer er det å anbefale ved hjelp av de to ekstra resonatorer å fremtvinge to dempningspoler i det sperreområde som med hensyn til frekvens ligger nedenfor gjennomslipningsområdet, og ved hjelp av minst én... overkobling som shunter en resonator i den nevnte gjennomgangsdel,

å fremtvinge en dempningspol i det sperreområde som med hensyn til frekvens ligger ovenfor gjennomslipningsområdet. For de resonatorer som ligger utenfor gjennomgangsdelen, resp. kjedeavsnittet, er det dessuten i mange tilfeller gunstig å benytte et system med flere resonanser, hvorved der kan oppnås flere dempningspoler.

I det følgende vil oppfinnelsen bli belyst nærmere ved et utførelseseksempel. Som eksempel skal det antas at der med et filter i henhold til oppfinnelsen skal realiseres et dempningsforløp som vist på fig. 1. Her er som abscisse oppført de elektriske signalers frekvens i kHz, og som ordinat gjennomgangsdempningen, resp. driftsdempningen a„ i desibel. Ved skravering har man antydet de krav som betinges av et bærefrekvenssystem hvor slike filtre finner anvendelse som kanalfiltre i forhåndsmodulasjonsdelen. I tillegg stilles der krav om en grunn-gangtid på mindre enn 0,8 ms i gjennomslipningsområdet.

Som fig. 2 viser, omfatter filteret 10 stavformede resonatorer R1-R10 som skal drives i bøyesvingeform. Hver av resonatorene er montert i en filterbunnplate, resp. filterbunn G, via relativt stive metalliske holdestaver S som angriper i dens to svingningsknuter. Det skjer på den måte at holdestavene, som er festet på de enkelte resonatorer ved sveising, er klebet, støpt eller loddet inn i sporet i filterbunnen. Hensiktsmessig består filterbunnen av et passende blikk eller kunststoff, som f.eks. en plast som markeds-føres under navnet "Makrolon". De enkelte resonatorer er forbundet innbyrdes av en koblingstråd LK som angriper i deres midtpunkt og virker som langs-kobler, og som har konstant tverrsnitt over hele sin lengde. Koblingstråden LK er fast forankret til de enkelte filter-resonatorer ved sveising. I den forbindelse er det av betydning at de resonatorer som ikke er utført som energiomformere, har en avflatning som tjener som anlegg for koblingstråden, så der på enkel måte sikres en entydig kobling. Bare de to resonatorer R2 og R9 som ved hjelp av elektrostriktivt materiale EM er komplettert til energiomformere, har en ytterligere avflatning som det elektrostriktive materiale EM er forankret på ved lodding. Dette elektrostriktive materiale har på den side som vender bort fra loddestedet, e.t elektrisk ledende belegg,

f.eks. av gull, som tjener som mot-elektrode, og hvorfra der går ut en tilslutningstråd A som tjener til å forbinde omformeren med en spole Sp, som ved sin respektive ene ende ligger på refe-ransepotensial, og som tillike danner inngangs- resp. utgangs-transformator - jfr. skjemaet på fig. 1 -. Induktiviteten av hver av disse spoler Sp er valgt så stor at den sammen med kapasiteten av den kondensator som er gitt ved det elektrostriktive materiale, danner en parallell-resonanskrets som er avstemt på gjennomslipningsområdets midtpunktfrekvens, men hvis båndbredde er vesentlig større enn bredden av gjennomslipsnings-området, som ved utførelseseksemplet ligger mellom 48,2 og 51,5 kHz.

De enkelte resonatorer hos dette filter er koblet i kjede over koblingstråden; der tjener som langs-kobler. Mellom energi-'omformerne R2 og R9 ligger der imidlertid bare et avsnitt R3-R8

av denne kjedekobling RI-RIO, og de to resonatorer RI og RIO som ligger utenfor dette avsnitt R2-R9, tjener til å frembringe hver sin dempningspol ved en frekvens av ca. 47,6 kHz. I og for seg ville dempningskurven etter det første polsted, som ligger ved ca. 47 kHz, stige kontinuerlig i retning mot lavere frekvenser. Ved hjelp av den susceptans som de to ytre tilkoblede resonatorer representerer, forekommer der imidlertid et dempningsinnbrudd DE som ved passende dimensjonering lar seg plasere slik at det ikke lenger virker forstyrrende i toleranseskjemaet. Ved filteret ifølge oppfinnelsen ligger dette dempningsinnbrudd ved omtrent 4 2,6 kHz og er, takket være den videre forskyvning utover, gjort såpass virkningsløs at overføringsdempningen i sperreområdet i det lavere frekvensleie neppe synker nevneverdig under 70 desibel. For denne utskyvende virkning har man forskjellige muligheter. En av dem består i at man endrer koblingen for enderesonatorene RI og RIO og også massen av vedkommende endesvingere RI og/eller RIO. For høyning av kob-lingsfaktoren kan man enten gjøre koblingstråden tykkere eller korte inn lengden av koblingstråden mellom to resonatorer eller begge deler.

I tillegg er der for å gjøre overgangen fra gjennomslipningsområdet til det øvre sperreområde brattere, fremtvunget to ytterligere poler ved en frekvens av 51,6 kHz ved hjelp av mekaniske overkoblinger OK. Som det ses ut fra dempningsforløpet, oppfylles på denne måte kravene med hensyn til det på forhånd gitte dempnings-volum, som er inntegnet skravert på fig. 1.

For filteret ifølge fig. 1 og 2 viser fig. 3 i tillegg for-løpet av gruppegangtident_, som funksjon av frevkensen f. Man ser av skjemaet at gruppegangtiden i den helt overveiende del av det interesserende gjennomslipningsområde ligger mellom 0,6 og 0,7 ms, mens et filter som er utført uten de nevnte dempningspoler, og som tilfredsstiller samme gjennomslipningsdempnings-karakteristikk og utnytter hele kjedekoblingen med tillegg av to ytterligere konden-satorer for dannelse av karakteristikken, ville ha en gruppegang-

tid på ca. 1,2 ms.

Det skal gjøres oppmerksom på at variasjonen i koblingen mellom på hinannen følgende resonatorer langs den under resonatorene anbragte koblingstråd (hovedkobler) er foretatt ved endring av avstandene mellom resonatorene.

Det skal også nevnes at dempningspolene ved -hjelp av de

ekstra resonatorer som med hensyn til frekvens ligger ovenfor og/eller nedenfor gjennomslipningsområdet, kan fremtvinges i kombi-nasjon med eller uten de ekstra dempningspoler som oppnås ved overkobling. Ennvidere kan utformningen i henhold til oppfinnelsen finne anvendelse i tilfellet av et frekvensskjema av annen form med hensyn til forløpet av driftsdempningen og med en annen be-liggenhet av midtpunktfrekvensen, og resonatorenes antall kan være forskjellige alt etter de krav som er gitt ved filterkarakteristikken.

Fig. 4 viser et eksempel på et filter i henhold til oppfinnelsen, forsynt med ti resonatorer mellom de som omformere ut-førte resonatorer R2 og RI3.

Med hensyn til de øvrige detaljer svarer filteret på fig. 4 til det på fig. 2. I tillegg viser fig. 4 dessuten et snitt gjennom en av de resonatorer, f.eks. RI, som ikke er belastet med elektrostriktivt materiale, og et snitt gjennom en av dem, f.eks. R2, som er belastet med slikt materiale."Diameteren dg er valgt like stor for samtlige resonatorer. Bare ved en avflatning t er den forskjellige avstemning av de enkelte resonatorer innstilt. Vesentlig er ved utførelseseksempelet enn videre at de respektive resonatorer som ligger speilsymmetrisk med hensyn på midten av det mekaniske filter, er avstemt på samme resonansfrekvens, f.eks. fg, f^ fg . Valget av frekvensene bestemmer hvorledes filteret forholder seg med hensyn til gjennomslipningskarakteristikken, idet filterfunk-sjonen på i og for seg kjent måte kan velges som maksimalt flat eller som en Tschebyscheff-funksjon. På fig. 4 er det i snittet av den resonator som er belastetmed elektrostriktivt materiale,

også vist at denne resonator, forsåvidt det dreier seg om den metalliske del, i regelen kan ha to avflatninger for å skaffe en ytterligere parameter for innstillingen av resonatorens resonansfrekvens og den svingende masse som skal anvendes. Denne ytterligere avflatning er betegnet med t^', og avflatningen for det elektrostriktive materiale med t^".

Enn videre bør det nevnes at den kobling som er vist i det foregående eksempel i forbindelse med de -ekstra resonatorer, har vist seg gunstig ved bøyesvingere. Ved torsjonssvingere er det mulig, som vist på fig. 5, å montere disse ved hjelp av en holdetråd HD som angriper i området for de nøytrale soner NZ av den stavformede torsjonsresonator R, eller ved hjelp av holdetråder HD som angriper på disse steder og er felles eventuelt for alle resonatorene samt fastholdes av holdeklyper SH som vist på fig. 6. Det er imidlertid gunstig om der som vist på fig. 7, i den enkelte torsjonsresonators lengderetning anordnes en holdetråd på begge sider og disse to holdetråder anbringes i det minste tilnærmelses-vis i retningen for torsjonsaksen eller for en mantellinje for den stavformede torsjonsresonator. Disse holdetråder kan da med fordel festes i en tilsvarende formet ansats A på hver av de to langsider av filterbunnplaten G' ved klebning, innstøpning eller innlodding. Dog bør denne montering være praktisk talt lik for alle resonatorer og være adskilt fra den egentlige kobling, som ved et torsjons-filter likeledes skjer via minst én langs-koblertråd KD. Bare dermed er det mulig å plasere det innbruddssted i sperredempningen som også ved denne utførelsesform er betinget ved den ekstra mekaniske susceptans, i en ikke-kritisk del av sperreområdet.

Claims (4)

1. Elektromekanisk filter bestående av stavformede bøye- eller tors jons-resonatorer som er innbyrdes koblet via minst én gjennomgående koblingstråd og er anordnet ved siden av hverandre med parallelle akser i et plan, og til hvis montering der tjener fra koblingstråden adskilte holdestaver som angriper på hver sin enkelt-resonator og er forankret i en grunhplate som bærer det samlede elektromekaniske filtersystem, samt hvor ennvidere enderesonatorene er forsynt med elektromekaniske omformere,karakterisert vedat det gjennomgående koblingselement (LK) er ført ut forbi enderesonatorene (R2, R9, R13) og forbundet med minst én ytterligere, stavformig utført bøye- eller torsjonsresonator (Ri, RIO, R14) som ligger med parallelle akser i samme plan som de øvrige filterresonatorer (R2...R9, resp. R2...R13) og er forbundet med grunnplaten (G) via holdestaver (S) som'er uavhengige av koblingstråden (LK).

2. Filter som angitt i krav 1,karakterisertved at den til omformer kompletterte resonator (RI, R9, resp. R13) for opplegningen og befestigelsen av koblingstråden (LK) har en første avflatning som forløper flatemessig parallelt med grunnplaten (G), og ennvidere en på den førstnevnte loddrett annen avflatning som det elektromekaniske omformerelement (EM) er festet på.

3. Filter som angitt i krav 1 eller 2, med dempningspoler ovenfor og nedenfor filterets gjennomslipningsområde,karakterisert vedat de dempningspoler som frekvensmessig ligger nedenfor gjennomslipningsområdet, dannes ved hjelp av resonatorer (Ri, RIO, R14) som ligger utenfor det kjedeavsnitt som omsluttes av de elektromekaniske omformere (EM), mens der for dannelse av de dempningspoler som frekvensmessig ligger nedenfor gjennomslipningsområdet, er anordnet overkoblinger (UK) som likeledes er utført i form av kob 1 Lngstråder, og som forbinder resonatorer (f.eks. R3, R5) som ikke følger umiddelbart på hverandre.

4. Filter som angitt i krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat der utenfor det avsnitt som omsluttes av de elektromekaniske omformere (EM), istedenfor bare én resonator (RI, resp. RIO, resp. R14) er anordnet flere resonatorer, slik at der dannes et flerdobbelt resonant system og frembringes flere dempningspoler .