DE1245507B

DE1245507B - Verfahren zum Abgleich eines elektromechanischen Filters

Info

Publication number: DE1245507B
Application number: DE1964S0094430
Authority: DE
Inventors: Horst Bergmann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-12-03
Filing date: 1964-12-03
Publication date: 1967-07-27

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. α.:

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

Auslegetag:

Ausgabetag:

H03h

Deutsche Kl.: 21 g - 34

1 245 507
S94430IXd/21g
3. Dezember 1964
27. Juli 1967
1. Februar 1968

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich eines elektromechanischen Filters, das aus mehreren mechanisch gekoppelten mechanischen Resonatoren besteht, die je mit einem elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen Wandlersystem versehen sind.

Bekanntlich müssen zur einwandfreien Funktion eines elektrischen Filters dessen einzelne Resonanzkreise mit verhältnismäßig großer Genauigkeit auf eine bestimmte vorgegebene Resonanzfrequenz eingestellt werden. Diese Forderung ist, beispielsweise bedingt durch die unvermeidbaren Fertigungstoleranzen, in der Regel nicht von vornherein erfüllt. Aus diesem Grund müssen die einzelnen Resonanzkreise eines bereits gefertigten Filters mittels einer geeigneten Anzeigevorrichtung abgestimmt werden, wofür sich auch der Ausdruck »abgleichen« eingebürgert hat. Auch bei elektromechanischen Filtern ist ein Verfahren erforderlich, mit dessen Hilfe ein derartiger Ausgleich durchführbar ist. Es kommt hierbei darauf an, die Resonanzfrequenz des abzugleichenden Resonators möglichst genau festzulegen, ohne das gleichzeitig die Wirkung ihm benachbarter Resonatoren die Abstimmung beeinflußt. Um die Rückwirkung der dem abzugleichenden Resonator benachbarten Resonatoren während des Abgleichvorganges möglichst weitgehend auszuschalten, wird beispielsweise der dem abzugleichenden Resonator unmittelbar benachbarte Resonator durch eine mechanische Klemmung am Schwingen gehindert. Hierzu ist eine mechanische Presse mit möglichst planen Klemmflächen erforderlich, die einen definierten Klemmdruck liefert. Außerdem müssen die Klemmflächen am Resonator ebenfalls möglichst plan sein, und es kann an den Einspannstellen, beispielsweise durch Wegnahme von Schwingermaterial, kein Abgleich durchgeführt werden. Die bestmögliche Klemmung wird dann erreicht, wenn z. B. der Schwinger an der Stelle seiner größten Bewegung geklemmt wird. Häufig ist dies jedoch nicht möglich, z. B. wenn an diesen Stellen eine elektrostriktive Keramik am Schwinger vorgesehen ist. Diese Keramik würde nämlich durch den erforderlichen Klemmdruck zerstört werden. Mit den gleichen Schwierigkeiten ist insbesondere auch dann zu rechnen, wenn die einzelnen Resonatoren durchweg aus einem elektrostriktiven Material, wie beispielsweise Quarz, bestehen. Es kommt ferner hinzu, daß die einzelnen Resonatoren nach dem Einbau in ein Schutzgehäuse praktisch nicht mehr abgleichbar sind. Wie sich gezeigt hat, sind die durch die mechanische Klemmung erzielten Ergebnisse zumeist nicht genau Verfahren zum Abgleich eines
elektromechanischen Filters

Patentiert für:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Horst Bergmann, München

reproduzierbar, so daß der Abstimmfehler mit zunehmender Bandbreite der Filter ansteigt. Diese Wirkung läßt sich dahingehend erklären, daß bei größer werdender Bandbreite auch die Koppelelemente zwischen den einzelnen Resonatoren kräftiger ausgebildet werden müssen, so daß der Durchgriff der unreproduzierbaren Klemmung durch die kräftiger ausgebildeten Koppelelemente auch stärker auf den abzugleichenden Resonator einwirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen.

Von einem Verfahren zum Abgleich eines elektromechanischen Filters, das aus mehreren mechanisch gekoppelten mechanischen Resonatoren besteht und bei dem zumindest die dem jeweils abzugleichenden Resonator benachbarten Resonatoren mit einem elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen Wandlersystem versehen sind, ausgehend, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß während des an einem Resonator vorgenommenen Abgleichvorganges den elektrostriktiven Wandlersystemen der ihm unmittelbar benachbarten Resonatoren je eine Spule mit solchem Induktivitätswert parallel geschaltet wird, daß sie zusammen mit der statischen Kapazität der jeweiligen elektrostriktiven Wandlersysteme einen auf die Sollfrequenz des abzugleichenden Resonators einschließlich des Koppelelementes abgestimmten Parallelresonanzkreis bildet.

Es hat sich hierbei als vorteilhaft erwiesen, wenn die dem Wandlersystem parallelgeschaltete Spule als veränderbare Induktivität ausgebildet ist oder wenn die dem Wandlersystem parallelgeschaltete Spule durch einen Kondensator mit veränderbarer Kapazität zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt ist.

An Hand der in der Zeichnung dargestellten Aüsführungsbeispiele wird die Erfindung nachstehend noch näher erläutert.

709 754/352

In der F i g. 1 ist ein mechanisches Filter gezeigt, das aus den Resonatoren 4 und 5 besteht, die über ein Koppelelement 6 derart miteinander gekoppelt sind, daß die Form eines H entsteht. Im Zuge der Resonatoren sind die aus einem elektrostriktiven Material bestehenden Wandlerelemente 7 eingebracht, die die elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen bzw. die mechanischen Schwingungen in elektrische Schwingungen umwandeln. Von den Enden des Resonators 4 führen die Zuleitungsdrähte 8 und 8' zu einer Anschlußklemme 1, von den Enden des Resonators 5 führen die Zuleitungsdrähte 9 und 9' zu einer Anschlußklemme 2. In der Mitte der Resonatoren sind die zu den Anschlußklemmen 0 führenden Zuleitungsdrähte 10 befestigt, die beispielsweise bei entsprechend starker Ausbildung gleichzeitig der Verankerung des Filters in einem nicht näher dargestellten Gehäuse dienen können. Bei der fertigungsmäßigen Herstellung eines derartigen Filters können beispielsweise die inneren Ab- so schnitte der Resonatoren zusammen mit dem Koppelsteg 6 durch Stanzen in einem einzigen Arbeitsgang gewonnen werden. Die Endabschnitte sowie die aus elektrostriktivem Wandlermaterial bestehenden Plättchen 7 werden dann in an sich bekannter Weise mit den inneren Abschnitten verlötet. Bei dem in der F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Resonatoren als Längsschwinger ausgebildet, so daß der Resonator 4 beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung zwischen den Klemmen 1 und 0 Schwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 11 ausführt, die über den beispielsweise auf Zug und Druck beanspruchten Koppelsteg 6 auf den Resonator 5 übertragen werden und ihn ebenfalls zu Schwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 11 anregen. Über die elektrostriktiven Wandlerelemente 7 werden die mechanischen Schwingungen des Resonators 5 in elektrische Schwingungen zurückverwandelt, so daß zwischen den Klemmen 2 und 0 eine Wechselspannung auftritt. ·

Zum Abgleich des Resonators 4 ist es erforderlich, die am Resonator 5 mit auftretenden Schwingungen weitestgehend zu unterdrücken. Dies läßt sich durch die gestrichelt angedeutete Spule 12 erreichen, die während des Abgleichvorganges zwischen die Klemmen 2 und 0 geschaltet wird und deren Induktivitätswert so bemessen ist, daß sie zusammen mit der statischen Kapazität der elektrostriktiven Wandlersysteme 7 einen Parallelresonanzkreis bildet, dessen Resonanzfrequenz auf die Sollfrequenz des Resonators 4 einschließlich des Koppelsteges 6 abgestimmt ist.

An Hand des in der F i g. 2 dargestellten elektrischen Ersatzschaltbildes wird die elektrische Wirkungsweise noch näher gezeigt. Zur besseren Übersieht sind dabei die Bezugsziffern der den mechanitschen Elementen entsprechenden elektrischen Ersatzelemente mit einer Apostrophierung versehen. Das in der Fig. 1 gezeigte mechanische Filter läßt sich durch einen elektrischen Vierpol (F i g. 2) darstellen, dessen Eingangsklemmen mit 1' und 0' und dessen Ausgangsklemmen mit 2' und 0' bezeichnet sind. Der Resonator 4 wird durch einen im Längszweig liegenden Serienresonanzkreis 4' mit den Schaltelementen L₁ und C₁ nachgebildet, der Resonator 5 wird durch einen Serienresonanzkreis 5' mit der Induktivität L₂ und der Kapazität C₂ dargestellt. Am Eingang des Vierpols liegt im Querzweig eine Kapazität C_pl und am Ausgang eine Kapazität C_p2. Diese Kapazitäten entsprechen den statischen Kapazitäten der elektrostriktiven Wandlersysteme 7. Zwischen den Resonanzkreisen 4' und 5' liegt im Querzweig der Schaltung eine Koppelkapazität C_K, die die Wirkung des Koppelsteges 6 nachbildet. Durch die Koppelkapazität Ck wird der Vierpol in zwei Maschen I und II unterteilt, die beispielsweise auf die Frequenzen Zi und /jj abgestimmt werden müssen, wie es durch die umlaufenden Pfeile angedeutet ist. Wird nun die Induktivität der Spule 12 so gewählt, daß sie zusammen mit der Kapazität C_p2 einen auf die Frequenz F₁ abgestimmten Parallelresonanzkreis bildet, dann ist für die Frequenz f₇ die Masche 2 von der übrigen Schaltung abgetrennt, da der aus der Spule 12 und dem Kondensator C_P2 gebildete Resonanzkreis für die Frequenz /_r hochohmig wird und somit einen an den Klemmen Γ und (K eingespeisten Wechselstrom der Frequenz Zi sperrt.

Zur richtigen Einstellung der Spule 12 wird, wie in der F i g. 3 gezeigt ist, die Lage der zwei Leitwertmaxima an den Stellen Z₁ und Z₂ in bezug auf das mittlere Leitwertmaximum kontrolliert. In der F i g. 3 ist jn Abhängigkeit von der Frequenz / der Absolutbetrag des an den Klemmen 1' und 0' zu messenden Eingangsleitwertes G_e aufgetragen. Die richtige Lage läßt sich rechnerisch bestimmen. Für verhältnismäßig schmale Filter mit Bandbreiten bis zu etwa 2°/o gilt die einfache Regel, daß die Frequenzen Z₁ und Z₂ zumindest näherungsweise symmetrisch zur Frequenz Z₀ liegen müssen. Nach der rich-,tigen Einstellung der Induktivität 12 ist bei dem in der Fig. 1 gezeigten zweiteiligen Filter die Frequenz Z₀; bei der das mittlere der drei an den Klemmen 1 und 0 meßbaren Leitwertmaxima liegt, identisch mit der zu messenden Resonanzfrequenz J₁ der Masche 1. Diese Maschenresonanz kann auf den Sollwert f₀, beispielsweise durch Schleifen am Resonator 4, eingestellt werden,· wobei bekanntlich die Wegnahme von Material an Stellen mit großer Bewegung die Resonanzfrequenz erhöht, während die Wegnahme von Material an Stellen mit hoher mechanischer Spannung die Resonanzfrequenz erniedrigt. Umgekehrt kann in der bereits beschriebenen Weise der Resonator 5 abgeglichen werden, wenn die Spule 12 zwischen die Klemmen 1 und 0 geschaltet wird und die Eingangsspannung, d. h. also der Eingangsleitwert zwischen den Klemmen 2 und 0 gemessen wird. Zur einfachen Einstellung der Resonanzfrequenz wird zweckmäßig die Spule 12 als veränderbare Induktivität ausgebildet. In gleicher Weise kann der Spule 12 auch ein Kondensator mit veränderbarer Kapazität parallel geschaltet werden, mit dessen Hilfe dann die Resonanzfrequenz des aus der Spule 12 und beispielsweise der Kapazität C_p2 gebildeten Parallelresonanzkreises in der bereits beschriebenen Weise eingestellt werden kann.

Das erfindungsgemäße Abgleichverfahren läßt sich auf alle Schwinger anwenden, deren Nachbarresonatoren mit Wandlerelementen versehen sind. Dies ist beispielsweise auch bei allen Filtern möglich, deren Resonatoren ohnehin aus einem elektrostriktiven Material bestehen, wie dies beispielsweise bei den bekannten Quarzfiltern der Fall ist. Das vorstehend beschriebene Abgleichverfahren ermöglicht den Abgleich auch dann, wenn das Filter bereits in einem Gehäuse verankert ist, wodurch die Einflüsse der an den Resonatoren angebrachten Befestigungsele-

mente in den Abgleich einbezogen werden können. Wie sich bei einem gemäß der Fig. 1 aufgebauten Filter gezeigt hat, konnte die Frequenzgenauigkeit der einzelnen Resonatoren, für die mit einer mechanischen Klemmung 120 kHz + 30 Hz erreicht wurde, auf 120 kHz ± 5 Hz verbessert werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abgleich eines elektromechanischen Filters, das aus mehreren mechanisch gekoppelten mechanischen Resonatoren besteht, und bei dem zumindest die dem jeweils abzugleichenden Resonator benachbarten Resonatoren mit einem elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen Wandlersystem versehen sind, dadurchgekennzeichnet, daß während des an einem Resonator (4) vorgenommenen Abgleichvorganges den elektrostriktiven Wandlersystemen (7) der ihm unmittelbar benachbarten Resonatoren (z. B. 5) je eine Spule (12) mit solchem Induktivitätswert parallel geschaltet wird, daß sie zusammen mit der statischen Kapazität (z. B. C_p2) der jeweiligen elektrostriktiven Wandlersysteme (7) einen auf die Sollfrequenz (Z₁) des abzugleichenden Resonators (4) einschließlich des Koppelelementes (6) abgestimmten Parallelresonanzkreis bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem elektrostriktiven Wandlersystem (7) parallelgeschalte Spule (12) als veränderbare Induktivität ausgebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem elektrostriktiven Wandlersystem (7) parallelgeschaltete Spule (12) durch einen Kondensator mit veränderbarer Kapazität zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 618/439 7.67 0 Bundesdruckerei Berlin