-
Elektromechanisches Bandpaßfilter Die Erfindung bezieht sich auf ein
elektromechanisches Bandpaßfilter mit wenigstens einem mechanischen Resonator, der
im Bereich seiner stirnseitigen Enden an einer durchgehenden mechanischen Koppelleitung
befestigt ist, bei dem der Resonator aus drei gestuften, vorzugsweise symmetrisch
zu seiner Längsachse liegenden Teilabschnitten besteht und einen Dämpfungspol im
Sperrbereich des Filters hervorruft.
-
In vielerlei Anwendungsfällen werden mechanische Bandfilter benötigt,
deren Dämpfungscharakteristik eine versteilerte Dämpfungsflanke im Sperrbereich
entweder nur auf einer oder auf beiden Seiten des Durchlaßbereiches aufweist. Solche
Filter erfordern das Vorhandensein von Dämpfungspolen im Sperrbereich in unmittelbarer
Nachbarschaft des Durchlaßbereiches. Es sind bereits eine Reihe von Anordnungen
bekannt, bei denen Dämpfungspole, beispielsweise durch mechanische oder elektrische
Überbrückung einzelner Resonatoren, erzielt werden.
-
Es ist bereits ein mechanisches Filter bekanntgeworden, bei dem einzelne
Torsionsresonatoren über sogenannte -Koppler verbunden sind. Wesentlich ist hierbei,
daß die einzelnen Resonatoren die Länge einer halben Wellenlänge der Mittenfrequenz
des Durchlaßbereiches haben. Zur Erzeugung von Dämpfungspolen werden bei diesem
bekannten Filter die Resonatoren über die Koppelelemente herausgeführt, wobei die
über die Koppelelemente herausgeführten Abschnitte etwa 4 lang sind. Zur Verkleinerung
der Länge dieser Abschnitte kann der Durchmesser vergrößert werden, jedoch mit der
Bedingung, daß sich auf beiden Stirnseiten des Resonators gleichartig ausgebildete
Abschnitte anschließen. Zur Erzeugung von Dämpfungspolen ist es demzufolge zwingend
erforderlich, den Resonator beidseitig über die Koppelelemente herauszuführen, was
hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltung und des Raumverbrauches mitunter unerwünscht
ist. Darüber hinaus lassen sich der Beschreibung der bekannten Anordnung keine Hinweise
darüber entnehmen, Resonatoren mehrfach zu stufen.
-
Ferner ist ein polerzeugendes mechanisches Filter bekanntgeworden,
bei dem die einzelnen Abschnitte derart bemessen sind, daß eine Anzahl mechanischer
Resonanzen entsteht, die bei in einem nichtharmonischen Verhältnis zueinander stehenden
Frequenzen liegen. Wenn bei dieser Anordnung Dämpfungspole erzeugt werden sollen,
dann ist es erforderlich, den Resonator an seinen beiden Enden mit gleicnartig ausgebildeten
Wandlerelementen gegenphasig zu Schwingungen anzuregen, so daß bei diesem Filter
an sich von einem anderen physikalischen Konzept als beim Erfindungsgegenstand ausgegangen
wird. Hinzu kommt, daß zur Erzielung von gut reproduzierbaren elektrischen Eigenschaften
die Wandlerelemente möglichst gleichartig ausgebildet sein müssen, was sich jedoch
in der Praxis nur mit einem verhältnismäßig großen Aufwand realisieren läßt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten
Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen. Insbesondere sollen
polerzeugende mechanische Filter beschrieben werden, die einerseits eine verhältnismäßig
einfache Herstellung des polerzeugenden Resonators ermöglichen und bei denen man
andererseits verhältnismäßig frei ist in der Wahl der Schwingungsform für die Resonatoren
und die Koppelelemente.
-
Ausgehend von einem elektromechanischen Bandpaßfilter mit wenigstens
einem mechanischen Resonator, der im Bereich seiner stirnseitigen Enden an einer
durchgehenden mechanischen Koppelleitung befestigt ist, bei dem der Resonator aus
drei gestuften, vorzugsweise symmetrisch zu seiner Längsachse liegenden Teilabschnitten
besteht und einen Dämpfungspol im Sperrbereich des Filters hervorruft, wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die drei Teilabschnitte untereinander
einen unterschiedlichen Wellenwiderstand haben, daß der der Übertragungsleitung
benachbarte Teilabschnitt mit dem Wellenwiderstand Z1 eine solche Länge hat, daß
sein Übertragungswinkel b1 im Bereich zwischen 30 und 60° liegt, daß der mittlere
Teilabschnitt mit dem Wellenwiderstand Z2 eine solche Länge hat, daß sein Übertragungswinkel
b2 etwa 90° beträgt, und daß der der Übertragungsleitung abgewandte Teilabschnitt
mit dem Wellenwiderstand Z3 hinsichtlich seiner Länge derart gewählt ist, daß sein
Ubertragungswinkel
b3 entweder 90° beträgt, wenn dabei die Beziehung
> 1 gilt, oder daß sein Ubertragungswinkel b3 etwa 180° beträgt, wenn dabei die
Beziehung < 1 gilt.
-
Vorteilhafte
Anordnungen ergeben sich unter anderem dann, wenn bei den Betriebsfrequenzen für
die durchgehende Koppelleitung und den Resonator die gleiche Schwingungsart vorgesehen
ist.
-
Eine weitere günstige Ausführungsform läßt sich dadurch erreichen,
daß für die durchgehende Koppelleitung die Längsschwingung als Ubertragungsform
der Energie dient und daß für den Resonator eine hiervon verschiedene Schwingungsform,
insbesondere die Biegeschwingung oder die Torsionsschwingung, vorgesehen ist.
-
Es ist ferner günstig, wenn für die durchgehende Koppelleitung die
Biegeschwingung als Übertragungsform der Energie dient, während für den Resonator
eine hiervon verschiedene Schwingungsform, insbesondere die Längsschwingung oder
die Torsionsschwingung vorgesehen ist.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn für die durchgehende Koppelleitung
die Torsionsschwingung als Übertragungsform der Energie dient und wenn für den Resonator
eine hiervon verschiedene Schwingungsform, insbesondere die Längsschwingung oder
die Biegeschwingung, vorgesehen ist.
-
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
-
Die F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die durchgehende
Koppelleitung Längsschwingungen und der polerzeugende Resonator Torsionsschwingungen
ausführt. In einem metallischen Gehäuse 1 sind zwei aus Stahl bestehende Schwinger
2 und 3 über die Haltedrähte 4 an einer Gehäusewand befestigt. In die Schwinger
2 und 3 sind in an sich bekannter Weise die aus einem elektrostriktiven Material
bestehenden Plättchen 5 und 6 eingelötet, durch die die Schwinger in zwei voneinander
isolierte Abschnitte unterteilt werden. Dadurch bilden die Schwinger 2 und 3 gleichzeitig
die elektromechanischen Wandler, die den Übergang von den elektrischen auf die mechanischen
Schwingungen und umgekehrt von den mechanischen auf die elektrischen Schwingungen
ermöglichen. Von den jeweils vom Gehäuse 1 isolierten Teilabschnitten der
Schwinger 2 und 3 führen flexible Anschlußdrähte 7 und 8 an die Eingangsklemme 10
bzw. an die Ausgangsklemme 12. Die Klemmen 10
und 12 sind über isolierte
Durchführungen 9 am Gehäuse befestigt. Die Klemmen 11 und 13 stehen mit dem Gehäuse
1 in elektrisch leitender Verbindung, so daß die Rückleitung des elektrischen
Stromes über die Schwinger und die Haltedrähte 4 erfolgt. An den Stirnseiten
der Schwinger 2 und 3 ist eine durchgehende Koppelleitung 14 befestigt,
über die die Energie übertragen wird. An der Koppelleitung 14
ist ein zylindrischer
Resonator 15 durch Lötung angebracht, der beispielsweise über den weiteren dünnen
Haltedraht 16 im Gehäuse 1 verankert sein kann. Der Resonator 15 ist durch
eine mehrfache Querschnittsstufung in drei Teilabschnitte unterteilt, die symmetrisch
zur Längsachse liegen.
-
Legt man an die Eingangsklemmen 10 und 11
eine elektrische
Wechselspannung, so wird das elektrostriktive Plättchen 5 im Takt der angelegten
Wechselspannung gedehnt und zusammengezogen. Wenn die Frequenz der anregenden Spannung
mit der Eigenfrequenz des Schwingers 2 übereinstimmt, dann führt dieser ausgeprägte
Längsschwingungen aus, die in Richtung des Doppelpfeiles 17 von der Koppelleitung
14 auf den Schwinger 15 übertragen werden. Da die Koppelleitung 14 am Umfang
des Schwingers 15 befestigt ist, wird dieser bei seiner Eigenresonanzfrequenz zu
Torsionsschwingungen angeregt, d. h. sein mechanischer Eingangswiderstand wird an
dieser Stelle sehr klein, so daß die Energie auf den als Wandler ausgebildeten Schwinger
3 übertragen wird. Dadurch wird das elektrostriktive Plättchen 6 gedehnt und zusammengezogen,
so daß zwischen den beiden Teilabschnitten des Schwingers 3 eine elektrische Wechselspannung
entsteht, die an den Ausgangsklemmen 12 und 13 abgenommen werden kann. Wegen der
unterschiedlichen Querschnittsabmessungen des Resonators 15 entsteht in verhältnismäßig
geringem Abstand von der Torsionsresonanz ein Dämpfungspol, d. h., an dieser Stelle
wird der mechanische Eingangswiderstand des Schwingers 15 außerordentlich
groß.
-
Das Verhalten eines derart gestuften Schwingers im Zusammenhang mit
dem Auftreten eines Dämpfungspols wird an Hand der F i g. 2 und 3 noch näher erläutert,
in denen der Schwinger 15 sowie die Koppelleitung
14 nochmals gesondert herausgezeichnet
sind. Der mechanische Eingangswiderstand W an den Anschlußpunkten 17 der Koppelleitung
14 läßt sich durch Gleichung (1) darstellen:
mit
Z1, 22, Z3 sind die Wellenwiderstände der Teilabschnitte in der Reihenfolge vom
Koppler zum freien Ende; b1, b2, b3 sind die Übertragungswinkel der Teillängen in
der gleichen Reihenfolge. Wie man aus Gleichung (1) erkennt, ergeben sich für den
Eingangswiderstand W Nullstellen, wenn ic Null wird, und es ergeben sich Polstellen,
wenn v Null
| wird. Aus der Bedingung u = 0 (Nullstelle) ergibt |
| sich für den Übertragungswinkel b30 die folgende |
| Beziehung: |
| tan b, + ZZ tan b,@ |
| tan b30 = - 1 (2 a) |
| Z3 Z3 tan blo tan bm |
| Z1 _ ZZ |
Aus der Bedingung v = 0 (Pol) ergibt sich der Ubertragungswinkel
b3co nach Gleichung (2b):
Die Querschnittsunterschiede werden dann besonders klein, wenn man bZO
x bcx; .: 90° und blo 4 90° bzw. ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von
90
' wählt. In diesem Fall gehen die Formeln (2a) und (2b) in die Gleichung
(3a) und
(3b) über:
Die durch Gleichung (3a) und (3b) definierten Frequenzen rücken dann dicht zusammen,
wenn man entweder
» 1 und b3 ze 90` (s. F i g. 2) oder
« 1 und b3 z- 180° (s. F i g. 3) wählt. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich
der relative Abstand zwischen der Polstelle,f,0 und der Durchlaßresonanzfrequenz.fö
für das in der F i g. 2 dargestellte Beispiel gemäß der Formel (4a):
Bei dem in der F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich der relative
Abstand zwischen Dämpfungspol und Durchlaßmitte entsprechend der Formel (4b):
Im Fall des Ausführungsbeispiels der F i g. 2 liegt die Polfrequenz für b1 <
90" oberhalb der Resonanzfrequenz und für b1 > 90° unterhalb der Resonanzfrequenz.
Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 3 liegen Pol- und Resonanzfrequenz umgekehrt
zum Ausführungsbeispiel der F i g. 2. Die in den Gleichungen (4a) und (4b) angegebenen
Formeln stellen Näherungswerte dar, deren Ergebnisse jedoch mit den gemessenen Werten
in einem für die Praxis ausreichenden Maß übereinstimmen. Mit Rücksicht auf die
Gesamtlänge des Schwingers ist es vorteilhaft, den Ubertragungswinkel b1 < 90°
zu wählen. Im einzelnen ergeben sich die Teillängen bei dem in der F i g. 2 dargestellten
Schwinger nach Gleichung (5 a):
Bei dem in der F i g. 3 dargestellten Schwinger ergeben sich die Teillängen nach
Gleichung (5b):
In den Gleichungen (5a) und
(5b) ist a die Wellenlänge in einem ungestuften
Schwinger bei der Resonanzfrequenz fo. Zur Erzielung einer gewünschten Bandbreite
ist die Kenntnis der Steilheit erforderlich, mit der die Eingangsimpedanz Z = durch
den Wert Z = 0 bei der Resonanzfrequenz
geht. Diese Beziehung ist in Gleichung (6) gegeben:
Dabei ist BO die Bandbreite zweier durch einen Koppler gekoppelter homogener -Schwinger
vom Wellenwiderstand Z1 und B die
Bandbreite zweier durch den gleichen Koppler gekoppelter Stufenschwinger mit dem
Wellenwiderstand Z1 im vorderen Teilabschnitt (entsprechend den F i g. 2 und 3).
An Hand der Theorie ergibt sich für einen Schwingertyp entsprechend der F i g. 2
das Bandbreitenverhältnis entsprechend der Gleichung (7a):
für den Schwinger der F i g. 3 ergibt sich die Bandbreite nach Gleichung (7b):
Entsprechend den Gleichungen (7a) und (7b) sind dann die Teillängen 11 zu wählen.
Besonders kleine Querschnittssprünge ergeben sich hierbei, wenn blo etwa zwischen
30 und 60° liegt.
-
Bei entsprechender Wahl der Abmessungen für die einzelnen Teilabschnitte
läßt sich der in der F i g. 1 dargestellte Schwinger auch zu Biegeschwingungen anregen,
die entsprechend dem gestrichelten Doppelpfeil 18 verlaufen. Der Haltedraht 16 wird
dann zweckmäßig in einem der Biegeschwingung entsprechenden Schwingungsknoten 16'
am Schwinger 15 befestigt. Für das Auftreten der Pol- und Nullstelle gelten dann
analog die in den Gleichungen (1) bis (7) zum Ausdruck kommenden Uberlegungen.
-
Im Ausführungsbeispiel der F i g. 4 ist ein zweifach gestufter, plattenförmiger
Resonator verwendet. Im metallischen Gehäuse 20 sind die mittels der elektrostriktiv
wirkenden Plättchen 22 als elektromechanische Wandler ausgebildeten, aus Stahl bestehenden
Schwinger 21 und 21' über die Haltedrähte 23 an den Gehäusewänden befestigt.
Von den vom Gehäuse 20 isolierten Teilabschnitten der Wandler 21 und 21' führen
flexible Zuleitungsdrähte 24 zu den Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen 25 und 26, die
über isolierte Durchführungen am Gehäuse befestigt sind. Die Klemmen 27 und 28 stehen
in direkter Verbindung mit dem metallischen Gehäuse 20, so daß die Rückleitung des
elektrischen Stromes über das Gehäuse und die Haltedrähte 23 erfolgen kann. Die
Wandler 21 und 21' sind über die Koppelleitung 29
miteinander
verbunden. An der Koppelleitung ist ein plattenförmiger, zweifach gestufter Schwinger
30 befestigt, der im Ausführungsbeispiel ebenfalls aus Stahl besteht und der außerdem
noch über den Haltedraht 31 im Gehäuse verankert sein kann. Legt man an die Eingangsklemmen
25 und 27 eine elektrische Wechselspannung, dann wird der Wandler 21 bei
seiner Eigenresonanzfrequenz zu Längsschwingungen angeregt, die in der Richtung
des Doppelpfeiles
32 verlaufen. Auf Grund dieser Längsschwingungen
führt die Koppelleitung 29 in Richtung des Doppelpfeiles 33 verlaufende Biegeschwingungen
aus, über die der Schwinger 30 zu Längsschwingungen entsprechend dem Doppelpfeil
34 angeregt wird. Bei der Resonanzfrequenz fo des Schwingers 30 wird die Energie
auf den Wandler 21' übertragen, so daß dort zwischen den durch das elektrostriktive
Plättchen 22 erzeugten Teilabschnitten eine elektrische Wechselspannung entsteht,
die an den Ausgangsklemmen 26 und 28 abgenommen werden kann. Wegen der doppelten
Stufung tritt wiederum in verhältnismäßig enger Nachbarschaft zur Durehlaßfrequenz
fo eine Polstelle in der Übertragungscharakteristik auf, deren Zustandekommen und
deren Abstand von der Nullstelle analog zu den in den Ausführungsbeispielen der
F i g. 2 und 3 angestellten Überlegungen verläuft. Es lassen sich nämlich die in
den F i g. 2 und 3 in der Draufsicht dargestellten Ausführungsformen auch als plattenförmige
Gebilde auffassen, auf die dann wiederum die in den Gleichungen (1) bis (7) angegebenen
Bemessungsvorschriften anzuwenden sind.
-
Wenn man den Schwinger um nahezu 90° um seine Symmetrieachse dreht,
so daß die Plattenebene nahezu parallel zum Koppeldraht verläuft, so führt der Schwinger
30 Biegeschwingungen aus. In diesem Fall weisen die Koppelleitung und der Resonator
die gleiche Schwingungsform auf. Der Haltedraht 31 ist dann so zu befestigen, daß
er in einem für die Biegeschwingung auftretenden Schwingungsknoten zu liegen kommt.
-
Wie aus den Gleichungen (1) bis (7) hervorgeht, läßt sich der Abstand
zwische Resonanzfrequenz und Dämpfungspol in weiten Grenzen frei wählen. Diesen
Umstand kann man dazu benutzen, bei einem gemäß der F i g. 5 ausgeführten Beispiel
mehrere auf unterschiedliche Polfrequenzen abgestimmte Torsionsschwinger 35 und
36 an einer durchgehenden Koppelleitung 37 zu befestigen. In der F i g. 5 sind lediglich
zwei Schwinger dargestellt, die beispielsweise so abgestimmt sein können, daß eine
Polstelle unterhalb und eine zweite Polstelle oberhalb des Durchlaßbereiches im
Sperrbereich entsteht. Diese Reihe läßt sich fortsetzen, so daß dann bei einem mehrkreisigen
Filter auch die den Schwingern entsprechende Anzahl von Dämpfungspolen im Sperrbereich
.zu erzielen ist.
-
Um einen geometrisch symmetrischen Aufbau und damit große Nebenwellenfreiheit
zu erreichen, kann man eine weitere, gestrichelt angedeutete Koppelleitung 37' vorsehen,
die mit der Koppelleitung 37 in einer senkrecht zu den Schwingern 35 und 36 verlaufenden
Ebene liegt. Die Koppelleitungen 37 und 37' sind dabei entsprechend den Pfeilrichtungen
gegenphasig anzuregen.
-
In der F i g. 6 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen Koppelleitung
40 zu Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 41 angeregt wird. In diesem
Fall führt der zweifach gestufte Schwinger 15 in Richtung des Doppelpfeiles 43 verlaufende
Torsionsschwingungen aus. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel läßt sich das Verhalten
des mechanischen Eingangswiderstandes, d. h. also das Vorhandensein von Pol- und
Nullstelle, auf die bereits angestellten Überlegungen zurückführen.
-
Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 7 wird eine durchgehende Koppelleitung
45 zu Torsionsschwingungen angeregt, die gemäß dem Doppelpfeil 46 verlaufen. Der
seitlich an der Koppelleitung befestigte plattenförmige, zweifach gestufte Schwinger
48 kann so dimensioniert werden, daß er Längsschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles
47 ausführt.
-
Dreht man den Schwinger 48 um 90° um seine Symmetrieachse, so führt
er Biegeschwingungen in einer senkrecht zur Achse des Kopplers verlaufenden Ebene
aus, deren Verhalten ebenfalls durch die vorausgegangenen Betrachtungen zu erklären
ist.
-
Bei den in den F i g. 1 bis 7 beschriebenen Ausführungsbeispielen
wurden Resonatoren verwendet, die nur zweifach gestuft sind. Es ergibt sich bei
diesen Resonatoren ein geringer Unterschied der Querschnittsabmessungen der einzelnen
Teilabschnitte, so daß vor allem auch die an den Koppelleitungen anliegenden Abschnitte
auch bei sehr geringen Abständen zwischen Dämpfungspol und Durchlaßbereich einen
für die mechanische Tragfähigkeit ausreichenden Querschnitt erhalten, wodurch eine
große Nebenwellenfreiheit sichergestellt wird. In Weiterbildung dieses Gedankens
lassen sich auch Schwinger verwenden, bei denen mehr als zwei' Stufen vorgesehen
sind, so daß dann die Unterschiede in den Querschnittsabmessungen der einzelnen
Teilabschnitte der Schwinger immer geringer werden. In ähnlicher Weise lassen sich
auch Resonatoren verwenden, deren einzelne Teilabschnitte nicht symmetrisch zur
Längsachse liegen, sondern gegeneinander versetzt sind.