DE2507185C3 - Elektromechanisches Filter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Filter mit einem Eingangsresonator und einem Ausgangsresonator, die über Kopplungsglieder mit einem Eingangs- bzw. Ausgangsschaltkreis verbindbar sind, und mit mindestens zwei Zwischenresonatoren, die jeweils über ein aus je einem eingangsseitig und einem ausgangsseitig angeordneten Koppler gebildeten Kopplerpaar mit dem Eingangs- und dem Ausgangsresonator gekoppelt sind und von denen einer an den Eingangs- oder den Ausgangsresonator gegenphasig angekoppelt ist.

Elektromechanische Filter dieser Art sind aus der DE-OS 22 30 858 (beispielsweise F i g. 2), aus der D^-OS 22 30 854 (beispielsweise F i g. 6) und mit Einschränkung aus der DE-AS 12 57 992 (beispielsweise Fig.4 und 5) bekanntgeworden. Den bekannten elektromechanischen Filtern ist gemeinsam, daß der Eingangsresonator, zwei Zwischenresonatoren und der Ausgangsresonator eine Reihen- bzw. eine Kettenschaltung dadurch umeinander bilden, daß sie durch einen gemeinsamen Koppler miteinander verbunden sind. Zusätzlich zu diesen allen Resonatoren gemeinsamen Kopplern sind sogenannte Brückenkoppler zwischen den beiden Zwischenresonatoren und dem Eingangs- und Ausgangsresonator vorgesehen. Dabei ist bei den Filtern nach den DE-OS jeder der beiden Zwischenresonatoren mit jedem der Eingangs- und Ausgangsresonatoren und gemäß dem Filter nach der DE-AS sind die beiden Zwischenresonatoren lediglich mit dem Eingangsresonator verbunden.

Um bei diesen bekannten elektroniechanischen Filtern an einer oder an beiden Seiten des Frequenzbandes jeweils einen einzigen Dämpfungspol zu erhalten, müssen gemäß den dort dargelegten Ausführungen alle Resonatoren in Reihe geschaltet werden, wobei die beiden Zwischenresonatoren miteinander zu verbinden sind. Diese im wesentlichen aus symmetrischen Schaltkreisen aufgebauten Filter haben jedoch den Nachteil, daß mit ihnen keine eine Asymmetrie bewirkende Kennlinie realisiert werden kann. Dies bedeutet aber, daß mit den bekannten elektromechanischen Filtern nur ganz bestimmte Kennlinien realisiert werden können, wie beispielsweise eine durch den Betriebsübertragungsfaktor gebildete flache Kennlinie oJer eine solche mit Tschebyscheffschem Verlauf im Durchlaßbereich. Andere Kennlinien jedoch, wie eine flache Verzögerungskennlinie, eine lineare Phasenabhängigkeit oder eine Tschebyscheffsche Kennlinie, die durch den Spannungsübertragungsfaktor gebildet ist, können mit den bekannten elektromechanischen Filtern jedoch nicht realisiert werden. Bei diesen anderen Kennlinien ist weder das gesamte Filter noch sind Teile davon symmetrisch. Bei den Kennlinien dagegen, bei denen das gesamte Filter symmetrisch wird, sind alle endlichen Dämpfungspole im mittleren Filterbereich konzentriert. Ist die Zahl der endlichen Dämpfungspole groß, wird deshalb der Spannungsübertragungsfaktor bzw. die Dämpfung in diesem mittleren Bereich sehr hoch, was zur Folge hat, daß die Empfindlichkeit der Bauelemente groß wird und daß die Leistungsfähigkeit des Filters abnimmt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein elektromagnetisches Filter der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Grundschaltung eines

te asymmetrischen Filters durch ein mechanisches Vibrationssystem gebildet wird, ohne daß sich die genannten Einschränkungen bei der Auslegung des Filters ergeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zwischenresonatoren zueinander parallel geschaltet sind und daß die Kopplungskoeffizienten der beiden Koppler mindestens eines Kopplerpaares sich um mehr als 5% unterscheiden.

Erfindungsgemäß sind also die Zwischenresonatoren

ausschließlich sowohl mit dem Eingangs- als auch mit dem Ausgangsresonator gekoppelt, d. h, sie sind nicht unmittelbar miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, eine Vielzahl von Zwischenresonatoren zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsresonator anzuordnen und zueinander parallel zu schalten, so daß eine Vielzahl von Dämpfungspolen erreichbar ist Durch das Fehlen von Kopplungsveroindungen zwischen den Zwischenresonatcren wird ferner in vorteilhafter Weise erreicht, daß die gewünschten Dämpfungspole durch Vergrößern der Zwischenresonatoren frei wählbar sind, was bei den bekannten Filtern nicht möglich ist Durch die Differenz der Kopplungskoeffizienten der zu den Zwischenrtsonatoren führenden Koppler mindestens eines Kopplerpaares können die Dämpfungspole an beiden Seiten des Frequenzbandes asymmetrisch angeordnet werden. Die erfindungsgemäß getroffene Differenz von mehr als 5% in den Kopplungskoeffizienten liegt in jedem Falle außerhalb eines unvermeidlichen Streubereiches. Mit dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Filter können damit bisher nicht zu verwirklichende Kennlinien, wie beispielsweise flache Verzögerungskennlinien und die lineare Phasenabhängigkeit, realisiert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filters sind in den Unteransprüchen beschrieben. Mit den Merkmalen des Anspruches 2 wird aufgrund des Torsions-Mode eine gegenphasige Beziehung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangskoppler erreicht, aufgrund der das vorliegende Filter in einfacher Weise in die Praxis umgesetzt werden kann. Ein mit den Merkmalen des Anspruches 3 ausgestattetes Filter, bei dem drei Zwischenresonatoren vorgesehen sind, kann drei Dämpfungspole enthal *n, so daß eine bestimmte gewünschte Filtercharakteristik erreichbar ist Die Merkmale des Anspruches 4 machen es möglich, daß die Herstellung des erfindungsgemäßen Filters einfacher und genauer wird. Auf Grund des Biege-Mode der Ausführungsform mit den Merkmalen des Anspruches 5 kann der Filteraufbau kleiner gemacht werden, weil die Größe bzw. die Abmessungen der Resonatoren durch die Bedingung bestimmt ist, daß die Resonanzfrequenz konstant ist.

Bevor auf die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Einzelnen eingegangen wird, sei folgendes vorausgeschickt:

Ein elektromechanisches Filter wird durch folgende Transformationen hergestellt; sie gehen von der Grundschaltung eines asymmetrischen Filters mit endlichen Dämpfungspolen aus, die in eine parallele Kreuzschaltung transformiert wird:

(1) Die Grundschaltung des asymmetrischen Filters mit den Dämpfp.ngspolen wird in eine Schaltung transformiert die zwischen zwei Parallelresonanzkreisen liegt;

(2) Für den Teil der nach (1) entstehenden Schaltung, der zwischen den beiden Parallelresonanzkreisen liegt, wird eine Leitwertmatrix aufgestellt, in Partialbrüchc entwickelt und dann in eine Partialbruchschaltung umgesetzt;

(3) Die nach (2) entstehende Schaltung wird z. B. einer Norton-Transformation oder einer imaginären Gyrator-Transformation unterworfen, so daß man eine parallele Kettenschaltung erhält;

(4) Die parallele Kettenschaltung nach (3) wird mit Resonatoren und Kopplern realisiert. Es entsteht daselektromechanische Filter.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert Es stellen dar

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausfüh-

S rungsbeispiels,

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild des Filters nach F i g. 1,
F i g, 3 eine Grundschaltung des Filters nach Fig. 1,
Fig.4 und 5 Schaltungen, die einzelne Schritte der Transformation der Grundschaltung nach F i g. 1 in das

ίο Ersatzschaltbild nach F i g. 2 erläutern,

Fig.6 die perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels mit dem in Fig.2 dargestellten Ersatzschaltbild,
Fig.7 ein Ersatzschi'tbild eines asymmetrischen Filternetzwerkes 22. Ord lung mit 2 endlichen Dämpfungspolen,

Fig.8 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels bei dem das Ersatzschaltbild nach F i g. 7 realisiert ist

Fi g. 9 ein Ersatzschaltbild eines FiIt.,Netzwerkes mit zwei endlichen Dämpfungspoien unter Verwendung von drei parallelen Resonanzkreisen,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem das Ersatzschaltbild nach Fig. 9 realisiert ist

Das in Fig.2 dargestellte Ersatzschaltbild des elektromechanischen Filters nach F i g. 1 wird zunächst anhand der F i g. 3 bis 5 beschrieben. F i g. 3 zeigt die Grundschaltung eines asymmetrischen Filiers mit einem endlichen Dämpfungspol unterhalb des Durchlaßbereiches. Transformiert man den Teil der Schaltung, der

• zwischen den gestrichelten Linien aa'bis 66'liegt, nach Schritt (1) wie oben angegeben, erhält man die Schaltung nach F i g. 4, von der ein Teil zwischen zwei Parallelresonanzkreisen liegt. Daraus erhält man die Schaltung nach F i g. 5 durch die unter (2) angegebene Transformation des Teiles der Schaltung nach F i g. 4, der mit der gestrichelten Linie umgeben ist. Durch dne Transformation dieser Schaltung nach Schritt (3), wie oben angegeben, erhält man die parallele Kettenschaltung nach Fig.2, die das Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt. In F i g. 2 werden dann die Parallelresonanzschaltkreise 201 und 204 durch Wandler (Transduktoren) und die Parallelresonanzschaltkreise 202 und 203 durch Resonatoren, und die Spulen 205 und 208 durch Koppler ersetzt. Der Übertrager mit dem Übertragungsverhältnis von 1 : - 1 stellt eine Kopplung in Phasenumkehr zwischen den Parallelresonanzschaltkreisen 202 und 204 dar.

Setzt man nun das so gewonnene Ersatzschaltbild nach F i g. 2 in ein mechanisches Vibrationssystem um, dann erhält man das elektromechanische Filter nach Fig.l.

F i g. 1 zeigt schematisch ein elektromechanisches F'Uer mit asymmetrischem Pol; der endliche Dämpf' igspol liegt unterhalb des Durchlaßbereiches; die bsiden Torsionsresonatoren 102 und 103 sind mecha-■ sch durch Kopple- 110 bis 113 zwischen den Wandlern lOl und 104 parallel geschaltet. Die Wandler werden ebenfalls durch Torsions-Resonatoren (Vibration im Torsions-Mode) gebildet. Die Koppler schwingen longitudinal (Vibration im Longitudinal-Mode). Die Wandler (Transduktoren) 101 bis 104 und die Resonato-1 en 102 und 103 werden an ihren Knotenpunkten von einem Stützdraht 109 gehalten. Die Wandler 101 und 104 sind mit Anschlußklemmen 105 und 106 bzw. 107 und 108 verbunden.

Die KoDDluneskoeffizienten der Konnler 110 imH

111, die mit dem Resonator 102 verbunden sind, oder der Koppler 112 und 113, die mit dem Resonator 103 verbunden sind, unterscheiden sich in ihrem Absolutwert um mehr als 5%. Dieser Unterschied von mehr als 5% im Absolutwert der Kopplungskoeffizienten kann auch für beide Paare 110- ill, 112-113 von Kopplcrn gegeben sein. Um zwischen den Resonatoren 102 und 104 eine Kopplung mit umgekehrter Phase zu erreichen zu können, wird z. B. der Koppler 111 in Kontakt mit der Innenseite des Resonators 102 angebracht.

Die Klemmen 105 und 106 seien nun die Eingangsklemmen, die Klemmen 107 und 108 die Ausgangsklemmen. Bei Erregung dieser Schaltung wirkt sie als elektromechanisches Filter m t einem endlichen Dämpfungspol auf der unteren Seite des Durchlaßbereiches.

Es gelten die Beziehungei fi<h (h und /3 sind die Resonanzfrequenzen der Resonatoren 102 und 103), sowie k\w<k\\n. k\\i<k\n f/fno—^m sind die Kopp-Inng<;knpffi7ipnten der Koppler 110 bis 113). Gilt ferner h<(i und k\\\<k\\f><kw\<k\\i, entsteht ein weiteres elektromechanisches Filter, mit einem endlichen Dämpfungspol oberhalb des Durchlaßbereiches.

F i g. 6 zeigt ein elektromechanisches Filter, das das in Fig. 2 gezeigte Ersatzschaltbild mit Resonatoren verwirklicht, die im Grund-Biege-Mode und nicht im Torsions-Vibrations-Mode schwingen. Die Resonatoren 602 und 603 sind mechanisch über Koppler 609 bis 612 zwischen ebenfalls durch Resonatoren 601 und 604 ausgebildeten Wandlern parallel geschaltet. Der Koppler 610 ist derart angeordnet, daß zwischen den Resonatoren 602 und 604 eine Kopplung mit umgekehrter Phase erfolgt. Wie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 unterscheiden sich die Kopplungskoeffizienten der Koppler 609 und 610 bzw. 611 und 612 in ihrem Absolutwert um mehr als 5%. Dieser Unterschied kann auch für nur eines der beiden Paare Kopplern 609-610, 611-612 gegeben sein.

Die im vorgehenden beschriebenen Filter waren jeweils mit 4 Resonatoren aufgebaut. Aus dieser Anordnung kann eine Vielzahl von elektromechanisehen Filtern als parallele Kettenschaltungen aufgebaut werden. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 dargestellt.

Fig. 7 zeigt das eines Filternetzwerks 22. Ordnung mit zwei endlichen Dämpfur.gspolen. Im Ersatzschaltbild werden die Parallelresonanzkreise 701 und 711 durch mit Resonatoren realisierte Wandler, die Parallelresonanzkreise 702 bis 710 durch Resonatoren, die Spulen 711 bis 723 durch Koppler ersetzt. Übertrager mit einem Übertragungsverhältnis von 1 : — 1 stellen eine umgekehrte Phasenbeziehung zwischen den Parallelresonanzkreisen 702 und 703 bzw. 707 und 708 dar.

Wie beim ersten Ausführungsbeispiel erhält man damit aus F i g. 7 das Filter nach F i g. 8 durch Umsetzen des Ersatzschaltbildes in ein mechanisches Vibrationssystem. Die Resonatoren 803 und 804 und ferner die Resonatoren 808 und 809 sind jeweils zwischen den Resonatoren 802 und 805 bzw. 807 und 810 über Koppler 813 bis 816 bzw. 819 bis 822 parallel geschaltet Die Resonatoren 803, 804, 808 und 809 weisen Ausnehmungen auf, um eine Berührung mit den Kopplern 815,814,821 und 820 zu vermeiden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel besteht zwischen den Kopplungskoeffizienten der Koppler 813 und 814 in deren Absolutwert ein Unterschied von mehr als 5%. Ein derartiger Unterschied kann auch zwischen den Kopplungskoeffizienten der Koppler 815 und 816 gegeben sein. Eine solche der Kopplungskoeffizienten liegt auch zumindest bei einem der Paare von Kopplern 819-820, 821-822 vor. Sind die einzelnen Resonatoren wie gezeigt aufeinander ausgerichtet, so können sie leicht durch einen Stützdraht 824 den zentralen Knotenpunkten ihrer Torsionsschwingung abgestützt werden.

Fig.9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Grundschaltung eines asymmetrischen Filters mit zwei endlichen Dämpfungspolen, und zwar je einem oberhalb und unterhalb des Durchlaßbereiches in ein Ersatzschaltbild eines elektromechanischen Filters umgewandelt worden ist. Die Parallelresonanzkreise 901 und 905 werden durch als Resonatoren ausgebildete Wandler, die Parallelresonanzkreise 902 bis 904 ebenfalls durch Resonatoren, die Spulen 906 bis 911 durch Koppler ersetzt. Wie oben stellen Übertrager mit einem Übertragungsverhältnis von 1 : — 1 eine umgekehrte Phasenbeziehung zwischen den Resonanzkreisen 902 uH 905 her. Aus F i g. 9 erhält man dann das in Fig. 10 dargestellte Filter, wenn das Ersatzschaltbild durch ein mechanisches Schwingungssystem ersetzt wird. Dieses Ausführungsbeispiel weist die Besonderheit auf, daß drei miteinander parallelgeschaltete Resonatoren, nämlich die Resonatoren 1002, 1003 und 1004 verwendet werden. Diese drei Resonatoren 1002, 1003 und 1004 sind mechanisch miteinander zwischen den ebenfalls als Resonatoren ausgebildeten Wandlern 1001 und 1005 über Koppler 1006 und 1011 parallel geschaltet. Der Koppler 1007 ist so angeordnet, daß er zwischen den Resonatoren 1002 und 1005 eine umgekehrte Phasenbeziehung herstellt. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen bestehl zumindest bei einem der jeweils zum Eingangs- und zum Ausgangs-Resonator führenden Paare von Kopplern 1006-1007, 1008-1009 und 1010-1011 ein Unterschied in den Kopplungskoeffizienten von mehl als 5%. In diesem FaI! können anstelle über der beschriebenen Resonator 1005 die Resonatoren 1001 und 1002 direkt durch einen weiteren Kopplei miteinander verbunden werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen warer jeweils zwei oder drei Resonatoren mechar'.Tcr miteinander parallel geschaltet. Man kann anstatt dessen natürlich auch vier oder mehr Resonatoren ir derselben Art und Weise verwenden. Ferner kann mar die in den Ausführungsbeispielen nach Fig.8 und K verwendeten Resonatoren, die eine Vibration in Torsions-Moden ausführen, durch Resonatoren erset zen, die im Biege-Mode oder im Seher-Mode ein« Vibration ausführen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektromechanisches Filter mit einem Eingangsresonator und einem Ausgangsresonator, die Ober Kopplungsglieder mit einem Eingangs- bzw. Ausgangsschaltkreis verbindbar sind, und mit mindestens zwei Zwischenresonatoren, die jeweils über ein aus je einem eingangsseitig und einem ausgangsseitig angeordneten Koppler gebildeten Kopplerpaar mit dem Eingangs- und dem Ausgangsresonator gekoppelt sind und von denen einer an den Eingangs- oder den Ausgangsresonator gegenphasig angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenresonatoren (102, 103; 602, 603; 803, 804; 808, 809; 1002, 1003, 1004) zueinander parallel geschaltet sind und daß die Kopplungskoeffizienten der beiden Koppler mindestens eines Kopplerpaares (110, Ul; 112, 113; 609, 610; 611, 612; 813, 814; 815, 816; 819, 820; 821, 822; 1006, i007; 1008, 1009; iOlO, 1011) sich um mehr als 5% unterscheiden.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsresonator und die Eingangskopplungsglieder sowie der Ausgangsresonator und die Ausgangskopplungsglieder durch einen Eingangs- (101) und einen Ausgangs-Wandler (104) in Form von im Torsions-Vibrations-Mode schwingende Resonatoren gebildet sind, und daß zwei ebenfalls im Torsions-Vibrations-Mode schwingende Zwischenresonatori r> (102,103) eingesetzt sind.

3. Filter nach Anspruch t, daH'irch gekennzeichnet, daß der Eingangsresonator und die Eingangskopplungsglieder sowie der Ausga^gsresonator und die Ausgangskopplungsglieder durch einen Eingangs- (1001) und einen Ausgangs-Wandler (1005) in Form von im Torsions-Vibrations-Mode schwingenden Resonatoren gebildet sind, und daß drei ebenfalls in Torsions-Vibrations-Mode schwingende Zwischenresonatoren (1002, 1003, 1004) eingesetzt sind.

4. Filter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (101, 104; 1001, 1005) und/oder die Zwischenresonatoren (102, 103; 1002, 1003, 1004) zylindrisch im wesentlichen gleich ausgebildet sind, und daß die umgekehrte Phasenbeziehung zwischen zweien der Wandler bzw. Resonatoren dadurch hergestellt wird, daß die Koppler (110, 111; 1006, 1007) an einem der Zwischenresonatoren (102, 1002) an Stellen angreifen, die zueinander in bezug auf den Querschnittsmittelpunkt symmetrisch angeordnet sind.

5. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsresonator und die Eingangskopplungsglieder durch einen Eingangs- (601) und einen Ausgangs-Wandler (604) in Form von im Biege-Vibrations-Mode erster Ordnung schwingenden Resonatoren gebildet sind und daß zwei ebenfalls im Biege-Vibrations-Mode erster Ordnung schwingende Zwischenresonatoren (602,603) eingesetzt sind.