DE3006692C2 - Quarzbandpaß, bei welchem auf die Nichtlinearität des Verlustwiderstandes von Quarzresonatoren Bedacht genommen ist - Google Patents

Description

mit der Maßgabe,

daß der für die Sparbrückenschaltung vorgesehene Schwingquarz eine geringe Nichtlinearität seines Verlustwiderstandes aufweist,
daß die Serienresonanzstelle des Zweipols ebenfalls im oberen Sperrbereich liegt und
daß eine zum Ausgang der Sparbrückenschaltung parallelliegende Kapazität und gegebenenfalls auch eine am Eingang des ausgangsseitigen Anpassungsvierpols parallelliegende Kapazität um einen der (kapazitiven) Reaktanz des Zweipols bei der Mittenfrequenz des Bandpaß-Durchlaßbereiches entsprechenden Betrag vermindert ist.

2. Bandpaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sparbrückenschaltung durch die Kettenschaltung aus einem Übertrager (t/2) und einem Längszweig (Cb) sowie durch den diese Kettenschaltung überbrückenden Zweig (Q 1) verwirklicht ist (F ig. 3).

3. Bandpaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (Ü 2) der Sparbrückenschaltung ein Übersetzungsverhältnis ü hat, das kleiner als 1 ist.

4. Bandpaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungsschaltungen (Ai, /4 2) als parametrische Tiefpässe ausgeführt sind.

Die Erfindung betrifft einen Quarzbandpaß, bei welchem auf die Nichtlinearität des Verlustwiderstandes von Quarzresonatoren Bedacht genommen ist.

Derartige Quarzbandpässe werden in Geräten der Nachrichtentechnik, z. B. in den Zwischenfrequenzstufen von Überlagerungsempfängern, benötigt.

Aus der Vortragssammlung »Proceedings of the 26th Annual Symposium on Frequency Control« (Tagung vom 6. bis 8. Juni 1972) Seiten 180 bis 186 ist es bekannt, Quarzfilter als nichtlineare Anordnungen zu betrachten und die entstehenden Intermodulationsprodukte in Betracht zu ziehen. Um in kritischen Anwendungsfällen Quarzresonatoren mit ausreichend kleinen Nichtlineari-

taten zu erhalten, wird dort empfohlen, die Quarzresonatoren in arbeitsaufwendiger Weise besonders sorgfältig herzustellen und in materialaufwendiger Weise aus einer größeren Menge auszusuchen.

Aus der US-PS 22 66 658 ist eine beidendig mit Anpassungsschaltungen versehene Kettenschaltung aus einer je einen Quarzresonator in jedem Brückenzweig aufweisenden Quarz-Sparbrückenschaltung und einem als Querzweig dienenden Zweipol bekannt, der zwei Quarzresonatoren enthält. Die Dämpfungspole dieser Gesamtanordnung sind auf die Sparbrückenschaltung und auf den Zweipol aufgeteilt

Die durch F i g. 2 dieser US-Patentschrift veranschaulichte Dämpfungskurve einer als Bandpaßfilter entworfenen Quarz-Sparbrückenschaltung besagt aufgrund der zwei, im oberen und unteren Sperrbereich in Erscheinung tretenden Dämpfungspole, daß von den auf Seite 92 des Buches von W. Herzog »Siebschaltungen mit Schwingkristallen«, 2. Auflage, aufgezeigten drei Möglichkeiten für die Bemessung der Brückenzweigreaktanzen die dort anhand von Abb. 109a an erster Stelle behandelte Dimensionierung für die durch F i g. 1 und 4 dieser Patentschrift wiedergegebenen Quarz-Sparbrükkenschaltungen gewählt ist Für diese Dimensionierungsart der Brückenzweigreaktanzen einer Quarz-Sparbrückenschaltung ist gemäß Abb. 109a auf Seite 92 sowie gemäß den Abbildungen 100 und 101 auf Seite 83 des obengenannten Buches von W. Herzog charakteristisch, daß die eine der beiden Zweigreaktanzen eine vom Quarzresonator dieser zweigreaktanz herrührende Nullstelle etwa in der Mitte des Filter-Durchlaßbereiches aufweist, was infolge der mehr oder minder ausgeprägten Nichtlinearität dieses Quarzresonators zu einer pegelabhängigen Grunddämpfung im Filter-Durchlaßbereich führen kann. Eine zu große Nichtlinearität von Quarzresonatoren, die für Siebschaltungen vorgesehen sind, ist auch deshalb als schwerwiegender Nachteil anzusehen, weil sie ein unzulässig starkes Differenztonklirren hervorruft. Bei den durch Fig. 1 und Fig.4 der US-Patentschrift 22 66 658 gezeigten Sparbrückenschaltungen wirkt sich demnach die Nichtlinearität desjenigen Quarzresonators, dessen auf die Quarz-Serienresonanz zurückzuführende Nullstelle etwa in die Mitte des Filter-Durchlaßbereiches zu liegen kommt, wesentlich ungünstiger aus als bei der beispielsweise durch das »Handbook of Filter Synthesis« von Anatol Zverev auf den Seiten 421 bis 438 in allen Einzelheiten beschriebenen Quarz-Sparbrückenschaltung mit einem Quarzresonator in dem einen Brückenzweig und mit einem Kondensator in dem anderen Brückenzweig: Es deckt sich nämlich bei allen drei hinsichtlich des Verlaufes der Filter-Dämpfungskurve denkbaren Bemessungsvariationen dieser Sparbrückenschaltung gemäß den auf Seite 429 dieses Buches wiedergegebenen Reaktanzdiagrammen die Frequenzlage der Nullstelle der den Quarzresonator enthaltenden Zweigreaktanz mit der Frequenzlage der oberen Filter-Grenzfrequenz. Der bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 4 der US-Patentschrift 22 66 658 mit der Sparbrückenschaltung durch Kettenschaltung verbundene, als Querzweig dienende Zweipol enthält zwei parallelgeschaltete Quarzresonatoren, die Nullstellen im Reaktanzdiagramm dieses Zweipols hervorrufen, die nicht anders als außerhalb des Durchlaßbereiches der Gesamtanordnung zu positionieren sind und gemäß den Lehren dieser Patentschrift zur Versteilerung der Filterflanken herangezogen werden können. Zusammenfassend wird in dieser Patentschrift iedoch auf das

Problem der Nichtlinearität von Quarzresonatoren nicht eingegangen.

Im einzelnen ist aus dem bereits genannten »Handbook of Filter Synthesis« von Anatol Zverev, Seiten 428-430, Unterabschnitt »8.9 Circuit Analysis of a Simple Filter«, und Seite 446, Fig. 8.38 sowie Seite 451, Fig. 839 die Verwendung einer Sparbrückenschaltung bekannt, die als Brückenzweige einseits einen Schwingquarz und andererseits einen Kondensator enthält und die aufgrund ihrer Bemessung der Brückenzweige einen Dämpfungspol im oberen Sperrbereich ergibt

Aus demselben Buch, Seite 426, Fig. 8.12 und Seite 448, Tafel 8.2 sind Brückenschaltungen und Sparbrükkenschaltungen für schmalbandige Bandpässe mit zwei Quarzresonatoren bekannt Eine derartige bekannte Brückenschaltung ist in F i g. 1 dargestellt Sie besteht aus zwei Quarzresonatoren Q, zwei Brückenkapazitäten Cl, einem Eingangswiderstand Re sowie einem Ausgangswiderstand Ra. (Diese Widerstände sind unter der Annahme eines verschwindenden Quellenwiderstandes und eine unendlichen Abschlußwiderstandes in die Schaltung einbezogen.) Die beiden Quarzresonatoren Q sind mit ihren Ersatzschaltungen dargestellt. Sie befinden sich jeweils in den Längszweigen und sie enthalten jeweils eine Induktivität Lq, eine Serienkapazität Cq und eine Parallelkapazität Co. Am Ausgang und am Eingang des Bandpasses liegen noch die sich aus der Bartlett'schen Transformation ergebenden Restkapazitäten Cpa bzw. Cpe.

Ein Beispiel einer Sparbrückenschaltung mit einem Quarzresonator in dem einen und einem Kondensator in dem anderen Brückenzweig ist in F i g. 2 dargestellt.

Sie besitzt einen symmetrischen Differentialübertrager Ü\ und nur einen Quarzresonator, der auf Grund der Umrechnung der in Fig. 1 angegebenen Schaltung abweichende Werte hinsichtlich Induktivität ( = 2 Lq), Serienkapazität (⁼~) ^υη^ Parallelkapazität ( = — j hat. Die Brückenkapazität verringert sich um die

Hälfte auf den Wert γ

In der Meß- und Regeltechnik werden häufig hohe Forderungen an die oberhalb des Durchlaßbereiches auftretende Sperrdämpfung gestellt. Gemäß dem »Handbook of Filter Synthesis« von A. Zverev, Seite 449, Tafel 8.3, und Seite 450, Tafel 8.4, sind diese Forderungen dadurch erfüllbar, daß mehrere Brückenschaltungen in Kv;tte geschaltet werden. Daraus ergibt sich der Nachteil einer großen Toleranzempfindlichkeit für den ganzen Bandpaß.

Bei den durch das »Handbook of Filter Synthesis« von A. Zverev bekannten Sparbrückenschaltungen haben die verwendeten Sparübertrager ein Übersetzungsverhältnis von 1:—1. Die zur einganjs- und ausgangsseitigen Anpassung wegen der hohen Quarzinduktivitäten notwendigen Anpassungsvierpole sind dabei als Anpassungsübertrager ausgebildet. Diese besitzen eine weitere getrennte Wicklung mit von 1 : 1 abweichendem Wicklungsverhältnis, das die Anpassung bewirkt. Dabei müssen Eigenkapazität, Güte und Streuinduktivität der Anpassungsübertrager berücksichtigt werden. Da bei der Schaltung nach F i g. 2 gegenüber der Schaltung nach F i g. 1 die Brückenkapa-

Cl
zität nur den halben Wert—besitzt, ergibt sich der

Nachteil, daß diese Schaltung trotz Anwendung von Anpassungsübertragern nicht realisiert werden kann, nämlich dann, wenn die ohnehin vorhandenen Schaltungskapazitäten den Wert — übersteigen.

Aus derselben Literaturstelle, Seite 487, Fig. 8.57 und 858, ist es weiterhin bekannt be» Bandpässen nach Fig.2 statt eines Quarzresonators deren mehrere parallel zu schalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Quarzbandpaß anzugeben, bei dem die unerwünschten

'<· Auswirkungen der Nichtlinearität des Verlustwiderstandes von Quarzresonatoren mit vergleichsweise geringem Aufwand weitgehend unterbunden sind und der gleichzeitig hohen Anforderungen hinsichtlich der Sperrdämpfung gerecht wird.

ι '> Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Bandpaß der eingangs genannten Gattung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

-^(l Der Quarzbandpaß nach der Erfindung ist nachfolgend anhand eines in F i g. 3 dargestel/ten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Das in F i g. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Bandpasses nach der Erfindung besteht aus der

-"' Kettenschaltung einer Sparbrückenschal'ung in der Cauerschen Form und eines als Querzweig dienenden, durch den Quarzresonator Q2 verwirklichten Zweipoles, und dieser Kettenschaltung geht eingangsseitig ein als parametrischer Tiefpaß entworfener Anpassungs-

s" vierpol A 1 voran und ausgangsseitig folgt ihr ein gleichfalls als parametrischer Tiefpaß errechneter Anpassungsvierpol A 2 nach. Die Sparbrückenschaltung in der Cauerschen Form besteht aus dem Übertrager Ü2 mit dem Übersetzungsverhältnis 1 :(-ü), dem

υ durch seine Ersatzschaltung LqI, CqI und Co 1 veranschaulichten, den einen Brückenzweig verwirklichenden Quarzresonator Q1 sowie aus dem den anderen Brückenzweig realisierenden Kondensator Cb. Der mit der Sparbrückenschaltung durch Kettenschal-

⁴⁽¹ tung verbundene, als Querzweig dienende Quarzresonator Q 2 ist durch seine Ersatzschaltung Lq 2, Cq 2, Co 2 dargestellt. Es wird vorausgesetzt, daß der numerische Wert von Co 2 die Halterungskapazität des Quarzresonators ζ) 2 miteinschließt.

·<> Der ausgangsseitige Anpassungsvierpol A 2, ausgebildet als parametrischer Tiefpaß, transformiert den Abschlußwiderstand Ra der Kettenschaltung aus der Sparbrückenschaltung und dem Zweipol in Form des Quarzresonators Q2 auf einen gewünschten Wert Ra'

im Durchlaßbereich des Bandpasses. Über parametrische Tiefpässe als solche gibt die Abhandlung von P. Allemandou »Filtres symetriques passe-bas ou passehaut, de degre 5, inseres entre deux resistances egales« in der Zeitschrift »Cables & Transmission« Band 17, No. 1, Seiten 56 bis 69 (Januar 1963) im grundsätzlichen Aufschluß. Der ausgangsseitigen Anpassungsvierpol A 2 in Form eines parametrischen Tiefpasses wird durch die Kapazitäten Ca 1 und Ca 2 sowie die Induktivität La 1 gebildet. Die Kapazität Ca 2 bestimmt sich aus der

^b0 Summe der rechnerischen Kapazität des Tiefpasses A 2, der Restkapazität Cpa (F i g. 1 und 2), und einer Kapazität

CI

2ü

die als Folge der Einführung des unsymmetrischen Übertragers Ü2 parallel zum Ausgang der Brücken-

schaltung mit der Maßgabe geschaltet werden muß, daß sie schließlich um den kapazitiven Reaktanzanteil des Quarzresonators Q 2 bei der Bandmittenfrequenz zu vermindern ist. Eingangsseitig ist ein parametrischer Anpassungstiefpaß A 1 vorgesehen, der den Eingangswiderstand Re der Kettenschaltung aus der Sparbrükkenschaltung und dem Zweipol in Form des Quarzresonators Q2 auf einen gewünschten Widerstand Re' transformiert und der durch die Kapazitäten Ce 1, Ce 2 sowie durch die Induktivität Le 1 gebildet ist. Die Kapazität Ce 2 bestimmt sich aus der Summe der rechnerischen Kapazität des Tiefpasses, der Restkapazität Cpe(F i g. 1 und 2) sowie einer Kapazität

Cl

die als Folge der unsymmetrischen Ausbildung des Übertragers Ü2 parallel zum Eingang der Brückenschaltung geschaltet werden muß.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Bandpasses nach der Erfindung weist gegenüber dem Bandpaß nach Fig.2 durch Verwendung zweier Quarzresonatoren eine wesentlich höhere Sperrdämpfung oberhalb des Durchlaßbereiches auf, wobei aber nur einer (Q 1) der beiden Quarzresonatoren hinsichtlich eines möglichst pegelunabhängigen Verlustwiderstandes ausgesucht sein muß.

Da der Übertrager Ü2 — analog den Differentialübertragern von bekannten Sparbrückenschaltungen in unsymmetrischer Form mit dem Windungsverhältnis 1 : m : η der drei Wicklungen — das Übersetzungsverhältnis 1 :( — ü) hat, ergibt sich für die Brückenkapazität

Cl Cl

Cb der Wert—;. Dabei ist-—die Kapazität, die sich bei 2u 2

einer vielfach angewandten Brückenschaltung mit dem Übersetzungsverhältnis 1:( —1), wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ergibt und die oftmals zu klein ist, um praktisch realisiert werden zu können. Für den unsymmetrischen Übertrager Ü2 ist jedoch (7<1, so daß die Brückenkapazität Cb einen realisierbaren Kapazitätswert erhält. Die Kapazität Co 1 ist, bedingt durch die Bartlett'sche Transformation aus der Ketten-

Cl

schaltung, immer größer als—.

Die bei der Serienresonanzfrequenz des Quarzresonators Q2 auftretenden pegelabhängigen Nichtlinearitäten liegen hinsichtlich ihrer Frequenzlage über der oberen Grenzfrequenz der Sparbrückenschaltung (im

-¹H Sperrbereich) und haben daher praktisch keinen Einfluß auf die Klirreigenschaften der Gesamtanordnung. Da die Anpassungsnetzwerke AX, A2 als Tiefpässe ausgebildet sind, erhält man außer den gewünschten Abschlußwiderständen im Durchlaßbereich der Ketten-

- > schaltung aus der Sparbrückenschaltung in der Cauerschen Form und aus dem als Querzweig angeordneten, durch den Quarzresonator Q2 verwirklichten Zweipol auch noch eine zusätzliche Dämpfung in deren Sperrbereich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Quarzbandpaß, bei welchem auf die Nichtlinearität des Verlustwiderstandes von Quarzresonatoren Bedacht genommen ist, gekennzeichnet durch

a) die Verwendung einer beidendig mit Anpassungsschaltungen versehenen Kettenschaltung aus einer Quarz-Sparbrückenschaltung und einem als Querzweig dienenden Zweipol mit zumindest einer Serienresonanzsteile, wodurch die Dämpfungspole der Gesamtanordnung auf die Sparbrückenschaltung und auf den Zweipol aufgeteilt sind, der bei hohen Selektivitätsforderungen einen oder mehrere Quarzresonatoren enthält

b) die Verwendung einer Sparbrückenschaltung, die als Brückenzweige einen Schwingquarz und einen Kondensator enthält und die aufgrund ihrer Bemessung einen Dämpfungspol im oberen Sperrbereich ergibt