DE1125563B

DE1125563B - Elektromechanische Elemente enthaltendes elektrisches Filter in Abzweigschaltung

Info

Publication number: DE1125563B
Application number: DES43857A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Werner Poschenrieder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-05-09
Filing date: 1955-05-09
Publication date: 1962-03-15
Also published as: GB837275A; FR1149759A; NL206956A; NL113891C

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S43857IXd/21g

ANMELDETAG: 9. MAI 1955

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 15. MÄRZ 1962

Elektrische Filter, für die als Bauelemente ausschließlich oder zum Teil elektromechanische Schwinger (piezoelektrische Elemente bzw. magnetostriktive Schwinger) mit einer Reihenresonanzstelle und einer Parallelresonanzstelle in geringem Frequenzabstand vorgesehen sind, lassen sich nur dann ohne weiteres in Abzweigschaltung verwirklichen, wenn die relative Bandbreite ihres Durchlaßbereiches bzw. ihres Sperrbereiches überaus schmal ist. Auf diese Tatsache ist es zurückzuführen, daß elektromechanische Elemente enthaltende Filter, z. B. Quarzfilter, im allgemeinen in Brückenschaltung aufgebaut werden, wenn ihr Durchlaßbereich bzw. ihr Sperrbereich nicht sehr schmal sein soll. Solche Brückenfilter enthalten neben den elektromechanischen Elementen eine mehr oder weniger große Anzahl von Spulen und Kondensatoren. Die maximal erzielbare relative Bandbreite von in Brückenschaltung verwirklichten Bandpässen und Bandsperren mit elektromechanischen Elementen beträgt etwa ein Zehntel der Mittenfrequenz des Durchlaß- bzw. des Sperrbereiches. Infolge der zeitlich und durch Temperatureinflüsse bedingten Änderungen der Spulen und Kondensatoren ist die Stabilität der Brückenfilter mit elektromechanischen Elementen trotz der Konstanz dieser Elemente in Frage gestellt.

In dem Bestreben, die Vorteile der Abzweigschaltung auch Filtern mit elektromechanischen Elementen uneingeschränkt zugängig zu machen, ist bereits ein in Abzweigschaltung verwirklichtes Einseitenbandfilter mit einem Schwingquarz angegeben worden, für das Bemessungsregeln gelten, die es ermöglichen, das Filter mit Bandbreitewerten zu entwerfen, die nicht durch den kleinen Frequenzabstand zwischen der Reihenresonanzstelle und der Parallelresonanzstelle des Schwingquarzes eingeengt sind. Neben zwei jeweils aus einem Kondensator bestehenden Querzweigen und zwei jeweils durch eine Spule realisierten Längszweigen weist dieses Filter außerdem ein Halbglied auf, dessen Querzweig durch einen Schwingquarz gebildet und dessen Längszweig aus einem Parallelresonanzkreis aufgebaut ist. Die Reihenresonanzstelle des Schwingquarzes ergibt den Dämpfungspol des Filters. Die Parallelresonanz im Längszweig des Halbgliedes und die Parallelresonanz des Schwingquarzes stimmen in ihrer Frequenzlage überein. Unbeschadet dieser Wahl der Resonanzfrequenz des Parallelresonanzkreises im Längszweig ist bei der Resonanzfrequenz dieses Kreises das Filter durchlässig. Die Bemessungsregeln, die diesem bekannten Einseitenbandfilter zugeordnet sind, lassen nicht erkennen, wie bei anderen Anforderungen an die Filtercharakteristik Siebschaltungen mit elektromechanischen Elementen in Ab-Elektromechanische Elemente enthaltendes elektrisches Filter in Abzweigschaltung

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dr.-Ing. Werner Poschenrieder, München,
ist als Erfinder genannt worden

zweigschaltung auszubilden sind, damit sich relativ

ao breite Durchlaßbereiche bzw. Sperrbereiche mit einem steilen Dämpfungsanstieg bei wenigstens einem Übergang von einem Durchlaßbereich zu einem Sperrbereich ergeben.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Filter, das zumindest ein Halbglied enthält, bei welchem sich eine Parallelresonanz des Längszweiges wenigstens angenähert mit einer Parallelresonanz des Querzweiges deckt, der einen elektromechanischen Schwinger mit einer Parallelresonanz und einer Reihenresonanz aufweist, deren geringer Frequenzabstand ohne Einfluß auf die Breite des Durchlaßbereicbes des Halbgliedes ist. Ein derartiges Filter wird erfindungsgemäß dadurch in weitem Umfange beliebigen Forderungen anpaßbar, daß durch eine dem elektromechanischen Element des Halbgliedes parallelliegende Reaktanz entsprechend gewählten Vorzeichens und Wertes zur Reihenresonanzstelle und Parallelresonanzstelle im Reaktanzdiagramm des Querzweiges eine weitere, hinsichtlich ihrer Frequenzlage einen vorgegebenen Wert aufweisende Parallelresonanzstelle hinzutritt und daß von diesen beiden Parallelresonanzen die im Filtersperrbereich gelegene im Längszweig des Halbgliedes gleichartig und wenigstens nahezu gleichfrequent wiederholt ist.

Es ist an sich eine Siebschaltung in Form eines symmetrischen π-Gliedes bekannt, dessen Querzweige jeweils einen Schwingquarz mit parallel geschalteter Spule enthalten und dessen Längszweig aus einem Parallelresonanzkreis besteht. Die Resonanzstellen im Reaktanzdiagramm des Längszweiges und der Querzweige sind hierbei jedoch wesentlich anders als beim Erfindungsgegenstand verteilt, weshalb sich auch nicht die hohen Bandbreitewerte wie beim Filter nach der

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Erfindung erzielen lassen. Diese bekannten Filter sind auch nur als »halbbreite« Filter klassifiziert.

Es lassen sich durch die Erfindung Hoch- und Tiefpässe sowie Bandpässe und Bandsperren mit praktisch beliebiger Breite des Durchlaßbereiches bzw. des Sperrbereiches realisieren.

Gegenüber den bekannten elektromechanische Elemente enthaltenden Filtern in Brückenschaltung ergibt sich der Vorteil einer wesentlich besseren Konstanz, da die steilen Dämpfungspole jeweils durch die Resonanz z. B. eines Quarzes erzeugt werden, während bei der Brückenschaltung alle Elemente und damit alle Abweichungen in den Dämpfungsverlauf und speziell in die Dämpfungspole eingehen (Brückengleichgewicht). Darüber hinaus ist das Filter gemäß der Erfindung auch wesentlich einfacher; z. B. fallen die komplizierten Differentialübertrager fort. Weiterhin ergeben sich ein erdunsymmetrischer Aufbau und eine einfache Abstimmung des Filters.

Das Filter nach der Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In der Fig. 1 ist ein gemäß der Erfindung aufgebauter Bandpaß dargestellt, dessen Dämpfungsverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz in Fig. 2 wiedergegeben ist. Der Querzweig 1 des in T-Schaltung aufgebauten Bandpasses enthält einen Schwingquarz und parallel hierzu noch weitere Elemente, nämlich eine Kapazität und eine Induktivität. Die Längszweige enthalten je einen Parallelkreis 2 und einen Parallelkreis 3 aus Induktivität und Kapazität. Die Bemessung ist beispielsweise derart, daß der durch die Quarzserienresonanz hervorgerufene Dämpfungspol die untere Grenze des Durchlaßbereiches bestimmt und der benachbarte, frequenzmäßig tiefer liegende Dämpfungspol dadurch entsteht, daß die eine der beiden Parallelresonanzen des Querzweiges durch die diesem Zweig benachbarten Parallelresonanzkreise 2 erfindungsgemäß gleichartig und gleichfrequent wiederholt ist. Der dem oberen Ende des Durchlaßbereiches nachfolgende Dämpfungspol kann in üblicher Weise durch die in Reihe mit den Parallelresonanzkreisen 2 liegenden äußeren Parallelresonanzkreise 3 bestimmt sein. Diese Parallelresonanzkreise 3 können bei anderen Dämpfungsforderungen auch entfallen oder zu einer Spule entarten.

Die Bemessung des in Fig. 1 gezeigten Filters kann auch so sein, daß der durch die Quarzserienresonanz bestimmte, einen steilen Flankenanstieg ergebende Dämpfungspol die obere Grenze des Durchlaßbereiches festlegt. In diesem Fall können die äußeren Parallelschwingkreise 3 bei anderen Dämpfungsforderungen zu einer Kapazität entarten.

Es ist weiterhin auch möglich, den Durchlaßbereich sowohl an der unteren als auch an der oberen Frequenzgrenze durch Dämpfungspole mit steilem Flankenanstieg festzulegen, die durch Quarzserienresonanzen bestimmt sind. Es ist dann im Querzweig ein weiterer Quarz mit entsprechend gewählter Resonanz parallel anzuordnen.

Bei Auftrennung des in der Fig. 1 dargestellten FiI-ters in zwei Halbglieder (von denen also das erste im Längszweig zwei in Reihe geschaltete Parallelresonanzkreise enthält und mit der Parallelschaltung von Quarz, Induktivität und Kapazität abgeschlossen ist, während das andere mit der Parallelschaltung von Quarz, Induktivität und Kapazität im Querzweig beginnt und anschließend zwei in Reihe geschaltete Parallelresonanzkreise im Längszweig aufweist) ergibt sich ein Wellenwiderstandsverlauf 3 an der Querzweigseite jedes Halbgliedes entsprechend der Beziehung

3 ⁼

μ ·

•ω

(or— eof) ]/(ctr — Wi₁) · (eof — or)

hierin ist μ eine Konstante, ω__χ und Co₁ die Grenzfrequenzen des Durchlaßbereiches, ω._χ die Quarzserienresonanzfrequenz und coß die Wiederholungsfrequenz.

Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß der Bandpaß in T-Schaltung aufgebaut ist. Es ist aber ohne weiteres auch möglich, ihn in rr-Schaltung aufzubauen. Beispielsweise können zu beiden Seiten des Längszweiges einer ^-Schaltung Querzweige mit je einem Schwingquarz und weiteren Elementen angeordnet und im Längszweig zwei Parallelresonanzkreise in Reihe geschaltet sein. Hierbei können die Quarzresonanzfrequenzen links und rechts verschieden gewählt sein, so daß sich zwei Dämpfungspole mit steilem Anstieg ergeben, die den Durchlaßbereich des Filters an der oberen und unteren Frequenzgrenze festlegen. Die den Querzweigen unmittelbar benachbarten Parallelresonanzkreise im Längszweig sind dabei jeweils so zu bemessen, daß sie eine der beiden Parallelresonanzen des benachbarten Querzweiges gleichartig und im wesentlichen gleichfrequent wiederholen.

Es ist ohne weiteres möglich, ein Quarzbandfilter auch aus mehreren Gliedern aufzubauen, wobei parallelliegende Quarze nicht frequenzreziprok zu sein brauchen. Es ist auch nicht zwingend erforderlich, daß die Resonanzfrequenz der Spulenpole exakt mit der Parallelresonanz des Quarzzweiges übereinstimmt; geringe Abweichungen sind hier zulässig. Mit Vorteil können auch Mehrelektrodenquarze Anwendung finden.

Bei Behandlung des Ausführungsbeispiels wurde die Anwendung von Schwingquarzen angenommen. Die Schwingquarze können in entsprechenden dualen Schaltungen auch durch magnetostriktive Elemente ersetzt sein. Ebenso ist es auch möglich, sowohl Schwingquarze bzw. andere piezoelektrische Elemente als auch magnetostriktive Elemente zu verwenden.

Es kann vorteilhaft sein, aus Gründen der leichteren Realisierbarkeit in an sich bekannter Weise im Innern des Filters Übersetzungen anzuwenden, insbesondere kapazitive Übersetzungen.

Zweckmäßig sind zur Kapazitätsverminderung die Quarze nur teilweise mit Elektroden zu belegen. Auch sind vorteilhafterweise die weiteren benutzten Bauelemente kapazitätsarm aufzubauen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrisches Filter, das zumindest ein Halbglied enthält, bei welchem sich eine Parallelresonanz des Längszweiges wenigstens angenähert mit einer Parallelresonanz des Querzweiges deckt, der einen elektromechanischen Schwinger mit einer Parallelresonanz und einer Reihenresonanz aufweist, deren geringer Frequenzabstand ohne Einfluß auf die Breite des Durchlaßbereiches des Halbgliedes ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine dem elektromechanischen Element des Halbgliedes parallelliegende Reaktanz entsprechend gewählten Vorzeichens und Wertes zur Reihenresonanzstelle und Parallelresonanzstelle im Reaktanzdiagramm des Querzweiges eine weitere, hinsichtlich ihrer Fre-

quenzlage einen vorgegebenen Wert aufweisende Parallelresonanzstelle hinzutritt und daß von diesen beiden Parallelresonanzen die im Filtersperrbereich gelegene im Längszweig des Halbgliedes gleichartig und wenigstens nahezu gleichfrequent wiederholt ist.

2. Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei dem elektromechanischen Element im Querzweig des Halbgliedes parallelliegende Reaktanzen unterschiedlichen Vorzeichens und solchen Wertes, daß der Reaktanzverlauf des Querzweiges den vom Halbglied geforderten Übertragungseigenschaften entspricht.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwirklichung eines Bandpasses zwei Halbglieder zu einem T-Grundglied vereinigt sind, dessen Querzweig als elektromechanisches Element einen Schwingquarz enthält.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das T-Grundglied bei Auslegung als Bandpaß mit zwei an das untere Ende des Durchlaßbereiches angrenzenden Dämpfungspolen in den beiden Längszweigen neben je einem Parallelresonanzkreis eine Spule in Reihenschaltung aufweist.

5. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das T-Grundglied bei Auslegung als Bandpaß mit zwei das untere Ende des Durchlaßbereiches abschließenden Dämpfungspolen und einem dem oberen Ende des Durchlaßbereiches nachfolgenden Dämpfungspol in jedem der beiden Längszweige zwei Parallelresonanzkreise (2, 3) vorgesehen sind, von welchen der eine Parallelresonanzkreis (3) den Dämpfungspol herbeiführt, der dem oberen Ende des Durchlaßbereiches benachbart ist.

6. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das T-Grundglied bei Auslegung als Bandpaß mit zwei dem oberen Ende des Durchlaßbereiches nachfolgenden Dämpfungspolen in den beiden Längszweigen neben je einem Parallelresonanzkreis einen Kondensator in Reihenschalschaltung aufweist.

7. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am T-Grundglied bei Auslegung als Bandpaß mit zwei dem oberen Ende des Durchlaßbereiches nachfolgenden Dämpfungspolen und einem an das untere Ende des Durchlaßbereiches angrenzenden Dämpfungspol in jedem der beiden Längszweige zwei Parallelresonanzkreise (2, 3) vorgesehen sind, von welchen der eine Parallelresonanzkreis (3) den Dämpfungspol ergibt, der dem unteren Ende des Durchlaßbereiches benachbart ist.

8. Filter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zwei parallel geschaltete piezoelektrische Elemente im Querzweig des T-Gliedes, die so bemessen sind, daß die von den beiden piezoelektrischen Elementen hervorgerufenen Reihenresonanzstellen im Reaktanzdiagramm des Querzweiges zu beiden Seiten des Durchlaßbereiches des T-Gliedes Dämpfungspole ergeben.

9. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwirklichung eines Bandpasses ein π-Glied aus zwei Halbgliedern aufgebaut ist, deren Querzweige piezoelektrische Elemente mit derart verschieden gewählten Reihenresonanzstellen aufweisen, daß diese die dem oberen und unteren Ende des Durchlaßbereiches unmittelbar benachbarten Dämpfungspole des π-Gliedes ergeben.

10. Filter nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Elemente enthaltenden Glieder durch duale Schaltungen mit magnetostriktiven Elementen ersetzt sind.

11. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anwendung von Übersetzungen im Inneren der Siebschaltung.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 294 177;
USA.-Patentschrift Nr. 1 795 204;
»Principles of Electricity applied to Telephone and Telegraph Work«, herausgegeben von der American Telephone and Telegraph Company, 2. Auflage, New York 1941;

Bell System Technical Journal, Vol. 16, Nr. 4, S. 423 bis 436 (Oktober 1937);

Telegraphen-, Fernsprech-, Funk- und Fernsehtechnik (TFT), Bd. 33, Heft 7/8, S. 140 bis 149 (Juli/August 1944);

Cables et Transmission, Bd. 3, Heft 3, S. 229 bis 247 (Juli 1949), sowie Heft 4, S. 281 bis 293 (Oktober 1949), und Bd. 9, Heft 2, S. 81 bis 111 (April 1955);

Proceedings of the National Electronics Conference, Vol. 9 (Tagung 1953), Chicago 1954, S. 327 bis 341; VDE-Fachberichte, Bd. 18 (Tagung 1954), Wuppertal und Berlin 1955, S. 29/IV bis 31/IV.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen