DE1616685B1 - Elektromechanisches Filter - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein. Filter für elek- Unterschiede in den Abmessungen der einzelnen irische Wellen, bestehend aus mehreren miteinander Resonatoren, was aus fertigungstechnischen Gründen

gekoppelten mechanischen Resonatoren und mit auf häufig unerwünscht ist. Darüber hinaus läßt sich eine elektrostriktiver Basis arbeitenden Wandlern zum derartige Methode nur für solche Resonatoren anÜbergang von den elektrischen auf die mechanischen 5 wenden, deren Oberschwingungen nicht harmonisch

Schwingungen, und umgekehrt, bei dem die Reso- zur Grundschwingung Hegen.

natoren derart untereinander verschieden ausgebildet Zur Unterdrückung von Nebenwellen in einem sind, daß jeweils eine Eigenfrequenz des einzelnen mechanischen Filter ist es aus der britischen Patent-Resonators in dem für das Filter vorgeschriebenen schrift 846 999 weiterhin bekannt, wenigstens ein-Arbeitsfrequenzbereich liegt und die weiteren Eigen- io zelnen der Filterresonatoren einen inhomogenen frequenzen für die einzelnen Resonatoren unter- Querschnittverlauf zu geben. Für die Herstellung schiedlich sind. " derartiger Resonatoren ist jedoch im Hinblick auf

Mechanische Resonatoren haben stets eine Viel- die erforderliche Genauigkeit ein verhältnismäßig

zahl von Eigenfrequenzen, die auf Längsschwingun- großer fertigungstechnischer Aufwand insbesondere

gen, Biegungsschwingungen, Scherungsschwingungen 15 dann erforderlich, wenn die Resonatoren nicht mehr

und Torsionsschwingungen beruhen können. Aus rotationssymmetrisch ausgebildet sind,

derartigen Resonatoren aufgebaute mechanische FiI- In der schweizerischen Patentschrift 277 467 wird

ter zeigen daher in der Praxis meist mehrere Durch- ferner ein mechanisches Filter angegeben, das aus

laßbereiehe bzw. störende Dämpfungseinbrüche. Bei mehreren über Koppeldrähte oder Koppelstege mit-

einem aus Längsschwingern aufgebauten mechani- 20 einander verbundenen Rechteckplatten besteht. Zur

sehen Filter wurde derartigen Schwierigkeiten, die Schwingungsanregung bzw. zur Schwingungsabnahme

durch eine Biegeschwingung der gleichen Resona- sind auf dem Magnetostriktionseffekt beruhende

toren bedingt waren, dadurch abgeholfen, daß Wandlerelemente vorgesehen. Zur Vermeidung von

Dämpfungsmaterial für diese Biegeschwingungen an Nebenresonanzen in Form von Biegeschwingungen

den Resonatoren befestigt wurde. Abgesehen davon, 25 — die gewollten Schwingungen sind Breitenschwin-

daß es schwierig ist, auf diese Weise über lange gungen, deren Schwingungsrichtung senkrecht zur

Zeit konstante Verhältnisse zu schaffen, haftet dieser Fortpflanzungsrichtung der Energie im Filter steht —

Methode noch folgender Nachteil an: Das Material sind auf die Stahlresonatoren Dämpfungsstreifen aus

für die Dämpfung der Biegungsschwingung kann Gummi od. dgl. aufgesetzt, durch die die unerwünsch-

nämlich praktisch nicht so angebracht werden, daß 3° ten Biegeschwingungen bedämpft werden sollen. Wie

es nicht auch Einfluß auf die Längsschwingungen einleitend bereits erwähnt, tritt auch bei einer derdes einzelnen Resonators hat. Damit bewirkt es -aber.... artigen Anordnung die Schwierigkeit auf, daß das

eine Verschlechterung der Güte des mechanischen die Nebenschwingung bedämpfende Material auch

Resonators für die Längsschwingung. Dies wirkt sich Verluste für die Nutzschwingung zur Folge hat, was

wiederum in einer Verringerung der Selektivität im 35 insbesondere bei verhältnismäßig schmalbandigen

eigentlichen Arbeitsfrequenzbereich aus. · Filtern als störend empfunden wird.

Durch die deutsche Patentschrift 912709 ist be- Aus der schweizerischen Patentschrift 267210 ist reits eine piezoelektrische Resonatoreinrichtung, die weiterhin ein mechanisches Filter bekanntgeworden, aus zwei oder mehreren Kristallelementen besteht, das aus plattenförmigen Resonatoren besteht, die bekanntgeworden, bei der die Abmessungen der 4° über Koppelstäbe miteinander gekoppelt sind. Die Kristallelemente so gewählt sind, daß sich bei samt- Schwingungsanregung bzw. die Schwingungsabnahme liehen Kristallen für die Hauptwelle dieselbe oder erfolgt über magnetostriktive Wandlerelemente, bei annähernd dieselbe Frequenz ergibt, die Nebenwellen denen bekanntlich die Schwierigkeit auftritt, daß zur jedoch an verschiedenen Stellen des Frequenzspek- Erzielung einer ausreichenden Sperrdämpfung auch trams liegen. Gegebenenfalls können dabei die ein- 45 ein verhältnismäßig großer Aufwand für die Abzelnen Kristallelemente auch durch eine metallische schirmung des Ausgangswandlers vom Eingangs-Platte miteinander gekoppelt sein. Abgesehen davon, wandler erforderlich ist, da anderenfalls unmittelbar daß die Resonatoren dieser bekannten Resonator- eine magnetische Kopplung zwischen den Wandlereinrichtung vollständig aus einem piezoelektrischen systemen auftritt. Zur Unterdrückimg von Wirbel-Material bestehen, werden dort offensichtlich nur 5° strömen in den Endresonatoren, d. h. also zur Ver-Nebenwellen, d. h. also Schwingungen, deren Schwin- besserung des Wirkungsgrades der Wandlerelemente, gungstyp unterschiedlich ist gegenüber dem Schwin- werden bei diesem bekannten Filter die Endresonagungstyp der Nutzfrequenz, unterdrückt. toren ganz oder teilweise aus gesintertem Ferrit her-

Durch die USA.-Patentschrift 2 877 432 ist ferner gestellt. Hinweise darüber, wie bei einem derartigen ein elektromechanische&Filter bekanntgeworden, das 55 Filter Neben- oder Oberwellen unterdrückt werden aus scheibenförmigen, in einer Radialschwingung er- könnten, lassen sich dieser Patentschrift nicht entregten Resonatoren besteht. Gegebenenfalls kann bei nehmen.

diesem Filter der Durchmesser von wenigstens einem Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Resonator so unterschiedlich gegenüber dem Durch- einem Filter mit mechanischen Resonatoren den messer der anderen Resonatoren gewählt werden, ⁶< > Einfluß der an sich unerwünschten Eigenresonanzen, daß dieser Resonator zu einer Oberschwingung an- die außerhalb der gewünschten Arbeitsfrequenz des geregt wird, die hinsichtlich der Schwingungsform einzelnen Resonators liegen, in einer Weise zu minder Grundschwingung entspricht und deren Frequenz dem, die sich hinsichtlich der Schwingung auf der im gewünschten Durchlaßbereich des Filters liegt. Es geforderten Arbeitsfrequenz weniger störend auslassen sich dadurch zwar Dämpfungseinbrüche im 65 wirkt und auch für den Fall anwendbar ist, daß die Sperrbereich des Filters vermeiden, die auf zur störenden Schwingungsarten auf dem gleichen Grandschwingung gleichartigen Schwingungsformen Schwingungstyp wie die Schwingungsart bei der beruhen, jedoch ergeben sich verhältnismäßig große eigentlichen Arbeitsfrequenz beruhen.

Ausgehend von einem Filter für elektrische Wellen, bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten mechanischen Resonatoren und mit auf elektrostriktiver Basis arbeitenden Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen, und umgekehrt, bei dem die Resonatoren derart untereinander verschieden ausgebildet sind, daß jeweils eine Eigenfrequenz des einzelnen Resonators in dem für das Filter vorgeschriebenen Arbeitsfrequenzbereich liegt und die weiteren Eigenfrequenzen für die einzelnen Resonatoren unterschiedlich sind, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß wenigstens zwei Resonatoren mit untereinander unterschiedlichen Abschnitten aus einem gegenüber dem eigentlichen Resonatormaterial unterschiedlichen Material belastet sind, dessen Güte in der Größenordnung der Güte des Resonatormaterials liegt.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die untereinander unterschiedlichen Abschnitte durch das elektrostriktive Wandlermaterial gebildet sind. In vielen Fällen ist es dabei auch ausreichend, wenn nur die in die Resonatoren des Filters mit einbezogenen Wandler unterschiedlich ausgebildet werden.

Es ist ferner daran gedacht, daß bei Ausbildung der Resonatoren als Längsschwinger das elektrostiktive Wandlermaterial an den stirnseitigen Enden der Resonatoren vorgesehen ist oder daß bei Ausbildung der Resonatoren als Biegeschwinger das elektrostriktive Wandlermaterial im Bereich der Resonatormitte angeordnet ist.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand, von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der F i g. 1 ist ein aus zwei mechanischen Resonatoren 1 und 2 bestehendes elektromechanisches Filter gezeigt. Die beiden Resonatoren wirken als Längsschwinger und sind über eine Kopplungsbrücke 3 mechanisch miteinander gekoppelt. Die Halterung des Systems erfolgt über die Haltedrähte 4 in einem nicht näher dargestellten Gehäuse. Die Haltedrähte 4 greifen an den Resonatoren in einer Knotenlinie der Längsschwingung an, in der auch das Kopplungsstück 3 verläuft. Das Filter ist durch Wandler als Vierpol ausgebildet. Die Wandler bestehen aus elektrostriktiver Keramik, die in Form von Klötzen 5, 5' und 6, 6' an den Enden der aus einem Stahlkörper gefertigten, zusammen etwa das Bild eines H' bildenden Resonatoren befestigt sind. An den dem jeweiligen Resonator abgewandten Enden sind die Klötze 5, 5' und 6, 6' mit einer Metallisierung versehen, von der jeweils Anschlüsse 7, T und 8, 8' wegführen. Diese Anschlußdrähte bestehen aus sehr dünnem Draht, um die Längsschwingung nicht zu beeinflussen.

Die Anregung des Filters erfolgt beispielsweise über die Anschlüsse 7, T gegenüber dem Haltedraht 4, indem die Anschlüsse 7, T gleichphasig gegenüber den Haltedrähten 4 gespeist werden. Dieses Wandlersystem arbeitet dann ähnlich einem Reaktionskraftantrieb, da sich das elektrostriktive Material 5, 5' im Takt der Frequenz der angelegten Wechselspannung zusammenzieht und ausdehnt und bei Übereinstimmung der Anregungsfrequenz mit einer Eigenresonanz des aus den Teilen 5, 2 und 5' bestehenden ersten Resonators diesen zu Schwingungen anregt. Der Resonator 1, 6, 6' ist in gleicher Weise mit einem Wandler versehen, dessen Anschlüsse 8, 8' und 4 als Filterausgang dienen.

Würden beide Resonatoren hinsichtlich ihrer Abmessungen und der Anteile an elektrostriktivem Material gleich ausgebildet, so ergäbe sich für das Filter, das eine gewünschte Durchlaßfrequenz von etwa 60 kHz hat, eine Durchlaßcharakteristik, wie sie in der F i g. 2 stark ausgezogen gezeigt ist. Dabei ist auf der Abszisse die Frequenz / und auf der Ordinate die Ubertragungsdämpfung α aufgetragen. Wie aus diesem Bild ersichtlich, sind außer dem geforderten Durchlaßbereich von etwa 6OkHz noch weitere

ίο Durchlaßbereiche zwischen etwa 170 und 18OkHz sowie in der Gegend von 290 kHz vorhanden.

Durch unterschiedliche Wahl der Längen L₂' und L₂" sowie entsprechende unterschiedliche Wahl der dem elektrostriktiven Material zugeordneten Längen L₁' und L₁" (vgl. hierzu die Fig. 1), läßt sich erreichen, daß die Durchlaßcharakteristik den in der F i g. 2 ebenfalls angedeuteten Verlauf annimmt. Es sind die vorerwähnten störenden Resonanzen (Teilet im Diagramm) praktisch verschwunden und etwas

so frequenzverschoben und nurmehr wesentlich geringer sich auswirkende Resonanzen (Teile B) vorhanden. Bei dem Diagramm der F i g. 2 handelt es sich hierbei um ein Meßergebnis an einem Filter, bei dem der Resonator 1, 6, 6' ein Volumenverhältnis von elektrostriktiver Keramik zu Stahl von 0,3 und der Resonator aus den Teilen 2, 5, 5' ein solches Verhältnis von 0,4 hatte. Die Güten der beiden Resonatoren unterscheiden sich damit nur unmerklich, jedoch wird eine ganz erhebliche Absenkung von störenden Dämpfungseinbrüchen erzielt. Die auf der Ordinate angegebene Skala gibt dabei die Übertragungsdämpfung des zweikreisigen Filters in Neper wieder. Im geforderten Durchlaßbereich ergibt sich die in der F i g. 2 mit dargestellte Charakteristik. In der Charakteristik sind, wie ersichtlich, nur die ungeraden Oberwellen vorhanden. Die Vermeidung der geradzahligen Oberwellen beruht auf einer symmetrischen Speisung bzw. Abnahme am einzelnen Resonator.
Betrachtet man beispielsweise die ersten fünf Eigenfrequenzen von schlanken Verbundslängsschwingern der im Ausführungsbeispiel gezeigten Art mit verschiedenen Volumenverhältnissen p_a von elektrostriktivem Material zum eigentlichen Resonatormaterial (z. B. Stahl), so ergibt sich für eine gewünschte Grundschwingung von beispielsweise 100 kHz folgende Tabelle:

	/1	h	/3	h	h
50 Pa 0,2 Pa 0,3 Pa 0,4	100 100 100	192,9 194,2 193,5	291 276,5 275	375 340 344,5	449 383 404

Man sieht also, daß bereits durch geringe p_a-Unterschiede für die einzelnen Resonatoren das Zusammenfallen störender Eigenresonanzen in der schädlichen Wirkung gut vermindert werden kann.

Analog zu den Längsschwingern ist die Lehre nach der Erfindung auch bei Biegungsschwingern, Torsionsschwingern und Scherungsschwingern anwendbar. Bei Biegungsschwingern geschieht die Anregung zweckmäßig durch ein auf dem Biegungssehwinger im Schwingungszentrum aufgebrachtes elektrostriktives Material. Dieses Material kann einseitig oder beidseitig bei einem beispielsweise balkenförmigen Biegeschwinger aufgebracht sein. Ein Beispiel für einen solchen an sich bekannten Resonator ist in der Fig. 3 gezeigt.

Die gegebenenfalls auftretenden Unterschiede in der anschlußseitig auftretenden Kapazität kann durch entsprechend untersetzte Ankopplung an die Spule ausgeglichen werden, die zusammen mit der Kapazität den eingangsseitigen bzw. ausgangsseitigen Parallel-Schwingkreis bildet. Dies gilt auch für andere Schwinger als Biegungsschwinger.

In der Regel wird es ausreichend sein, wenn bei einem mehrteiligen, eine mechanische Einheit bildenden mechanischen Filter nur die die Wandler enthaltenden mechanischen Schwinger in der angegebenen erfindungsgemäßen Weise unterschiedlich sind. Es ist jedoch auch möglich, mehrere oder alle mechanischen Resonatoren durch Belastungen hinsichtlich der Verteilung der Eigenresonanzen unterschiedlich zu machen.

Die Lehre nach der Erfindung ist auch in dem Fall anwendbar, daß beispielsweise mehrere lediglich als Zweipole ausgebildete zwischen mehreren Verstärkerstufen getrennt eingeschaltete elektromechanische Filter zusammen mit den Verstärkerstufen einen selektiven Verstärker bilden. Außerdem ist die Lehre der Erfindung auch dann anwendbar, wenn bei einem mehrteiligen Filter, beispielsweise nach der Fig. 1, nur ein Wandler, beispielsweise der Wandler 7,7', 4, vorgesehen ist und dieses Filter ähnlich einem Zweipol in einer Schaltung verwendet wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Filter für elektrische Wellen, bestehend aus mehreren miteinander gekoppelten mechanischen Resonatoren und mit auf elektrostriktiver Basis arbeitenden Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen, und umgekehrt, bei dem die Resonatoren derart untereinander verschieden ausgebildet sind, daß jeweils eine Eigenfrequenz des einzelnen Resonators in dem für das Filter vorgeschriebenen Arbeitsfrequenzbereich liegt und die weiteren Eigenfrequenzen für die einzelnen Resonatoren unterschiedlich sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Resonatoren (1, 2) mit untereinander unterschiedlichen Abschnitten (L₁' L₁") aus einem gegenüber dem eigentlichen Resonatormaterial unterschiedlichen Material belastet sind, dessen Güte in der Größenordnung der Güte des Resonatormaterials liegt.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untereinander unterschiedlichen Abschnitte (L₁', L₁") durch das elektrostriktive Wandlermaterial (S, 5'; 6, 6') gebildet sind.

3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Resonatoren (1, 2) als Längsschwinger das elektrostriktive Wandlermaterial (5, 5'; 6, 6') an den stirnseitigen Enden der Resonatoren (1, 2) vorgesehen ist

4. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Resonatoren (1, 2) als Biegeschwinger das elektrostriktive Wandlermaterial (5, 6) im Bereich der Resonatormitte angeordnet ist (F i g. 3).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen