DE2451653A1 - Elektrisches sperrfilter - Google Patents

Description

COMPAGNIE D'ELECTRONIQUE
ET DE PIEZOELECTRICITE
C.E.P.E.

101, Rue du President Roosevelt, 76 Sartrouville,Frankreich

Unser Zeichen; C 3016

Elektrisches"Sperrfilter

Die Erfindung betrifft elektrische Filterschaltungen.

Wenn man an die Eingangsklemmen einer FilterschaHung elektrische Wechselsignale veränderlicher Frequenz anlegt, sind die an ihren Ausgangsklemmen abgegebenen Signale nach Amplitude und/oder Phase geändert.

So gibt es Bandpaßfilter, welche die Aufgabe haben, alle elektrischen Wechselsignale in einem gegebenen Frequenzband so zu übertragen, daß nur ihre Phase geändert wird.

Für bestimmte Anwendungsfälle werden andere Filterschaltungen benötigt, die in diesem Übertragungsband einen gegebenen Bereich aufweisen, in welchem die Übertragung für eine gegebene Frequenzbandbreite unterbrochen

Lei/Pe

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ist. Zur Erzielung dieses Ergebnisses ist es bekannt, zu.einer Bandpaßschaltung Resonanzglieder hinzuzufügen, beispielsweise Resonanzkreise mit Selbstinduktivitäten und Kapazitäten, die miteinander in Serienschaltung oder in Parallelschaltung verbunden sind.

Die nach diesen Prinzipien ausgebildeten bekannten Schaltungen weisen jedoch zwei Nachteile auf. Einerseits ist es mit ihnen nicht möglich, gleichzeitig breite Sperrbereiche und breite Übertragungsfrequenzbänder zu erhalten;, andererseits weisen sie an ihren Eingangs- und Ausgangsklemmen große Impedanzschwankungen auf, wodurch es insbesondere schwierig ist, mehr als eine gewisse Anzahl solcher Filter durch Kaskadenschaltung zusammenzufassen, beispielsweise zu dem Zweck, erhöhte Anforderungen an die Sperrkennlinien hinsichtlich Frequenz oder Amplitude zu erfüllen.

Die Sperrfilter nach der Erfindung weisen diese Nachteile nicht auf.

Sie ermöglichen die gleichzeitige Erzielung einer Über- <· tragung von Wechselsignalen in einem sehr großen Durchlaßband, das in zahlreichen Fällen die Frequenz Null enthält, in Verbindung mit einer Sperrung mit sehr großer Dämpfung in einem breiten Sperrband, das in einen großen Bereich des Durchlaßbandes frei wählbar ist; diese Eigenschaften stehen, wie zuvor erwähnt wurde, üblicherweise im Widerspruch zueinander.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß von einer FiIterstruktur Gebrauch gemacht wird, die in der

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Elektrotechnik unter der Bezeichnung "Überbrücktes T-Glied" bekannt ist, und daß zu einem solchen Filter eine Selbstinduktivität von besonderem Wert hinzugefügt wird, die parallel zu dem Längszweig des T-Gliedes geschattet wird und mit einem Serienresonanzkreis zusammenwirkt, der parallel zu einem der beiden Schaltungszweige des T-Gliedes, also entweder zu dem Längszweig oder zu dem Querzweig geschaltet wird.

Nach der Erfindung ist ein elektrisches Sperrfilter für elektrische Wechselsignale mit zwei Eingangsklemmen und zwei Ausgangsklemmen, wobei eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt verbunden sind, während die andere Eingangsklemme mit der anderen Ausgangsklemme über einen Längszweig verbunden ist,der eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und zwei in Serie geschalteten Selbstinduktivitäten enthält, wobei der Verbindungspunkt der beiden Selbstinduktivitäten mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt über einen Querzweig verbunden ist, der einen Kondensator enthält, und wobei ein Resonanzkreis,der auf eine Frequenz abgestimmt ist,die in der Nähe der Sperrfrequenz liegt, parallel zu einem der beiden Schaltungszweige geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Längszweig eine weitere Selbstinduktivität parallelgeschaltet ist, deren Wert die folgenden Gleichungen erfüllt:

2 L₁

2 L₁ + L₀

n- V £ (2)

^L2
worin L^ die Induktivität jeder der beiden im Längszweig in Serie geschalteten Selbstinduktivitäten, Lp die Induktivität der weiteren Selbstinduktivität, C^ die Kapazität des Kondensators im Querzweig und. Z die Lastimpedanz des Filters sind.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erläuterndes Diagramm und

Fig. 2 bis 9 verschiedene Ausführungsformen des elektrischen Sperrfilters nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein erläuterndes Diagramm, das die Vorteile des erfindungsgemäßen Filters besser erkennen läßt.

In einem rechtwinkeligen Koordinatensystem, auf dessen Abszisse die Frequenz in Hertz und auf dessen Ordinate der Übertragungsfaktor in dB aufgetragen sind,sind zwei Kurven A und B dargestellt, welche die Frequenzgänge der Übertragungsfaktoren widergeben, die einerseits im Fall eines Filters in Form eines überbrückten T-Glieds von bekannter Struktur und andererseits im Fall des erfindungsgemäßen Filters erhalten werden.

Es kommen folgende Kenngrößen von die Gesamtbandbreite D^ bzw. Dg der Filter, welche die äußersten Grenzen des Bereichs der Frequenzen definiert,' die mit einem Übertragungsfaktor übertragen werden^ der größer als ein vorbestimmter Wert ist; die Bandbreite AF des Sperrbandes, ausgedrückt durch den Frequenzabstand seiner Grenzen für einen Übertragungsfaktor, der unter einem bestimmten Wert liegt; und der Wert L des Übertragungsfaktors im Sperrband, ausgedrückt in Decibel.

Die T-Filter, die₉ wie später noch genauer erläutert wird, als wesentlichen Bestandteil eine Selbstinduktivität von besonderem Wert parallel zu dem Längszweig des Filters enthalten, weisen gegenüber den Filtern bekannter Struktur die folgenden Vorteile auf ι

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- bei gleicher Sperrbandbreite AF ein größeres Durchlaßband Bg, das die Frequenz F=O enthält und dessen Übertragungskurve in den beiden zu beiden Seiten des Sperrbandes liegenden Teilen 1 geringere Schwankungen des Übertragungsfaktors zeigt;

- bei gleicher Gesamtdurchlaßbandbreite eine größere Sperrbandbreite AF;

- geringere Schwankungen der Eingangs- und Ausgangsimpedanz bei gleicher Durchlaßbandbreite;

- eine größere Sperrdämpfung L bei gleicher Sperrbandbreite AF.

Schließlich kann der Viert F_Q der Mittenfrequenz des Sperrbandes unter Aufrechterhaltung der zuvor angegebenen vorteilhaften Eigenschaften an jedem beliebigen Punkt eines großen Bereichs des Durchlaßbandes frei gewählt werden, und zwar im typischen Fall in der ganzen oberen Hälfte des Durchlaßbandes.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Sperrfilters nach der Erfindung. Dieses Filter, dessen allgemeiner Aufrbau zu den sogenannten überbrückten T-Gliedern gehört, enthält einen Längszweig zwischen dem Eingang I und dem Ausgang 0, der zwei Selbstinduktivitäten des Wertes L^ enthält, und einen Querzweig, der zwischen dem gemeinsamen Punkt M der beiden Selbstinduktivitäten und einem auf dem allgemeinen Bezugspotential liegenden Punkt G, üblicherweise Masse, angeschlossen ist.

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.Parallel zu dem Längszweig ist zwischen dem Eingang I und dem Ausgang O des Filters ein Kondensator C₂ angeschlossen, und in dem Querzweig liegt zwischen den Punkten M und G ein Kondensator C₁.

Das gewünschte Sperrband mit der Mittenfrequenz Fq wird dadurch erhalten, daß parallel zu dem Kondensator C₂ ein Serienresonanzkreis C,-L* angeschlossen wird, der auf die Frequenz Fq abgestimmt ist. .

Erfindungsgemäß wird, zu dieser bekannten Anordnung eine weitere Selbstinduktivität L₂ besonderen Viertes hinzugefügt, die parallel zu dem Längszweig zwischen dem Eingang I und dem Ausgang 0 angeschlossen wird. Der Wert dieser Selbstinduktivität L₂ ist einerseits mit den gewünschten elektrischen Kenngrößen des Filters und andererseits mit den elektrischen Werten der Schaltungselemente des Filters verknüpft.

Da der besondere Wert von L₂ von der gewünschten Sperrfrequenz Fq abhängt, läßt sich theoretisch vermuten und durch Erfahrung bestätigen, daß einer der möglichen Werte durch die folgende Gleichung gegeben ist:

τ 5'10⁹
2 Z f₀

worin L₂ in Mikrohenry, Fq in Hertz und Z in Ohm ausgedrückt sind und Z die Eingangsimpedanz und die Ausgangsimpedanz des Filters darstellt.

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Die Wahl der Impedanz Z, die ein durch die praktischen Erfordernisse festgelegter Wert ist, hat einen einzigen Wert der Selbstinduktivität L₂ zur Folge, und demzufolge auch der Werte der elektrischen Größen, die sich auf bestimmte andere Bestandteile des Filters, wie die Induktivität L₁ und die Kapazität C₁ beziehen.

Diese Werte müssen das folgende System von zwei Gleichungen erfüllen:

2 L₁ + L

V

^L2

(2)

Die Auflösung dieses Gleichungssystems ergibt in eindeutiger Weise die Werte von L₁ und C₁ für bestimmte Werte von Z und L₂.

Fig. 3 zeigt eine erste Variante des erfindungsgemäßen Filters. Bei dieser Variante ist der die gewünschte Sperrfrequenz F_Q bestimmende Resonanzkreis nicht mehr parallel zu dem Längszweig des T-Filters angeschlossen, sondern parallel zu dem Querzweig, d.h. zwischen dem Mittelpunkt M und der gemeinsamen Masseklemme G.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters, bei welcher der Resonanzkreis L,-C, durch einen piezoelektrischen Resonator gebildet ist, der in der folgenden Beschreibung zur Vereinfachung durchwegs als Quartz

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bezeichnet wird, obwohl er auch aus anderen piezoelektrischen Materialien gebildet sein kann.

In der Zeichnung ist der Quartz durch seine elektrische Ersatzschaltung dargestellt, die von einem gestrichelten Rechteck 10 umgeben ist, nämlich durch einen Serienresonanzkreis C^-L^ parallel zu einem Kondensator C^. In der Praxis ist es vorteilhaft, den im Filter bereits vorhandenen Kondensator Cp so zu bemessen, daß sein Wert komplementär"zu dem Wert des Kondensators C,- ist und daß die Summe der beiden Kapazitäten die gewünschten Übertragungseigenschaften des Filters ergibt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Filters für den Fall einer Schaltung mit getrennten Schaltungselementen und Fig. 6 zeigt die gleiche Variante für den Fall eines Quartzes.

Diese Variante weist eine besondere Form des Anschlusses des Resonanzkreises auf, der nicht mehr direkt parallel zu dem Längszweig 1-0 geschaltet ist, sondern über einen Impedanzaufwärtstransformator T,. angeschlossen ist, der eine Primärwicklung P^ und eine Sekundärwicklung S^ hat.

Dieser Transformator macht es möglich, an den Klemmen der Selbstinduktivität Lg eine in optimaler Weise vorbestimmte niedrige Impedanz erscheinen zu lassen, gegenüber der gewöhnlich hohen Impedanz, die ein LC-Resonanzkreis oder ein Quartz aufweist» Infolge der niedrigen Impedanz der Primärwicklung, die übrigens auch in den für den Entwurf des Filters notwendigen Rechnungen auftritt, weist dieser Transformator an der Primärwicklung eine geringe Windungs- ·

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zahl auf, und demzufolge auch eine sehr geringe elektrostatische Eigenkapazität und die Möglichkeit eines hohen Übersetzungsverhältnisses. Die Kapazität des Kondensators Cp wird dann um den Wert der verteilten Eigenkapazität der Primärwicklung des Transformators verringert. Das Vorhandensein dieses Transformators ergibt eine Verbreiterung des Sperrfrequenzbandes des Filters.

Fig. 7 zeigt eine weitere, besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Filters für den Fall einer Schaltung mit getrennten Schaltungselementen, und Fig. 8 zeigt die gleiche Variante für den F_all eines Quartzes. Bei dieser Variante bildet die für den erfindungsgemäßen Aufbau kennzeichnende Selbstinduktivität Lp die Primärwicklung des Transformators T₁, dessen Aufgabe zuvor anhand von Fig. 5 und 6 erläutert worden ist.

Diese Variante ergibt den Vorteil, daß die verteilten Kapazitäten noch weiter verringert werden und daß die Herstellung des Filters vereinfacht wird.

Schließlich ist in Fig. 9 eine Variante des erfindungsgemäßen Filters dargestellt, bei welcher der Transformator T₁ von Fig. 5 und 6 an den Querzweig M-G des T-FiI-ters angeschlossen ist, wobei die gleichen Vorteile erhalten werden, wie sie zuvor für den Anschluß dieses Transformators an den Längszweig 1-0 erläutert worden sind.

Als Beispiel können folgende Ergebnisse angegeben werden: mit den nach der Erfindung ausgeführten Sperrfiltern war

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es möglich, bei sechs hintereinander geschalteten Filtern, deren Frequenzbänder zwischen der Frequenz Null und 10 MHz lagen, ein Sperrband mit einer Breite von 4 kHz bei -80 dB in der Nähe von 4 MHz zu erhalten, wobei die Übertragungskurve im Rest des Bandes maximale Schwankungen von - 0,25 dB aufwies. Sperrfilter bekannter Art ergeben demgegenüber unter den gleichen Bedingungen zehnfach schmälere Sperrbänder in der Größenordnung von ί 200 Hz mit einer Übertragungskurve, die merkliche Amplitudenschwankungen in der Größenordnung von - 0,5 dB im verwendeten Frequenzband aufweist.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   Elektrisches Sperrfilter für elektrische Wechselsignale mit zwei Eingangsklemmen und zwei Ausgangsklemmen, wobei eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt verbunden sind, während die andere Eingangsklemme mit der anderen Ausgangsklemme über einen Längszweig verbunden ist, der eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und zwei in Serie geschalteten Selbstinduktivitäten enthält, wobei der Verbindungspunkt der beiden Selbstinduktivitäten mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt über einen Querzweig verbunden ist, der einen Kondensator enthält, und wobei ein Resonanzkreis, der auf eine Frequenz abgestimmt ist, die in der Nähe der Sperrfrequenz liegt, parallel zu einem der beiden Schaltungszweige geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Längszweig eine weitere Selbstinduktivität parallelgeschaltet ist, deren Wert die folgenden Gleichungen erfüllt:

   ■\

   2 L₁ + L

   η = Xr (2)

   ^L2

   worin L₁ die Induktivität jeder der beiden im Längszweig in Serie geschalteten Selbstinduktivitäten, Lp die Induktivität der weiteren Selbstinduktivität, C₁ die Kapazität des Kondensators im Querzweig und Z die Lastimpedanz des Filters sind.

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2. 2. Elektrisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis durch einen piezoelektrischen Resonator gebildet ist.
3. 3. Elektrisches Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Resonator über einen Impedanzanpassungstransformator angeschlossen ist, dessen auf der niederohmigen Seite liegende Wicklung parallel zu einem der beiden Schaltungszweige geschaltet ist.
4. 4. Elektrisches Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Resonator über einen Impedanzanpassungstransformator angeschlossen ist, dessen auf der niederohmigen Seite liegende Wicklung durch die weitere Selbstinduktivität gebildet ist.

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