DE1214811B - Mechanisches Resonanzfilter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03h

Deutsche Kl.: 21 g - 34

Nummer: 1214 811

Aktenzeichen: T 23355IX d/21 g

Anmeldetag: 18. Januar 1963

Auslegetag: 21. April 1966

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Resonanzfilter, bestehend aus mechanischen Resonanzkörpern und homogenen Koppelleitungen zwischen diesen Resonanzkörpern.

Bei elektrischen wie auch bei mechanischen Filtern hängt bekanntlich bei vorgegebener Schwingkreisgüte die Bandbreite von der Größe des Kopplungsfaktors ab. Im allgemeinen bestand bisher der Wunsch, beim Bau von mechanischen Resonanzfiltern einen möglichst hohen Kopplungsfaktor zu realisieren, da derartige Filter auf Grund ihrer gegenüber elektrischen Filtern viel höheren Schwingkreisgüte von Natur aus relativ schmalbandig sind.

Für einige Anwendungszwecke innerhalb der Nachrichtentechnik ergab sich nun aber die Forderung nach mechanischen Resonanzfiltern mit extrem kleiner relativer Bandbreite. Nach der bisher üblichen Technik, wie sie bei mechanischen Filtern angewendet wird, die aus mechanischen Resonanzkörpern und homogenen Koppelleitungen zwischen diesen Resonanzkörpern bestehen, kann man, wie es die Erfahrung lehrt, durch Verringerung des Querschnittes der Koppelleitungen und damit Vergrößerung ihres Wellenwiderstandes den Kopplungsfaktor zwischen benachbarten Resonatoren so stark verkleinern, daß eine relative Bandbreite bis herab auf 2 %o ihrer Resonanzfrequenz erreichbar ist. Für noch kleinere relative Bandbreiten aber ist diese bisher übliche Technik aus im wesentlichen zwei Gründen nicht mehr möglich. So wird die mechanische Festigkeit des Filterkörpers, die sehr wesentlich auch von den Koppelleitungen zwischen den Resonatoren abhängt, bei dünner werdenden Koppelleitungen zu gering. Weiterhin zeigt es sich, daß derartige Filter geringerer Bandbreite stärkere Nebenwellenanteile in der Nähe ihres Durchlaßbereiches erzeugen. Diese Tatsache läßt sich folgendermaßen erklären: Wegen des durch die Geometrie der Resonatoranordnungen vorgegebenen konstanten Abstandes der Resonatoren muß man bei dünner werdenden Koppelleitungen

auf -r -Kopplungen höherer Ordnung übergehen. Erwünscht sind dabei Resonanzen bei ungeraden Vielfachen der -j- -Resonanz, also bei

Mechanisches Resonanzfilter

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. Manfred Börner, Ulm/Donau;
Dipl.-Ing. Hans Schüssler,
Beimerstetten (Kr. Ulm/Donau)

langen Koppelleitungen, wobei η die Zahlen 0,1,2... annehmen kann. Die am nächstenliegende störende Nebenwelle ergibt sich aber durch Schwingungen der Koppelleitungen bei einer Frequenz, die sich aus der 2η·γ-Resonanz der Koppelleitungen ergibt. Der relative Frequenzabstand -r— dieser Nebenwelle vom

Filterdurchlaßbereich verringert sich bei Erhöhung der Ordnungszahl n, wodurch sich der oben beschriebene unerwünschte Effekt einstellt.

Es sind bereits schon mechanische Resonanzfilter vorgeschlagen worden, bei welchen zur Erzeugung von Polstellen bei nichtreellen Frequenzen Oberflächenpunkte von nicht direkt miteinander gekoppelten Resonatoren, die angenähert bei bestimmten Frequenzen in Gegenphase schwingen, durch zusätzliche Koppelleitungen verbunden sind. Derartige zusätzliche Koppelleitungen erzeugen aber lediglich Polstellen bei einer bestimmten Frequenz; sie sind nicht in der Lage, den Kopplungsfaktor über den ganzen Durchlaßbereich des Resonanzfilters zu verringern.

Weiterhin sind mechanische Resonanzfilter bekannt, die zwei oder mehr jeweils durch eine Koppelanordnung aneinandergereihte Resonatoren aufweisen, deren Koppelfaktor niedriger ist als der Minimalwert, der mit einem einzigen, unbedämpften Koppelelement bei höchstzulässiger Verringerung seines Querschnittes und passender Bemessung seiner Länge erreichbar ist, wenn dieses Koppelelement

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gleichphasig mit kleiner Amplitude schwingende Oberflächenelemente der zwei Resonatoren miteinander verbindet. Bei diesen bekannten mechanischen Resonanzfiltern erfolgt die Verkopplung zweier Resonatoren durch Koppelanordnungen, die aus mehreren aufeinanderfolgenden Koppelelementen gleicher Länge, aber verschiedenen Querschnittes bestehen, oder durch Koppelanordnungen, die aus Koppelelementen und zusätzlichen Resonatoren zwischen diesen Koppelelementen bestehen, wobei die zusätzlichen Resonatoren auf Grund ihrer Abmessungen oder ihrer Anordnung eine andere Eigenfrequenz als die zu verkoppelnden Resonatoren aufweisen. Die Verwendung solcher Koppelanordnungen aus verschiedenartigen Koppelelementen bringt aber hinsichtlich der Abmessungen der Filter wie auch hinsichtlich einer einfachen Fertigung der Filter große Nachteile mit sich.

Aufgabe der Erfindung ist, ausgehend von einer mechanischen Filteranordnung, in welcher zumindest zwei durch eine Koppelanordnung aneinandergereihte Resonatoren enthalten sind, deren Koppelanordnung aus zwei oder mehr Koppelleitungen besteht und einen Koppelfaktor aufweist, der unabhängig vom Querschnitt der Koppelleitungen herabgesetzt ist, eine Koppelanordnung anzugeben, mittels deren eine besonders kleine relative Bandbreite der mechanischen Filteranordnung erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese Koppelanordnung zwei Arten von Koppelleitungen umfaßt, die derart angeordnet und/ oder ausgebildet sind, daß die Koppelfaktoren bzw. die resultierenden Koppelfaktoren der einen und der anderen Art von Koppelleitungen entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen und hinsichtlich ihres absoluten Betrages nach Maßgabe des von der Koppelanordnung geforderten Koppelfaktors voneinander abweichen, was entweder dadurch erreichbar ist, daß die eine und die andere Art homogener Koppelleitungen passend bemessenen Querschnittes an Stellen der Oberfläche der zu verkoppelnden Resonatoren befestigt sind, die im Filterdurchlaßbereich zumindest angenähert in gleicher Phase schwingen und die beiden Arten von Koppelleitungen in ihren Abmessungen um

akustischer Länge sich voneinander unterscheiden (X_k Eigenwellenlänge der Koppelleitungen; η = 1, 2, 3 ...), oder dadurch, daß von den hinsichtlich ihres Querschnittes passend bemessenen Koppelleitungen der einen und der anderen Art die Koppelleitungen der einen Art an Stellen der Oberfläche der zu verkoppelnden Resonatoren befestigt sind, die im Filterdurchlaßbereich zumindest angenähert in gleicher Phase schwingen, während die Koppelleitungen der anderen Art von gleicher akustischer Länge an Stellen der Oberfläche der zu verkoppelnden Resonatoren befestigt sind, die im Filterdurchlaßbereich zumindest angenähert in Gegenphase schwingen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonanzfilters bei Verwendung von unterschiedlich langen Koppelleitungen unterscheiden sich die beiden Koppelleitungen um

eine akustische Länge von nur -=-.

Bei Verwendung von akustisch gleich langen Koppelleitungen, die gleichphasig wie auch gegenphasig schwingende Oberflächenstellen zweier direkt gekoppelter Resonatoren verbinden, ist es zweckmäßig, diese Resonatoren innerhalb der Filterkette unmittelbar benachbart anzuordnen.

Im folgenden soll nun mit Hilfe von einigen Ausführungsbeispielen, die in den Figuren der Zeichnungsunterlagen dargestellt sind, die Erfindung näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem mechanischen Resonanzfilter, dessen zu Longitudinalschwingungen anregbare Resonatoren 1 und 2 durch mehrere zu Biegeschwingungen anregbaren Koppelleitungen 3, 4, 5 und 6 gekoppelt sind. Die Querabmessungen der Biegekoppelleitungen 3 und 4 weisen eine derartige Form und Größe auf, daß sie bei dem vorgegebenen Abstand zwischen den Befestigungsstellen auf der Oberfläche der Resonatoren

genau eine akustische Länge von -j- besitzen. Die

übrigen Koppelleitungen 5 und 6 besitzen dagegen eine kleinere und/oder veränderte Querschnittsfläche, so daß ihre akustische Länge gegenüber den Koppelleitungen 3 und 4 um ein ungerades Vielfaches von

— größer ist, wobei aber die geometrische Länge

gleichbleibt. Da bei Biegekoppelleitungen die akustische Länge des Koppelstabes sowohl von geometrischer Länge des Stabes als auch von seinem Querschnitt abhängt, ist es somit möglich, durch Koppelstege gleicher geometrischer Länge, Schwingungen unterschiedlicher Phase — im vorliegenden Fall beträgt die Phasenverschiebung möglichst 180° — zu verkoppeln. In Fig. 1 ist nun nicht lediglich eine einzige zusätzliche Koppelleitung 5 bzw. 6 einer direkten Koppelleitung 3 bzw. 4 zugeordnet, wie es im Prinzip zur Erniedrigung des Koppelfaktors ausreichen würde; es sind vielmehr je drei zusätzliche Koppelleitungen 5 bzw. 6 vorgesehen, die in gleicher Weise eine Schwingung verkoppeln,

die zu der Schwingung der-^- langen Koppelleitungen 3 und 4 in Gegenphase schwingt. Zweck dieser Mehrzahl zusätzlicher Koppelleitungen ist es, den Kopplungsfaktor der gegenphasigen Schwingung zu erhöhen, da jede der zusätzlichen Koppelleitungen' auf Grund ihres geringeren Querschnittes gegenüber den Koppelleitungen 3 und 4 einen viel geringeren Wellenwiderstand und damit Kopplungsfaktor besitzen.

Mit jeweils nur einer einzigen zusätzlichen Koppelleitung 5 bzw. 6 kann deshalb für bestimmte Anwendungszwecke der Gesamtkopplungsfaktor nicht ausreichend erniedrigt werden. Damit der Wellenwiderstand von direkter Koppelleitung 3 bzw. 4 und der phasendrehenden Koppelleitung 5 bzw. 6 nicht zu unterschiedlich wird, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, der direkten Koppelleitung eine akustische Länge von (³U) · λ und den phasendrehenden Koppelleitungen eine akustische Länge von (⁵Ai) · λ zu geben.

Das mit zu Biegeschwingungen anregbaren Koppelleitungen versehene mechanische Resonanzfilter gemäß Fig. 1 kann man sich nun auch in an sich bekannter Weise derart abgewandelt vorstellen, daß die Resonatoren nun nicht zu Longitudinalschwingungen, sondern auch zu Biegeschwingungen, Tor-

sional- oder Scherschwingungen erregbar sind. Hierbei gelten die oben über die Biegekoppelleitungen gemachten Ausführungen sinngemäß.

Ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen mechanischen Resonanzfilters zeigt F i g. 2. Ebenfalls wie in F i g. 1 sind als Ausschnitt aus einer Gesamtfilteranordnung zwei Resonatoren 7 und 8 dargestellt, die zu Torsionsschwingungen anregbar

sind und die mit Hilfe von —langen, zu Longitu-

dinalschwingungen anregbaren Koppelleitungen 9, 10,11 und 12 in üblicher Weise verkoppelt sind. Zur Verringerung des Kopplungsfaktors zwischen diesen Resonatoren 7 und 8 sind nun noch zusätzliche longitudinalschwingende Koppelleitungen 13 und 14 vorgesehen, deren akustische Länge mit denen der Koppelleitungen 9 bis 12 übereinstimmt, die aber jeweils an Stellen der Resonatoroberflächen befestigt sind, die durch die Koppelleitungen 9 bis 12 angeregt in Gegenphase schwingen. Im Ausführungsbeispiel geschieht das dadurch, daß die Koppeldrähte 13 und 14 an gegenphasig schwingenden Punkten der Stirnflächen der Resonatoren 7 und 8 befestigt sind.

Ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen mechanischen Resonanzfilters ist ebenfalls in Form eines Ausschnittes in F i g. 3 dargestellt. Das Frequenzfilter besteht aus zu Torsionsschwingungen anregbaren Resonatoren 15 und 16, die mittels zu Longitudinalschwingungen anregbaren Koppelleitungen 17 bis 20 direkt verkoppelt sind, deren akustische

λ
Länge -j- entspricht.

Als phasendrehende zusätzliche Koppelleitungen 21 und 22 sind zwei zu Biegeschwingungen anregbare Stäbe vorgesehen, deren Querschnitt bei der vorgegebenen Länge derart ausgebildet ist, daß sich die akustische Länge dieser Koppelleitungen 21 und 22 von den Koppelleitungen 17 bis 20 um ein ungerades Vielfaches von—- unterscheidet. Zweckmäßigerweise sollte im vorliegenden Fall die akustische Länge der Koppelleitungen 21 und 22 die Länge 3 -τ- betragen.

Selbstverständlich kann das im letzten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filters dargestellte Prinzip, die gegenphasig geschalteten Koppelleitungen zwischen den Resonatoren zu unterschiedlichen Schwingungsmoden anzuregen, auch in anderer Weise realisiert werden, wie beispielsweise durch torsionsgekoppelte Torsionsschwinger, die zusätzlich mittels eines zu Biegeschwingungen anregbaren Leitungsstücks verkoppelt sind.

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mechanisches Resonanzfilter, in welchem zumindest zwei durch eine Koppelanordnung aneinandergereihte Resonatoren enthalten sind, deren Koppelanordnung aus zwei oder mehr Koppelleitungen besteht und einen Koppelfaktor aufweist, der unabhängig vom Querschnitt der Koppelleitungen herabgesetzt ist, d a d u r c h g e kennzeichnet, daß diese Koppelanordnung zwei Arten von Koppelleitungen umfaßt, die derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, daß die Koppelfaktoren bzw_t die resultierenden Koppelfaktoren der einen und der anderen Art von Koppelleitungen entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen und hinsichtlich ihres absoluten Betrages nach Maßgabe des von der Koppelanordnung geforderten Koppelfaktors voneinander abweichen, was entweder dadurch erreichbar ist, daß die eine und die andere Art homogener Koppelleitungen passend bemessenen Querschnittes an Stellen der Oberfläche der zu verkoppelnden Resonatoren befestigt sind, die im Filterdurchlaßbereich zumindest angenähert in gleicher Phase schwingen und die beiden Arten von Koppelleitungen in ihren Abmessungen um

(2n -I)-

akustischer Länge sich voneinander unterscheiden {X_k Eigenwellenlänge der Koppelleitungen; η = 1,2,3 ...), oder dadurch, daß von den hinsichtlich ihres Querschnittes passend bemessenen Koppelleitungen der einen und der anderen Art die Koppelleitungen der einen Art an Stellen der Oberfläche der zu verkoppelnden Resonatoren befestigt sind, die im Filterdurchlaßbereich zumindest angenähert in gleicher Phase schwingen, während die Koppelleitungen der anderen Art von gleicher akustischer Länge an Stellen der Oberfläche der zu verkoppelnden Resonatoren befestigt sind, die im Filterdurchlaßbereich zumindest angenähert in Gegenphase schwingen.

2. Mechanisches Resonanzfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Koppelleitungen um eine akustische Länge von

-ψ unterscheiden.

3. Mechanisches Resonanzfilter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden direkt zur Verminderung des Koppelfaktors, mit mindestens zwei Koppelleitungen verbundenen Resonatoren in der Filterkette unmittelbar benachbart sind.

4. Mechanisches Resonanzfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Resonanzfilter mit zu Biege-, Longitudinal-, Torsional- oder Scherschwingungen anregbaren Resonatoren die mittels zu Biegeschwingungen anregbaren Koppelleitungen verbunden sind, diese Biegekoppelleitungen im wesentlichen durch die Form und Größe ihrer Querabmessungen so ausgebildet sind, daß bei gleicher geometrischer Länge der Koppelleitungen sich eine Phasenverschiebung zwischen den Koppelwellen von angenähert 180° ergibt.

5. Mechanisches Resonanzfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mechanischen Resonanzfilter, bestehend aus zu Torsionsschwingungen anregbaren Resonatoren mit zu Longitudinalschwingungen anregbaren Koppelelementen, beide Koppelleitungen gleiche akustische Länge aufweisen, daß eine der beiden Koppelleitungen gleichphasig schwingende Oberflächenpunkte der Resonatoren verkoppeln und die andere der beiden Koppelleitungen gegenphasige Oberflächenpunkte der Resonatoren verkoppeln.

6. Mechanisches Resonanzfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide zur Verminderung des Kopplungsfaktors gegenphasig geschalteten Koppelleitungen zu unterschiedlichen Schwingungsmoden anregbar sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschrift Nr. 822 536; USA.-Patentschriften Nr. 2 762 985, 2 856 588, 955 267;

IRE Wescon Convention Record, Vol. I, Part 9, S. 31 bis 37.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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