DE1908719C - Kristall Kammfilter - Google Patents

Description

ι 2

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kristall-Kamm- Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung enthält

filter mit mehreren Zweigen, welches ein kammförmi- jeder Abschnitt eine Reihenkombination eines piezo-

ges Frequenzspektrum mit einer Anzahl schmaler elektrischen Kristalls und eines Widerstandes, dessen

Durchlaßbereiche und davon getrennter, breiterer Widerstandswert um ein Mehrfaches größer ist als der

SperFbereiche aufweist. 5 Reihenwiderstand des Kristalls, um die Durchlaß-

Bei einem BreitbandfiHer (USA.·Patentschrift bereichskennlinien des Filters im wesentlichen geebnet

1 955 788) ist es bereits bekannt, mehrere Serien- und konstant zu halten.

Schwingkreise, welche jeweils einen Serienwiderstand Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung

aufweisen, einander und zu einem weiteren Widerstand enthält das Filter ein Paar Eingangs- und ein Paar

parallel zu schalten. Die Serienwiderstände dienen zur xo Ausgangsanschlüsse, einen Brückenübertrager mit

Einstellung der Dämpfungscharakteristik im Durchr einer Primärwicklung und einer mittig angezapften

laßbeveich des Filters, während der Parallelwiderstand Sekundärwicklung sowie weiterhin zumindest zwei

keine besondere Bedeutung hat und auch fortgelassen Filterzweige. Die Primärwicklung ist hierbei mit dem

werden kann. Paar Eingangsanschlüssen verbunden zur Aufnahme

Es ist ferner nicht mehr neu, daß die unsymmetrische 15 eines Eingangssignals, und die Mittelanzapfung der

Auslegung der Längszweige eines Kreuzgliedes zu Sekundärwicklung ist mit einem der Ausgangs-

einem Filter fireit, bei dem die Anzahl der benötigten anschlüsse verbunden, während die Enden der Sekun-

Elemente verringert ist (»Zeitschrift Cables & Trans- därwicklung über je einen Filterzweig mit dem anderen

mission«, Bd. 6, Juli 1952, Nr. 3, S. 193 bis 210). In Ausgangsanschluß verbunden sind. Dies stellt eine

dieser Schrift wird außerdem die Verwendung von aa einfache und kompakte Ausführung des Kammfilters

Quarz als Schwingkreiselement erwähnt. Es ist ferner dar.

bekannt, durch Zuschaltung von ohmschen Wider- Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichständen den Resonanzwiderstand eines als Schwing- nungen beschrieben; es zeigt

kreiselement verwendeten Quarzes auf den gewünsch- F i g. 1 eine Ausführungsform eines symmetrischen

ten — hohen — Wert zu bringen. »5 Kreuzgliedes als Bestandteil eines Filters gemäß der

Es ist ferner bekannt (Zeitschrift Frequenz, Bd. 17, Erfindung,

Dezember 1963, Nr. 12. S. 3449 bis 461), daß der F i g. 2 das Schaltbild eines Impedanzzweiges des

Frequenzgang eines Wellenfilters vom erwünschten Kreuzgliedes nach Fig. 1,

Frequenzgang deshalb abweicht, weil in den Filter- F i g. 3 eine Ansicht des Impedanzzweiges nach

elementen eine Verlustleistung sf ttfindet. Besonders 30 Fig. 2, wobei jedoch der piezoelektrische Kristall

unangenehm ist dabei die Abflachung des Übergangs- durch sein aus konzentrierten Schaltungselementen

bereiches zwischen Durchlaßbereich und Sperrbereich, aufgebautes Ersatzschaltbild ersetzt ist,

und der angeführte Artikel befaßt sich mit diesem F i g. 4 ein Polstellen/Nullstellen-Diagramm für

Problem. ein Kreuzglied der in F i g. 1 dargestellten Art,

In gewissen elektronischen Schaltungen, beispiels- 35 F i g. 5 die Impedanzeigen? :haften eines Kreuzweise in Fernsprechübertragungssystemen, werden gliedes für ein Filter gemäß der Erfindung,
Bandpaßfilter zum Trennen von Nachrichtenmengen F i g. 6 das Schaltbild eines Filters mit mehreren benötigt, die sich innerhalb vorbestimmter, schmaler Durchlaßbereichen (Kammfilter) in Differential-Frequenzbänder befinden. Um einen hohen Selektivi- Brückenschaltung entsprechend der Erfindung,
tätsgrad zu erhalten, ist es vorteilhaft, piezoelektrische 4° F i g. 7 die Ubertragungskennlinie des Kamm-Kristalle in derartige Filter einzubauen. Bei der An- filters nach Fig. 6.

Wendung derartiger Filter stand deren hoher Selektivi- Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ist eine

tätsgrad bisher im Vordergrund des Interesses, ohne Spannungsquelle 10, deren Innenwiderstand bei 11

Rücksicht auf die Ebenheit der Durchlaßbereiche und dargestellt ist, an die Eingangsanschlüsse 12 und 13

der Sperrbereiche sowie auf das relative Dämpfungs- 45 eines symmetrischen Kreuzgliedes angeschlossen, in

verhältnis zwischen den Durchlaßbereichen und den welchem die Impedanzzweige Z_a und Zb liegen. Die

Sperrbereichen. Reihenimpedanzzweige Z_a liegen jeweils zwischen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter einem der Eingangsanschlüsse 12 und 13 und dem

der angegebenen Art zu schaffen, dessen Dämpfungs- entsprechenden Ausgangsanschluß 14 bzw. IS. Ande-

verlauf innerhalb der Durchlaßbereiche und der Sperr- 5° rerseits liegen die Diagonalimpedanzzweige Z» jeweils

bereiche eben ist und bei dem das jeweilige Verhältnis zwischen einem der Eingangsanschlüsse 12 und 13 und

der Dämpfung in den Durchlaßbereichen und den dem diagonal gegenüberliegenden der Ausgangs-

Sperrbereichen in gewünschter Weise festlegbar ist. anschlüsse 15 bzw. 14. Ein Belastungswiderstand IC

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeder liegt an den Ausgangsanschlüssen 14 und 15.

Filterzweig eine Anzahl parallelgeschalteter, die KrU 55 Jeder der Impedanzzweige Z_a und Zb der F i g. 1

stalle aufweisende Abschnitte aufweist, zu denen ein hat die in F i g. 2 dargestellte Form, d. h., sie weiser

Dämpfungsglied parallel geschaltet ist, daß die Im· jeweils die Reihenkombination eines Widerstandes 2C

pedanzen der die Kristalle aufweisenden Abschnitte der Größe Rs und eines piezoelektrischen Kristalls 21

bei deren Resonanzfrequenz einander nahezu gleich auf, die zwischen den Anschlüssen A und B geleget

sind und daß die Impedanz des Dämpfungsgliedes ein 60 ist, sowie einen Widerstand 22 der Größe Ra, de

Mehrfaches der Impedanz der Abschnitte beträgt und direkt zwi?-hen den Anschlüssen A und B, als*

so gewählt ist, daß die Dämpfung in den Sperrbereichen parallel zu der Reihenkombination des Widerstände

im wesentlichen konstant gehalten wird und das 20 und des Kristalls 21 liegt.

Dämpfungsverhältnis zwischen den Durchlußbereichen Um den richtigen Entwurf des Kreuzgliedes zu er

und den Sperrbvrcichen festgelegt wird. «5 leichtern, ist es zweckmäßig, den Kristall 21 de

Das filter kann ein symmetrisches Kreuzgliedfilter F i g. 2 durch sein Ersatzschaltbild darzustellen

mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Zweigen und F i g. 3 zeigt das Schaltbild des tmpedanzzweiges de

zumindest /wei Diagdiialzwcigen sein. F i g. 2, wobei der Kristall 21 durch sein F.fsata

schaltbild ersetzt worden ist, das die Reibenkombina- bestimmt. Das heißt, durch Einfügen d«t Reihention von Kristallinduktivität L_x, Kristallkapazität C_x Widerstandes mit einem vorbestimmten Wert Ra, der und Kristallwiderstand R_x aufweist, die durch die in spezieller Beziehung zu den Schaltungsparametern Parallelkapazität C,_A des Kristalls überbrückt ist. des Filters steht, wird sichergestellt, daß die Dämp-

Beim Entwurf eines Kreuzgliedfilters der in F i g, I 5. fungskennlinien der einzelnen Durchlaßbeieiche eben, dargestellten Art weraen die Kristalle für die Impe- konstant und vorhersagbar sind. Der Reihenwiderdanzzweigt Z_n und Zb so gewählt, daß sie die speziellen stand Rs ist mit der Bandmittenfrequenz Zm. der Bandpaß- und Grenzfrequenz-Anforderungen des Kristallinduktivität L_x, dem Kristallwiderstand R_x und speziellen Anwendungsfalles erfüllen. F i g. 4 ist ein der effektiven Übertragungsgüte Q_e nach folgender Polstellen/Nullsteilen-Diagramm, und F i g. 5 zeigt io Gleichung verknüpft:
die Impedanzkennlinie eines derartigen Kreuzglied-Bandpaßfilters. Die untere Grenzfrequenz des ge- 2nf_mL

wünschten Durchlaßbereichs ist die Reihenresonanz- ^Λ« = -—r ^Λ* ·

frequenz /„ der Reihenimpedanzzweige Z₀, während ^'

die obere Grenzfrequenz die Resonanzfrequenz/b »5

der Diagonalimpedanzzweige Zb ist. Ein zweiter Wie vorher dargelegt, wird der Widerstand R_s

Durchlaßbereich zwischen den Frequenzen /„' und vergleichsweise groß gemacht durch Auswählen eines

ft wird als Ergebnis der Parallelresonanz der einzel- kleinen Wertes für Q_t, wo<?--;reh das Filter effektiv von nen Kristalle erzeugt. Die Wirksamkeit des Filters bei Parameter-Änderungen unauhingig gemacht wird, die dem ersten Durchlaßbereich um die Frequenzen f_a «° von Herstellungstoleranzen oder von Temperatur- und fb und die wirksame Eliminierung des zweiten änderungen herrühren.

Durchlaßbereichs um die Frequenzen fa und /V Bei bekannten Bandpaßfilter-Anwendungsfällen war

wird durch Abschluß des Filters durch eine geeignete es allgemein ausreichend, eine Mindestdämpfung in

niedrige Lastimpedanz Rl sichergestellt. den Sperrbereichen zu erzeugen und aufrechtzuerhal-

AIs Folge des hohen Wellenwiderstandes und der 15 ten, ohne die Dämpfungsschwankungen in den Sperrniedrigen Abschlußimpedanz Rl des Filters unterliegt bereichen zu betrachten. Das heißt, Dämpfungsspitzen das höhere Frequenzband fb'~fa einer sehr hohen waren beispielsweise zugelassen, solange die Mindest-Reflexionsdämpfung, und seine Wirkungen werden dämpfung in den Sperrbereichen aufrechtgehalten dadurch wirksam eliminiert, so daß der einzige nutz- wurde.

bare Durchlaßbereich des Filters zwischen den Fre- 30 Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist der geebnete quenzen /₀ und Z& gelegen ist. Dämpfungsverlauf in den Sperrbereichen des Filters.

Beim Entwurf des Kreuzgliedes für ein Filter gemäß Das heißt, die Einfügung eines Dämpfungsgliedes der Erfindung wird eine effektive Übertragungsgüte parallel zu der Reihenkombination von Widerstand 20 Qe des Kristallfilters zur Berechnung des Reihen- und Kristall 21, wie jenes durch den Widerstand Ra Widerstandes R$ und des Verlustes des Filterabschnit- 35 dargestellt wird, ergibt einen geebneten Dämpfungstes verwendet, wobei Q_e sich aus dem Kristallfilter be- verlauf in den Sperrbereichen zusammen mit einem stimmt, bevor der Reihenwiderstand Rs und bevor festgelegten und konstanten Dämpfungsverhältnis der Parallelwiderstand R_A in die Schaltung eingefügt zwischen dem Durchlaßbereich und den Sperrbereisind. Um den Entwurf des Filters zu optimalisieren, chen.

wird der Wert von Qe so gewählt, daß er annähernd 40 Um den Aufbau des BandpaSfilters optimal zu geein Sechstel bis ein Zehntel der durchschnittlichen stalten und um den erforderlichen geebneten Dämp-Übertragungsgüte Q der einzelnen, im Filter be- fungsverlauf zu erzeugen, ist das durch den Widernutzten Kristalle ist. Die Auswahl eines relativ kleinen stand 22 dargestellte Paralleldämpfungsglied so ent-Wertes für Q_e gegenüber dem Q-Wert der einzelnen worfen, daß es einen Impedanzwert hat, der ein Mehr-Kristalle ermöglicht es, einen relativ großen Wider- 45 faches des Impedanzwertes Z₀ des Kristallabschnittes stand Äs in Reihe mit den einzelnen Kristallen einzu- beträgt. Das Dämpfungsverhältnis zwischen den fügen, wodurch die Effekte von Änderungen des Durchlaßbereichen und den Sperrbereichen ist anderer-Q-Wertes von Kristall zu Kristall als Folge von Her- seits hauptsächlich abhängig von den speziellen Schalstellungsunterschieden oder als Folge von Tempera- tungserfordernissen des einzelnen Anwendungsfalles turänderungen minimalisiert werden. Im Ergebnis ist 50 und kann entsprechend hiermit ausgewählt werden, es möglich, die Dämpfung des Filterabschnittes genau Die Gesamtdämpfungseigeiischaften des Dämp-

vorauszusagen und diese auch auf konstanten Wert zu fungsgliedes werden durch das Dämpfungsmaß des halten. zusammengesetzten Filters bei der Bandmittenfre-

Der Verlust des Filterhauptzweiges kann aus folgen- quenz f_m plus dem Dämpfungsverhältnis zwischen der Gleichung berechnet werden: 55 den Durchlaßbereichen und den Sperrbereichen so

bestimmt, wie dieses für den speziellen Anwendungs k. f_n fall erforderlich ist. Da» Dämpfungsmaß bei der

Verlust (Abschnitt) (db) =* 7 - -■/.-;.- · U) Bandmittenfrequenz fm umfaßt drei Komponenten,

(Ze-Zo)Oi nämlich da» Dämpfungsmaß des Filter-Haupteweigs

60 plus einvf Paralleldämpfung, die durch das Dämp·

Hierin bedeutet f_m die Bandmittenfrequenz des fungsglied eingeführt wird, minus einer Reflexions-Filters, fa und fb die untere bzw. obere Grenz· dämpfung zwischen dem Dämpfungsglied und der frequenz, Qt die effektive Gütezahl und ki eine Kon· Abschlußimpedanz des Filters, stante, die sich hauptsächlich auf die Steigung der Das Paralleldämpfungsmaß hat folgenden Wert Phasenverschiebungskennlinie des Filters bezieht, «5

Die Dämpfungskennlinien der einzelnen Durchlaß* R \ l\

bereiche sind hauptsächlich durch den Reihenwider' - 21 20 log,,, ' ).

stand R.s in den einzelnen Impcdanz/wigen des Filtern V R '

Das Reflexionsdämpfungsglied hat folgenden Wert

= 20log₁₀

= 2-

\'4 R_pR_f

Hierin bedeuten R_p und Rf die Impedanzwerte des Dämpfungsgliedes bzw. Filters.

Um das Filter nach der Erfindung einstellbar zu machen, können der Reihenwiderstand Ri und das Dämpfungsglied Ra variabel gemacht werden. Die Einfügung derart variabler Komponenten ermöglicht es, das Filter zur Kompensation von Herstellungsunterschieden zu justieren und dadurch die exakten Filtereigenschaften zu erzeugen, wie diese für den speziellen Einzelfall erforderlich sind.

F i g. 6 zeigt das Schaltbild eines speziellen Filters *₀ mit mehreren Durchlaßbereichen in Differentialbrückenschaltung, das entsprechend der Erfindung aufgebaut ist und die frequenzselektiven Eigenschaften entsprechend F i g. 7 hat Das Filter nach F i g. 6 hat sechs sehr schmale Durchlaßbereiche, die auf die angegebenen Frequenzen zentriert sind. F i g. 7 zeigt die Merkmale der Erfindung, nämlich die weitgehende Ebenheit sowohl der Durchlaßbereiche als auch der Sperrbereiche, zweitens die identischen Dämpfungswerte sowohl der Durchlaßbereiche als auch der Sperr- bereiche und drittens das fixierte Dämpfungsverhältnis zwischen den Durchlaßbereichen und den Sperrbereichen.

Das BandpaOfilter nach F i g. 6 empfängt sein Eingangssignal von einer Quelle 30 Ober die Primär- 3$ wicklung 31-1 und eine mittelangezapfte Sekundärwicklung 31-2 eines Differentialübertragers 31. Ein Belastungswiderstand 32 liegt mit der einen Seite am Mittelabgriff der Sekundärwicklung 31-2, während die andere Seite zu den beiden Enden der Sekundärwicklung Ober Widerstände 33 bzw. 34 zurückgeführt ist. Dem Widerstand 33 sind seinerseits eine Induktivität 35 und sechs einzelne Kristaflschaltkreise 36 parallel geschaltet, von denen jeder die Reihenschaltung eines variablen Widerstandes 37, eines piezo- elektrischen Kristalls 38 und eines fixierten Widerstandes 39 aufweist. Andererseits sind dem Widerstand 34 eine Induktivität 40 und sechs einzelne Kristallschattkreise 41 parallel geschaltet, von denen jeder die Reihenschaltung eines fixierten Widerstandes 42 mit einem Kristall 43 aufweist.

Das in F i g. 6 gezeichnet^ Bandpaßfilter ist als Differential-Brückenschaltungsfilter ausgebildet, welches das Äquivalent eines symmetrischen Kreuzglied-Kammfilters mit sechs zueinander parallel angeordne- ten Kristallabschnitten und einem Dämpfungsglied in jedem Serien- und Diagonalzweig ist, die in Übereinstimmung mit dem Erfindungsgedanken ausgelegt sind. Die Umwandlung des üblichen symmetrischen Kreuzgliedes in das Differeirtial-Brückenschaltungsäquivalent wird in der Filtertechnik üblicherweise vorgenommen (s. beispielsweise »Reference Data for Radio Engineers«, 4. Auflage, 1957, S. 235, herausgegeben durch die International Telephone and Telegraph Corporation). Bei der Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 6 bilden die Widerstände 33 und 34 die Dämpfungsglieder für die einzelnen Kristallibschnitte, um das erforderliche Dämpfungsverhältnis zwischen den Durchlaßbereichen und den Sperr bereichen zu erzeugen. Für jeden der Durchlaßbereich« arbeiten zwei Kristallschalteinheiten 36 und 41 zusammen, um die erforderliche Bandbreite für den speziellen Durchlaßbereich m erzeugen, Die jeweiligen Kristalle 38 und 43 werden so ausgewählt, daß sie die erforderliche obere bzw. untere Örenzfrequenz haben, während die jeweiligen Widerstände 37, 39 und 42 zusammen für den benötigten Reihenwiderstand des speziellen Durchlaßbereiches sorgen. Der Reihenwiderstand 37 ist variabel, um Schaltungsänderungen kompensieren und damit genaue Durchlaßeigensehaften sicherstellen zu können. Die Parallelinduktivitäten und 40 dienen andererseits zur Auslöschung der Parallelkapazitäteffekte der einzelnen Kristalle, und zwar parallel zu der betreffenden Induktivität im interessierenden Frequenzbereich. F i g. 7 zeigt die resultierende Filterkennlinie, die durch die geebneten Durchlaßbereiche und Sperrbereiche charakterisiert ist, ebenso durch das fixierte und vorbestimmte Dämpfungsverhältnis zwischen den Durchlaßbereichen und den Sperrbereichen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kristall-Kammfilter mit mehreren Zweigen, welches ein kammförmiges Frequenzspektrum mit einer Anzahl schmaler Durchlaßbereiche und davon getrennter breiterer Spertbereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Filterzweig eine Anzahl parallelgeschalteter, die Kristalle aufweisende Abschnitte (36, 41) aufweist, zu denen ein Dämpfungsglied (22, 33. 34) parallelgeschaltet ist, daß die Impedanzen der die Kristall·: aufweisenden Abschnitte (36, 41) bei deren Resonanzfrequenz einander nahezu gleich sind und daß die Impedanz des Dämpfungsgliedes (22, 33, 34) ein Mehrfaches der Impedanz der Abschnitte beträgt und so gewählt ist, daß die Dämpfung in den Sperrbereichen im wesentlichen konstant gehalten wird und das Dämpfungsverhältnis zwischen den Durchlaßbereichen und den Sperrbereichen festgelegt wird.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt (36,41) eine Reihenkombination eines piezoelektrischen Kristalls (21, 38, 43) und eines Widerstandes (20, 37, 39, 42) enthält, dessen Widerstandswert um ein Mehrfaches größer ist als der Reihenwiderstand des Kristalls, um die Durchlaßbereichskennlinien des Filters im wesentlichen geebnet und konstant zu halten.

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein Paar Eingangs- und ein Paar Ausgangsanschlüsse, einen Brückenübertrager (31) mit einer Primärwicklung (31-1) und einer mittig angezapften Sekundärwicklung (31-2) sowie weiterhin zumindest zwei Filterzweig: enthält und daß die Primärwicklung (31-1) mit einem Paar Eingangsanschlüssen verbunden ist zur Aufnahme eines Eingangssignals und die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung (31-2) mit einem der Ausgangsanschlüsse verbunden ist

4. Filter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Paar Induktivitäten (35, 40), die einen Endes miteinander und mit der Verbindungsstelle der Dämpfungsglieder verbunden sind und anderen Endes jeweils an ein Ende der Sekundärwicklung (31-2) angeschlossen sind, und daß die Induktiv!-

täten (35, 40) jeweils einen Wert haben, der zum Unwirksammachen der Parallelkapazität der Kristalle ausreichend ist, um dadurch eine im wesent* liehen ebene Dämpfungscharakteristik in den Sperrbereichen des Filters im interessierenden Frequenzbereich sicherzustellen.

1 Filter nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß zumindest einer der Widerstände (37 der Widerstand'Kristall'Reihenkombination citiei einstellbaren Widerstandswert ?ur Einstellung de Dämpfung der Durchlaßbereiche des Filters auf weist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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