DE1265888B

DE1265888B - Elektromechanisches Filter

Info

Publication number: DE1265888B
Application number: DES93269A
Authority: DE
Inventors: Karl Traub
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-01-30
Filing date: 1964-09-21
Publication date: 1968-04-11
Also published as: DE1260650B; GB1074292A; NL6501003A; NL143393B; DE1236684B; DK131360B; DK131360C; SE330576B; DE1265887B; US3369200A; DE1275700B; BE659060A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03h

Deutsche Kl.: 21g-34

Nummer: 1 265 888

Aktenzeichen: S 93269IX d/21 g

Anmeldetag: 21. September 1964

Auslegetag: 11. April 1968

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Filter, bestehend aus wenigstens zwei durch ein Koppelorgan miteinander gekoppelten, Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren und Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen bzw. zum Übergang von den mechanischen auf die elektrischen Schwingungen, bei dem die Abmessungen der Resonatoren derart gewählt sind, daß zwei zueinander senkrechte Biegeeigenschwingungen zumindest näherungsweise bei der gleichen Frequenz auftreten, bei dem die Resonatoren mit einer Unsymmetrie versehen sind, durch die die Kopplung der in dem jeweiligen Resonator auftretenden Biegeeigenschwingungen in vorgegebenem Maß erfolgt und bei dem das Koppelorgan im Bereich eines den Biegeeigenschwingungen entsprechenden Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt ist und zwei voneinander unterschiedliche Schwingungen ausführt, von denen eine in an sich bekannter Weise in der elektrischen Wirkungsweise unmittelbar aufeinanderfolgende Biegeeigenschwingungen unterschiedlicher Resonatoren koppelt, während die Kopplung der diesen Biegeeigenschwingungen in der elektrischen Wirkungsweise unmittelbar vorhergehenden bzw. nachfolgenden Biegeeigenschwingungen unterschiedlicher Resonatoren über die zweite im Koppelorgan auftretende Schwingung erfolgt, nach Patent 1 236 684.

Im Hauptpatent sind mechanische Filter angegeben, die mit Hilfe von Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren aufgebaut sind. Die Schwingungsanregung der Endresonatoren erfolgt durch elektrostriktiv wirkende Wandlerelemente. Die einzelnen Resonatoren sind untereinander durch Koppelstege gekoppelt, die im Bereich eines den Biegeschwingungen entsprechenden Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt sind. Durch eine doppelte Ausnutzung sowohl der einzelnen Resonatoren als auch der Koppelelemente lassen sich mit den im Hauptpatent angegebenen mechanischen Filtern «-kreisige Bandfilter mit nur h/2 Resonatoren aufbauen, wobei gleichzeitig mehrere Dämpfungspole erzielbar sind, deren Frequenzlage in weiten Grenzen frei wählbar ist. Bei solchen mechanischen Filtern, bei denen zumindest ein Dämpfungspol in einem nur sehr geringen Abstand vom Filterdurchlaßbereich liegen soll, sind die im Hauptpatent angegebenen Anordnungen insofern noch nicht völlig befriedigend, als nämlich die Koppelelemente zum Teil verhältnismäßig kleine mechanische Abmessungen annehmen müssen, deren genaue Einhaltung fertigungstechnische Schwierigkeiten mit sich brächte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Elektromechanisches Filter

Zusatz zum Patent: 1236 684

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Karl Traub, 8000 München

Hauptpatent angegebenen Filteranordnungen vor allen Dingen hinsichtlich der leichten mechanischen Herstellbarkeit der Koppelelemente insbesondere bei solchen mechanischen Filtern noch zu verbessern, bei denen die Dämpfungspole dem Durchlaßbereich verhältnismäßig eng benachbart sind.

as Von den im Hauptpatent angegebenen mechanischen Filtern ausgehend, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Form des Koppelorgans derart gewählt ist, daß es bei einer gegenüber den Resonatoren kleinen Querschnittsfläche in Längsrichtung der Resonatoren etwa die gleiche Biegesteifigkeit wie in der zu seiner Längsrichtung senkrechten Richtung hat.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Koppelorgan aus einem U-förmig gebogenen Blech besteht oder wenn das Koppelorgan aus einem Rohr mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt besteht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Das in der F i g. 1 gezeichnete mechanische Filter besteht aus zwei mechanischen Resonatoren 5 und 6, die über das Koppelelement 7 miteinander gekoppelt sind. Die Resonatoren haben im wesentlichen quadratischen Querschnitt und sind entlang ihrer Längskante mit den Abplattungen 10 versehen. Zur Halterung des

Systems in einem zur besseren Übersicht nicht näher dargestellten Gehäuse sind die Haltedrähte 11 vorgesehen, die im Bereich der Schwingungsknoten an den Resonatoren befestigt sind. Das Koppelelement 7 besteht aus einem dünnwandigen Blech, das etwa in Form eines U gebogen ist und das im Bereich des Schwingungsbauches an den Resonatoren 5 und 6 beispielsweise durch Lötung befestigt ist. Im Haupt-

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Claims

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patent sind bereits elektrostriktiv wirkende Wandler- verlaufenden Achse, bestimmen dann den Kopplung^ systeme angegeben, die die Ausnutzung des söge- faktor k_u. Ist dagegen die Länge nicht mehr wesentlich nannten direkten piezoelektrischen Effektes zur An- größer als die Höhe, so wird der Koppler auch auf regung von Biegeschwingungen gestatten. Es sei ange- Scherung beansprucht. Bei sehr kurzen und hohen nommen, daß die beiden Resonatoren 5 und 6 mit 5 Kopplern, wenn praktisch nur noch Scherkräfte im derartigen Wandlerelementen versehen seien und daß Koppler die Verkopplung k_u bestimmen, ist das Veram Wandlerelement des Resonators 5 eine Eingangs- hältnis k_u : k₂₃ praktisch konstant und wird Überwechselspannung angelegt sei, so daß am Wandler- wiegend durch die elastischen Konstanten E (Elastielement des Resonators 6 eine Ausgangswechsel- zitätsmodul) und G (Schubmodul) bestimmt, da für spannung abgenommen werden kann. Das der Schwin- io die Scherkopplung wie auch für die Längskopplung gungsanregung dienende Wandlersystem ist derart in der Querschnitt und die Länge des Koppelsteges in den Resonator 5 eingebracht, daß eine Biegeschwin- gleicher Weise maßgebend sind. Es ergibt sich für das gung in Richtung des Doppelpfeiles 1 entsteht. Die als maximal erreichbare Verhältnis der Kopplungen
Unsymmetrie wirkende Abplattung 10 hat zur Folge,

daß zusätzlich eine in Richtung des Doppelpfeiles 2 15 ._L⁴_ _ ^ . _.

verlaufende Biegeschwingung angeregt wird, die senk- k_2S E 2,5

recht zu der in Richtung des Doppelpfeiles 1 verlaufenden Schwingung steht. Die Abplattung 10 wirkt Dieses Verhältnis wird kleiner, wenn im Koppler somit als Koppelelement, das die beiden aufeinander auch eine Biegung auftreten kann,
senkrecht stehenden Biegeschwingungen 1 und 2 im 20 Durch die Ausbildung des Koppelelements 7 in Resonator 5 miteinander verkoppelt. Die in Richtung Form eines U lassen sich auch sehr dünne Bleche als des Doppelpfeiles 2 verlaufende Schwingung wird Koppelelemente einsetzen, wodurch bei vorgegebener durch das Koppelelement 7 auf den Resonator 6 über- Bandbreite die Abstände zwischen den Dämpihmgstragen und regt dort die in Richtung des Doppel- polen und dem Durchlaßbereich des Filters sehr gering pfeiles 3 verlaufende Biegeschwingung an. Da der 25 werden. Durch die U-förmige Ausbildung des Koppel-Resonator 6 ebenfalls mit einer seine Symmetrie stö- elements wird außerdem erreicht, daß es bei einer renden Abplattung 10 versehen ist, wird in der bereits gegenüber den Resonatoren kleinen Querschnittsbeschriebenen Weise eine in Richtung des Doppel- fläche in Längsrichtung der Resonatoren etwa die pfeiles 4 verlaufende Biegeschwingung angeregt, die gleiche Biegesteifigkeit wie in der zu seiner Länprichsenkrecht zu der in Richtung des Doppelpfeiles 3 ver- 30 tung senkrechten Richtung hat. Dadurch ergibt sich laufenden Schwingung steht. Das nicht näher gezeich- auch eine ausreichende mechanische Festigkeit in nete elektrostriktive Wandlersystem ist derart im Längsrichtung der Resonatoren, wodurch die Anre-Resonator 6 verankert, daß die von ihm erzeugte elek- gung von störenden Nebenwellen im Koppelelement trische Wechselspannung durch die in Richtung des weitgehend ausgeschaltet wird.
Doppelpfeiles 4 verlaufende Biegeschwingung hervor- 35 Die elektrische Wirkungsweise des in der F i g- 2 gerufen wird. Bei der Verkopplung der Schwingungs- gezeichneten Filters stimmt im wesentlichen mit der moden 2 und 3 wird das Koppelelement 7 auf Zug und des in der F i g. 1 dargestellten Filters überein. Als Druck beansprucht, d. h., es wirkt als Längskoppler. Koppelelement ist ein dünnwandiges Rohr 8 gewählt, Gleichzeitig werden auch die Schwingungsmoden 1 das im Bereich des Schwingungsbauches an den. Re- und 4 über das Koppelelement 7 miteinander ver- 4° sonatoren 5 und 6 befestigt ist. Die Verkopplung der koppelt, dessen mechanische Beanspruchung bei der einzelnen Schwingungsmoden 1 bis 4 erfolgt ia der Verkopplung der Schwingungsmoden 1 und 4 im fol- bereits bei der in F i g. 1 beschriebenen Weise. Abgenden noch erläutert wird. Bei der Verkopplung der gesehen von der Länge und den Materialkonsta&ten, Schwingungsmoden 1 und 4 werden die Schwingungs- hängt die Bandbreite des Filters wegen der über die moden 2 und 3 übersprungen. Diese zusätzliche Ver- 45 Längskopplung bewirkten Verkopplung der Schwinkopplung zweier nicht unmittelbar aufeinander fol- gungsmoden2 und 3 von der Querschnittsfllche gender Schwingungen hat zwei Dämpfungspole im _A ₌ *(&-&-) _ab>
der Polabstand dagegen über-Sperrbereich des Filters zur Folge, von denen der eine 4 ^v ' ^{ö ö}
unterhalb und der andere oberhalb des Filterdurchlaß- wiegend vom Trägheitsmoment des Kreisringes

bereichesliegt. Das Zustandekommen der Dämpfungs- ^ » (0«__rf.) oder von der Querschnittsfläche, je

pole sowie das elektrische Ersatzschaltbild eines der- 2 ^v ^-

artigen Filters sind im Hauptpatent bereits eingehend nachdem, ob der Koppler zur Polerzeugung (bei der erläutert worden. Verkopplung der Schwingungsmoden 1 und 4) über-

Die Bandbreite des Filters wird erheblich von der wiegend auf Biegung oder Scherung beansprucht wird. Größe des Koppelfaktors beeinflußt, mit dem die 55 D ist-der Außendurchmesser, und d ist der Innendurchaufeinanderfolgenden Schwingungen 2 und 3 mit- messer des Rohres. Durch die Wahl des Außen- uad einander gekoppelt sind. Dieser Koppelfaktor sei mit Innendurchmessers läßt sich in weiten Grenzen ein &₂₃ bezeichnet. Der Abstand der Dämpfungspole vom gewünschtes Verhältnis von Querschnittsfläche zu Durchlaßbereich des Filters wird im wesentlichen von Flächenträgheitsmoment und damit ein gewünschtes der Größe des Koppelfaktors bestimmt, mit dem die 60 Verhältnis von Bandbreite zum Abstand der Dämp-Schwingungsmoden 1 und 4 miteinander gekoppelt fungspole herstellen.

sind. Dieser Koppelfaktor sei mit Ar₁₄ bezeichnet. Auf An Stelle eines U-Profils ist mit Vorteil auch ein

welche Art der Koppelsteg dabei beansprucht wird, ist Doppel-T-Profil anwendbar,
von seinen Abmessungen abhängig. Ein Koppler, dessen Länge / groß gegen seine Höhe h ist, wird bezüglich 65 Patentansprüche:
des Kopplungsfaktors k_lt nur auf Biegung beansprucht.

Die Länge und das Flächenträgheitsmoment, bezogen 1. Elektromechanisches Filter, bestehend aus

auf die zur Längsrichtung der Resonatoren parallel wenigstens zwei durch ein Koppelorgan mit-

einander gekoppelten, Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren und Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen bzw. zum Übergang von den mechanischen auf die elektrischen Schwingungen, bei dem die Abmessungen der Resonatoren derart gewählt sind, daß zwei zueinander senkrechte Biegeeigenschwingungen zumindest näherungsweise bei der gleichen Frequenz auftreten, bei dem die Resonatoren mit einer Unsymmetrie versehen sind, durch die die Kopplung der in dem jeweiligen Resonator auftretenden Biegeeigenschwingungen in vorgegebenem Maß erfolgt und bei dem das Koppelorgan im Bereich eines den Biegeeigenschwingungen entsprechenden Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt ist und zwei voneinander unterschiedliche Schwingungen ausführt, von denen eine in an sich bekannter Weise in der elektrischen Wirkungsweise unmittelbar aufeinanderfolgende Biegeeigenschwingungen unterschiedlicher Resonatoren koppelt, während die Kopplung der diesen Biegeeigenschwingungen in der elektrischen Wirkungsweise unmittelbar vorhergehenden bzw. nachfolgenden Biegeeigenschwingungen unterschiedlicher Resonatoren über die zweite im JCoppelorgan auftretende Schwingung erfolgt, nach Patent 1 236 684, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Koppelorgans (7, 8) derart gewählt ist, daß es bei einer gegenüber den Resonatoren (5, 6) kleinen Querschnittsfläche in Längsrichtung der Resonatoren (5, 6) etwa die gleiche Biegesteifigkeit wie in der zu seiner Längsrichtung senkrechten Richtung hat.

2. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelorgan aus einem U-förmig gebogenen Blech (7) besteht.

3. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelorgan aus einem Rohr (8) mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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