DE1491498A1

DE1491498A1 - Piezoelektrischer Filter

Info

Publication number: DE1491498A1
Application number: DE19631491498
Authority: DE
Inventors: Fowler Peter H
Original assignee: Sonus Corp
Current assignee: Sonus Corp
Priority date: 1962-06-04
Filing date: 1963-05-31
Publication date: 1969-10-02
Also published as: US3189851A

Description

Piezoelektrischer Filter.

Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Frequenzbandfilter mit piezoelektrischen Elementen sowie auf eine mit derartigen Filtern arbeitende Schaltung. Der Filter umfasst mehrere Stufen, von denen jede ihrerseits zwei piezoelektrische Übertrager umfasst, welche zu einem akustischen Transformator vereinigt sind, mittels dessen ein den Eingangsklemmen zugeführtes elektrisches Signal in ein akustische^ Signal verwandelt wird. Dieses Signal wird dann erneut in ein elektrisches Signal verwandelt, das an den Ausgangsklemmen des Transformators erscheint. Übertrager der akustischen Transformatoren können im wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz haben, und trotzdem zeigt die Frequenzcharakteristik des vollständigen Filters einen im wesentlichen rechteckigen Durchlassbereich mit scharf ausgeprägter Randoelektivität.

Im allgemeinen dienen Bandfilter in elektrischen Schaltungen dazu, nur diejenigen Signale durchzulassen, deren Frequenzen innerhalb eines bestimmten Durchlassbereichs liegen. Bei einer Audionechaltung kann man z. B. einen Bandfilter benutzen,

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um das gewünschte hörbare Signal im wesentlichen ungedämpft durchzulassen, wobei jedoch Signale mit niedrigen Frequenzen, z. B. die Netzfrequenz von 60 Hz, zurückgehalten werden; dies gilt auch für hochfrequente Signale, z. B. die Harmonischen des gewünschten Signals. Hierbei ist eine scharf ausgeprägte Grenzfrequenz bzw. eine Eandselektivität erwünscht, so dass Frequenzen, die gerade noch ausserhalb des Durchlassbereichs liegen, im wesentlichen vollständig zurückgehalten werden. Ferner ist es erwünscht, dass ein Bandfilter innerhalb des Durchlassbereichs eine nur vernachlässigbar geringe Dämpfung aufweist, so dass der Filter bei innerhalb des Durchlassbereichs liegenden Signalen mit gleichmässig hohem Wirkungsgrad arbeitet. Eine gleichmässige Dämpfung innerhalb des Durchlassbereichs bewirkt die Aufrechterhaltung der relativen Amplitudenwerte der gewählten Signale.

Bis jetzt werden piezoelektrische Bandfilter gemäss der klassischen Filtertheorie konstruiert, und solche Filter weisen mehrere Stufen auf, von denen jede auf eine andere Resonanzfrequenz abgestimmt ist, damit sich die gewünschte Frequenzcharakteristik ergibt. Dies Verfahren bedingt die Herstellung und Lagerung piezoelektrischer Übertrager mit den verschiedensten Resonanzfrequenzen.

Ein Hauptziel der Erfindung besteht nunmehr darin, einen verbesserten Bandfilter und eine mit einem solchen Bandfilter arbeitende frequenzempfindliche Schaltung vorzusehen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Bandfilters, der sich mit relativ geringen Kosten herstellen lässt.

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Ferner sieht die Erfindung einen verbesserten Bandfilter von geringem Gewicht und minimalem Raumbedarf vor.

Weiterhin sieht die Erfindung einen Filter der genannten Art vor, der innerhalb des Durchlassbereichs eine geringe Dämpfung aufweist und ausserhalb des Durchlassbereichs liegende Frequenzen in sehr starkem Masse zurückhält..

Weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. φ

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die Schaltung einer frequenzempfindlichen Anordnung mit einem erfindungsgemässen Bandfilter.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsspannungen des Filters nach Fig. 1 und eines getrennt angeschlossenen Bestandteils desselben, wobei die Spannungen als Funktion der Frequenz aufgetragen sind.

Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen akustischen Transforma- % tor zur Verwendung bei dem Filter nach Fig. 1.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Schaltung mit einer anderen Ausbildungsform eines Bandfilters nach der Erfindung.

Fig. 5 zeigt in einer graphische!! Darstellung die Ausgangsspannung des Filters nach Fig. 4 in Abhängigkeit von der Frequenz.

Allgemein umfasst der erfindungsgemässe Filter mehrere gleichartig aufgebaute akustische Transformatoren in einer Kaskadenschaltung, wobei jeder Einzelfilter zwei piezoelektrische

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Übertrager umfasst. Eine akustische Kopplung ist zwischen miteinander verbundenen Flächen der paarweise angeordneten Übertrager vorgesehen, wobei eine Elektrode zwischen diesen Flächen angeordnet ist und als gemeinsame Klemme für den Transformator wirkt. Eine Elektrode ist ferner auf der anderen Seite jedes Übertragers ausgebildet, so dass jeder Transformator zusätzlich eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme aufweist. Die Transformatoren sind mit weiteren Einzelheiten in der U.S.A.-Patentanmeldung 75 321 vom beschrieben.

Die akustischen Transformatoren sind in Reihe geschaltet,-·- um den Filter zu bilden, und jeder Transformator ist im wesentlichen auf die gleiche Resoanzfrequenz abgestimmt. Jedoch unterscheidet sich die Frequenzcharakteristik des vollständigen Filters erheblich von der Charakteristik eines einzelnen Transformators und zeigt einen im wesentlichen rechteckigen Durchlassbereich und eine scharf ausgeprägte Randselektivität· Dies steht im Gegensatz zu der schmalen Spitze, die sich ergibt, wenn man abgestimmte Kreise von bekanner Konstruktion in einer Kaskadenschaltung anordnet·

Einzelne piezoelektrische Übertrager, die auf Resonanzfrequenzen abgestimmt sind, welche sich von denen der akuetischen Transformatoren unterscheiden, können als Bestandteile des Filters vorgesehen werden, um eine noch schärfere Frequenzbegrenzung, d.h. eine nooh Btärker ausgeprägte Randselektivität bu erzielen.

Gemäss Fig. 1 umfasst eine freqiienajeLektive Schaltung nach der Erfindung einen insgesamt mit 10 bezeichneten Bandfilter, der einer Quelle 12 entnommene elektrische Energie einer als Widerstand R_L dargestellten Last zufUhrt. Die Energiequelle hat

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einen inneren Widerstand, der schematisch als Widerstand R₀

angedeutet ist.

Der Filter 10 umfasst gleichartig gebildete akustische Transformatoren 14» 16 und 18, von denen Jeder eine Eingangsklem-■me a, eine Auagangsklemme b und eine gemeinsame Klemme c aufweist. Wie nachstehend erläutert, umfasst jeder akustische Transformator zwei piezoelektrische Übertrager, von denen jeder auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt ist und elektrische Signale, die den Eingangsklemmen a und c zugeführt werden, in mechanische oder akustische Signale verwandelt, die dann erneut in elektrisehe Signale umgewandelt werden, welche zwischen den Transformatorklemmen b und c erscheinen.

In Pig. 2 stellt die Kurve 20 eine typische Frequenzcharakteristik des Bandfilters 10 dar. Bei dieser Darstellung handelt es sich um ein vereinfachtes Bild, in welchem die Spannung V an dem Widerstand Rt als Funktion der Frequenz der Energiequelle 12 wfeiergegeben ist. Man erkennt, dass an den Widerstand R^ innerhalb des Durchlassbereichs, d.h. zwischen den Frequenzen f.. und fp, eine Spannung von erheblicher Grosse angelegt wird.

Gemäss Fig. 3 sind die akustischen Transformatoren 14, 16 und 18 als piezoelektrische Vorrichtungen ausgebildet und vorzugsweise mit im wesentlichen gleichartigen polarisierten keramischen Übertragern 22 und 24 ausgerüstet, die mit einem gemeinsamen Leiter 26 verbunden sind, welcher zwischen den Übertragern als gemeinsame Transformatorklemme c wirkt. Auf den Übertragerflächen 22a und 24a sind Eingangs- und Ausgangselektroden 28 bzw. 30 ausgebildet, und auf d*en innenliegenden Übertrage.rflachen 22b und 24b sind Elektroden 32 bzw. 34 ausgebildet.

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In den meisten Fällen handelt es sieh bei den Übertragern 22 und 24 um kreisrunde Scheiben, so dass der akustische Transformator einen kurzen Zylinder bildet.

Der Leiter 26, der aus einer dünnen Metallfolie bestehen kann, ist durch dünne Filme 36 und 38 aus einem geeigneten
Kitt mit den Elektroden 32 und 34 verbunden;.als Kitt ist ein härtbares Epoxy-Harz geeignet, das akustische Energie bei minimalen Verlusten übertragen kann. Bevor das Harz erhärtet, werden die Übertrager 22 und 24 fest miteinander verspannt, um das überschüssige Harz herauszudrücken. Durch dieses Einspannen wird -., auch der Leiter 26 in Berührung mit den Elektroden 32 und 34
gebracht, da zwischen den genannten Teilen stets kleine Vorsprünge vorhanden sind.

Bei einer hier nicht gezeigten abgeänderten Konstruktion kann der gemeinsame Leiter 26 durch zwei getrennte Metallfolien gebildet werden, die mit den Elektroden 32 und 34 verlötet sind, und der Transformator wird durch einen Kittfilm zusammengehalten, der genügend dick ist, um die Elektroden J>2 und 34 voneinander zu trennen. Bei dieser Konstruktion wird eine bei manchen
Schaltungen erwünschte Isolierung zwischen den beiden "gemeinsamen" Leitern erzielt.

Die Gesamtdicke des die Übertrager 22 und 24 zusammenhaltenden Verbindungssysteme kann weniger als etwa 0,0125 mm
betragen, und sie soll gewöhnlich einen kleinen Bruchteil einer akustischen Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz ausmachen, um Reflexionen in dem Verbindungssystem "daran zu hindern, die
Frequenztreue des akustischen Transformators unerwünscht zu
beeinflussen. Vorzugsweise sind die gesamten Übertragerflächen

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22b und 24b miteinander verbunden, um eine maximale akustische Kopplungswirkung zwischen diesen Flächen zu erzielen. Auch der Leiter 26 soll sich im wesentlichen über die gesamte Verbindungsfläche erstrecken. Auf diese Weise werden auf Unterschiede ,im akustischen Widerstand in der Verbindungszone zurückzuführende störende Reflexionen auf ein Mindestmass herabgesetzt. Man kann den Kontakt zwischen dem Leiter 26 und den ihm benachbarten Elektroden dadurch verbessern, dass man dem die Filme 36 und 38 bildenden Kunstharz Silberteilchen beimischt, um es elektrisch leitfähig zu machen.

Wenn die Übertrager 22 und 24 in der Achsrichtung, d.h. rechtwinklig zu den Übertragerflächen 22a und 24a, polarisiert sind, kann der akustische Transformator in einer von zwei Grundschwingungsarten Resonanzschwingungen ausführen und ferner sind harmonische Schwingungen möglich, wenn zwischen den Elektroden 26 und 28 eine Erregung erfolgt. Bei den genannten Schwingungsarten handelt es sich um axiale Schwingungen in der Dickenrichtung bzw. um radiale Schwingungen in der Querrichtung. Diese Resonanzen, die man ale innere Resonanzen bezeichnen kann, entsprechen der maximalen Schwingungsamplitude jedes Übertragers 22 und 24 für eine gegebene Spannung an der Energiequelle 12 nach Fig. 1. Jede innere Resonanz setzt eich aus einer "mechanischen¹¹ Resonanz und einer "elektrischen" Resonanz zusammen, die bezüglich ihrer Frequenz durch einen kleinen Abstand getrennt sind. Bei der elektrischen Resonanz ist der durch den Übertrager 22 bei einer bestimmten Spannung fliessende Wechselstrom ein Maximum, während bei der mechanischen Resonanz die akustische Ausgangsleistung bei einer gegebenen Stromstärke ein Maximum ist. Zwischen diesen beiden Resonanzen liegt die innere Resonanzfrequenz, bei welcher eine zwischen der

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Elektrode 26 und einer der Elektroden 28 und 30 angelegte Spannung von bestimmtem Wert eine maximale akustische Ausgangsleistung liefert. Es sei bemerkt, dass die elektrische Resonanz nicht in einer direkten Beziehung zu der Kapazität zwischen den Elektroden 26 und 28 steht.

Die vorstehend beschriebenen elektrischen und mechanischen Resonanzen entsprechen der Reihenschaltungs- bzw. der Parallelschaltungsresonanz einer dem Übertrager äquivalenten elektrischen Schaltung. Bei der Reihenschaltungsresonanz hat die äquivalente Schaltung einen minimalen Widerstand, und sie hat ihren, maximalen Widerstand bei der Parallelschaltungs-Resonanzfrequenz.

Wenn die Übertrager 22 und 24 nach Fig. 3 axial polarisiert sind, bewirkt eine zwischen den Elektroden 28 und 26 angelegte Wechselspannung eine Ausdehnung und Zusammenziehung des Übertragers 22 in axialer Richtung. Es liegt auch auf der Hand, dass im Hinblick auf die innere reziproke Steifigkeit und die Masse des Aggregats eine Schwingungsart in dieser Richtung, d.h. in Richtung der Dicke, vorhanden ist. Die andere Schwingungsart, d.h. die, radiale, ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass sich der Übertrager 22 dann, wenn er sich axial ausdehnt und zusammenzieht, entsprechend der Poissonschen Zahl in radialer Richtung zusammenzieht und ausdehnt. Dieser Effekt ist ein Maximum bei einer Frequenz, die sich im allgemeinen von der Frequenz der Resonanz in der Dickenrichtung unterscheidet. Genauer gesagt, die Frequenz der Resonanz in der Dickenrichtung hängt bei gegebenem Material von der Dicke ab, und die Frequenz der radialen Resonanz richtet sich bei einer dünnen Scheibe nach dem Durchmesser.

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Die Schwingungen, welche auf die elektrische Erregung des Übertragers 22 zurückzuführen sind, werden auf den Übertrager 24 übertragen, wo sie eine zwischen den Elektroden 26 und 30 erscheinende Ausgangsspannung erzeugen. Diese Ausgangsspannung ist eine Punktion der Schwingungsamplitude, und sie ist daher ein Maximum bei der inneren Frequenz des akustischen Transformators. Daher arbeitet der Transformator zwischen seinen Klemmen a und b als abgestimmter Filter.

Es hat sich gezeigt, dass die radiale Schwingungsart der Schwingungsart, bei welcher die Schwingungen in der Dickenrichtung erfolgen, vorzuziehen ist, denn hierbei ergibt sich e-ine festere akustische Kopplung zwischen den beiden Übertragern des Transformators. Mit anderen Worten, bei elektrisch erregten radialen Schwingungen in dem Übertrager 22 zwingt die Verbindung zwischen der Fläche 22b und der Fläche 24b den Übertrager 24 dazu, im gleichen Sinne zu schwingen. Bei Schwingungen in der Dickenrichtung wird dagegen ein Teil der akustischen Energie verbraucht, um eine Translationsbewegung des Übertragers 24 herbeizuführen und nicht etwa schwingende Bewegungen zu erzeugen. Daher ergibt sich in diesem Falle ein erheblich niedrigerer Gesamtwirkungsgrad.

Bei niedrigen Frequenzen, z.B. bei den in Rundfunkempfängern angewendeten Zwischenfrequenzstufen, erfordert das Arbeiten mit Schwingungen in der Dickenrichtung eine erhebliche axiale Abmessung des Filters. Hierdurch wird wiederum in vielen Fällen der elektrische Eingangs- und Ausgangswiderstand nachteilig, beeinflusst, so daas man den Durchmesser der Schaltungselemente vergrössern muss. Infolgedessen ergeben sich erheblich grössere Abmessungen für den Transformator, und es treten schädliche

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Wirkungen auf, die auf die Wechselwirkung zwischen den Schwingungen in der Dickenrichtung und den radialen Schwingungen zurückzuführen sind.

Gemäss Fig. 1 kann jeder der im wesentlichen gleichartigen Transformatoren 14, 16 und 18 eine Resonanzfrequenz aufweisen, d.h. eine Frequenz, bei der die zwischen den Transformatorklemmen b und c erscheinende Spannung für eine zwischen den Klemmen a und c angelegte gegebene Spannung, z. B. im Zwischenfrequenzbereich ein Maximum ist. Die inneren Resonanzfrequenzen der Transformatoren unterscheiden sieh nur um wenige hundert Perioden, und vorzugsweise wird der Transformator mit der höchsten Resonanzfrequenz der Energiequelle unmittelbar nachgeschaltet, während der Transformator mit der niedrigsten Resonanzfrequenz der Last R_T vorgeschaltet wird. Jeder der beiden scheibenförmigen Übertrager jedes der Transformatoren 14, 16 und 18 hat vorzugsweise einen Durchmesser in der Grössenordnung von etwa 6,5 mm, und die Dicke beträgt etwa 0,36 mm. Die Scheiben sind durch einen Spalt mit einer Breite von etwa 0,0125 mm getrennt, Die Dielektrizitätskonstante des den Körper jedes Übertragers bildenden Materials beträgt etwa 12 000. Ein für diese Werte geeignetes Übertragermaterial ist ein keramisches Bleizirkona S-Bleititanat-Material, wie es in dem TJ.S.A.-Patent 2 708 244 beschrieben ist. Es sei bemerkt, dass man bei erfindungsgemässen Transformatoren auch andere schon bekannte Materialien verwenden kann. Zu diesen Materialien gehören Bariumtitanat, Bleimethaniobat und andere keramische Übertragernaterialien sowie Gemische der verschiedenen Verbindungen. Bei d.er radialen Schwingungsart variiert der Radius der Scheiben auf bekannte Weise in Abhängigkeit vom verwendeten Material. Ferner kann man nichtkeramische

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Stoffe verwenden, ζ. Β. Quarz usw.

Die elektrischen Widerstände der Transformatoren richten sich nach der Kapazität, einer Punktion der Dielektrizitätskonstante und der Dicke "bei der jeweiligen Form sowie nach den inneren elektroakustischen Eigenschaften. Die letzteren Eigenschaften hängen von den verwendeten Übertrager- Materialien abo Bei dem folgenden Beispiel für Schaltungsparameter und Charakteristiken ist angenommen, dass Transformatoren verwendet werden, die im wesentlichen der vorstehenden Beschreibung entsprechen.

Pig. 2 zeigt die Frequenzkurve 42 für einen einzelnen Transformator in Form einer vereinfachten Darstellung der Ausgangsspannung für den Fall, dass eine alternierende Erregerspannung an die Klemmen a und c angelegt wird und ein Belastungswiderstand mit den Ausgangsklemmen b und c verbunden ist; hierbei ergibt sich eine scharf ausgeprägte Resonanz bei der inneren Resonanzfrequenz f . Es sei angenommen, dass diese Frequenz bei etwa 400 kHz liegt; der innere Widerstand der Energiequelle 12 beträgt 10 000 0hm, und der Widerstand des Belastungswiderstandes liegt zwischen 200 und 5 000 0hm und beträgt vorzugsweise etwa 1000 0hm.

Es hat sich gezeigt, dass die gleichen Parameter, d.h. ein innerer Widerstand der Energiequelle von 10 000 0hm und ein Belastungswiderstand von 200 bis 5 000 0hm für den Betrieb der Schaltung nach Fig. 1 geeignet sind, und dass sich hierbei die Charakteristik 20 nach Pig. 2 ergibt, wobei f wiederum bei etwa 400 kHz liegt. Die in Fig. 2 mit. f., und f₂ bezeichneten Frequenzen entsprechen vorzugsweise der elektrischen, d.h. der Reihenschaltungs-Resonanzfrequenz bzw.der mechanischen, d.h. der Parallelschaltungs-Resonanzfrequenz des Filters 10. Bei den

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Frequenzen f.. und fp liegt die Spannung der Durchlasskurve 20 um 6 db unter dem Niveau bei der Frequenz f , was einem Leistungsverhältnis von 1/2 entspricht. Die Ausgangsspannung des Filters 10 liegt um 60 db (entsprechend einem Spannungsverhältnis von 1000) unter dem Pegel bei f , und zwar bei den mit f, und f\ bezeichneten Frequenzen, deren Differenz etwa gleich dem 5- bis 6-fachen des Unterschiedes zwischen fA und f.. ist. Mit anderen Worten, die Bandbreite bei 60 db beträgt nur das 5- und 6-fache der Bandbreite bei 6 db. Bei einer gegebenen mittleren Frequenz f kann man die der halben Leistung entsprechenden Frequenzen f. und fp dadurch einstellen, dass man die Intensität der Polarisation der Übertrager regelt.

Gemäss Fig. 1 ist innerhalb des Durchlassbereichs, d.h. zwischen f- und fp nach Fig. 2, die Energieübertragung durch den Filter 10 sehr wirksam, bzw. es ist ein hoher Wirkungsgrad vorhanden, und in den akustischen Transformatoren 14, 16 und 18 tritt im wesentlichen kein Leistungsverlust auf. Jedoch wird die Übertragung von Energie ausserhalb des Durchlassbereichs stark eingeschränkt. Allgemein ist festzustellen, dass die Energieübertragung durch einen akustischen Transformator mit hohem Wirkungsgrad, d.h. mit einem Verlust von weniger als 1 db erfolgt, wenn der Transformator zwischen einer Energiequelle mit einem relativ hohen inneren Widerstand von z. B. etwa 10 000 0hm und einem Belastungswiderstand von etwa 200 bis 5000 0hm liegt. Wenn der Belastungswiderstand nicht zwischen 200 und 5000 0hm liegt, nimmt die Menge der zur Last übertragenen Energie bemerkbar ab. Es hat sich gezeigt, dass die Trans- ; formatorv/iderstände zwischen den Klemmen a und c mit der Frequenz variieren und innerhalb des Bereichs von 200 bis 5000 Öhm

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etwa der inneren Resonanzfrequenz f entsprechen.

Genauer gesagt, wenn die verschiedenen Parameter die oben genannten Werte haben, liegt der Eingangswiderstand des Transformators 18, d.h. der Lastwiderstand des Transformators 16, bei den der halben Leistung entsprechenden Frequenzen im Bereich von 2000 bis 5000 0hm, während er bei anderen Frequenzen ausserhalb dieses Bereichs liegt. Somit ist die Energieübertragung durch den Tranformator 16 zwischen den dem Bereich der halben Leistung entsprechenden Frequenzen gleichmässig hoch und geht ausserhalb Λ dieses Bereichs erheblich zurück. Im wesentlichen die gleichen.-Gesichtspunkte gelten für die Beziehung zwischen den Transformatoren 14 und 16. Dies geht nicht aus einer einfachen Beobachtung der Spannungen zwischen Erde und den Klemmen 14b und 16b hervor. Diese Spannungen unterliegen grossen Änderungen in Abhängigkeit von der Frequenz.

Man kann die Zahl der Filterstufen variieren, doch genügen in den meisten Fällen drei Stufen. Bei drei Stufen erhält man gewöhnlich eine ausreichende Randselektivität, ohne dass innerhalb des Durchlassbereichs eine unerwünscht starke Dämpfung erfolgt.

Ein weiteres Merkmal der akustischen Transformatoren 14, 16 und 18 besteht darin, dass die Resonanzfrequenz f in Abhängigkeit vom Widerstand der Energiequelle zwischen den Klemmen a und c und dem Belastungswiderstand zwischen den Klemmen b und c variiert. Wenn z. B. die Energiequelle einen inneren Widerstand von 10 000 0hm hat und ein* Belastungswiderstand von 500 0hm vorhanden ist, kann der Transformator eine innere Resonanz bei 455 kHz zeigen. Wenn man den Belastungswiderstand auf 5000 0hm vergrössert, erscheint die Resonanz bei 456 kHz, und es ist ein kleinerer Wideretand der Energiequelle erforder-

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lieh, um eine Resonanz "bei 454- kHz zu erzielen. Wenn der Belastungswiderstand grosser wird als 5000 Ohm, erscheint die Resonanz bei 457 kHz, wenn man den Widerstand der Energiequelle vergrössert.

Wie often erwähnt, ergibt sich die Filtercharakteristik 20 nach Fig. 2 bei einer Energiequelle mit einem inneren Widerstand von etwa 10 000 0hm und einem Belastungswiderstand von etwa 1000 Ohm. Diese Werte, die eine Herabsetzung der Spannung zwischen der Energiequelle und der Last liefern, sind insbesondere zur Anwendung bei Transistorschaltungen geeignet, wo häufig hohe Ausgangswiderstände und niedrige Eingangswiderstände anzutreffen sind.

Ein weiteres Merkmal der akustischen Transformatoren 14, 16 und'18 bzw. des erfindungsgemäseen Filters 10 besteht darin, dass die Transformatoren reziprok wirken, Die vorstehend genann- ι ten Klemmen wurden nur aus Gründen der Einfachheit als Eingangsoder Ausgangsklemmen bezeichnet. Es sei z. B. angenommen, dass sich bei der Schaltung nach Fig. 1 eine Verkleinerung der Spannung zwischen der Energiequelle 12 und der Last R, mit der Grosse 1/A ergibt. Wenn man die Energiequelle 12a mit dem Belastungswiderstand in Reihe schaltet, ist die Spannnng, welche am Widerstand R„ erscheint, wobei dieser Widerstand immer noch zwischen den Klemmen 14a und 14c liegt, um das A-fache grosser als die Erregerspannung, d.h. es iet eine Spannungserhöhung zu beobachten, die gleich dem reziproken Wert der vorher besprochenen Spannungserniedrigung ist. Wenn man die Energiequelle 12 mit dem Belastungswiderstand R-. vertauscht, bleibt das Verhalten der Schaltung gegenüber dem Verhalten der ursprünglichen Schaltung nach Fig. 1 unverändert.

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In Pig. 4 ist ein insgesamt mit 46 bezeichneter Bandfilter dargestellt, der elektrische Energie aus einer Energiequelle 12 zu einem wiederum mit R^ bezeichneten Belastungswiderstand überträgt. Der Filter 46 umfasst die akustischen Transformatoren 14, 16 und 18, die ebenso geschaltet sind wie bei dem Filter 10 nach Fig. 1, und ausserdem sind einzelne piezoelektrische Übertragerelemente 48 und 50 vorgesehen, um eine Durchlasscharakteristik mit einer schärferen Randselektivität zu erzielen als bei dem Filter 10 nach Fig. 1.

Genauer gesagt, die Frequenzcharakteristik des Filters 46 entspricht der in Fig. 5 gezeigten Kurve 52, bei.der die am Belastungswiderstand erscheinende Spannung als Funktion der Frequenz aufgetragen ist. Die schärfere Randselektivität nach Fig. 5 wird wie folgt erzielt:

Das zwischen den Transformatoren 14 und 16 liegende Filterelement 48 hat eine mechanische oder Parallelschaltungsresonanz bei der in Fig. 5 mit fg bezeichneten Frequenz, und das mit den Klemmen 16c und 16b parallelgeschaltete Filterelement 50 hat eine elektrische oder Reihenschaltungsresonanz bei der in Fig. mit fj- bezeichneten Frequenz. Bei der Parallelschaltungsresonanzfrequenz fj- erscheint das Filterelement 48 als grosser Widerstand zwischen den Transformatoren 14 und 16, und daher wird praktisch keine Energie von der Energiequelle 12 zum Belastungswiderstand übertragen. Bei Frequenzen oberhalb der Parallelschaltungs-Resonanzfrequenz ist der Widerstand des Filterelements 48 sehr klein, und daher^hat dieses Element nur einen vernachlässigbar geringen Einfluss auf die Wirkungsweise des Filters bei diesen Frequenzen. Auf diese Weise führt die Benutzung des Filterelements 48 zu einer schärferen Abgrenzung

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auf der den niedrigeren Frequenzen entsprechenden Seite des Durchlassbereichs.

Ähnlich zeigt das Filterelement 50 einen minimalen Wider-· 'stand bei seiner Reihenschaltungs-Resonanzfrequenz f,- und bewirkt daher ein Kurzschliessen der Energie, welche durch die Transformatoren H und 16 von der Energiequelle 12 aus zu der gemeinsamen Klemme übertragen wird. Diese Wirkung addiert sich zu dem V/irkungsgradverlust der Transformatoren infolge der Abnahme ihres Belastungswiderstandes. Somit wird bei der Frequenz fc im wesentlichen keine Energie zum Belastungswiderstand übertragen, so dass die Kurve 52 auf der Seite der niedrigen Frequenzen eine schärfere Begrenzung zeigt. Der Widerstand des Filterelements 50 ist unterhalb der Rgihenschaltungs-Resonanzfrequenz relativ hoch, und daher beeinflusst dieses Element die Wirkungsweise des Filters innerhalb seines Durchlassbereichs nur unwesentlich.

Die Filterelemente 48 und 50 können ähnlich ausgebildet sein wie die übertrager 22 und 24 nach Fig. 3· Sie können z. B. polarisierte Körper aus keramischem Material umfassen, die auf voneinander abgewandten Flächen mit Elektroden versehen sind.

Die Erfindung sieht somit verbesserte Bandfilter vor, die mehrere akustische Transformatoren umfassen, denen jeder im wesentlichen auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt ist. Ohne dass Filterstufen benötigt werden, die auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind, liefern die Filter nach der Erfindung einen im wesentlichen rechteckigen Durchlassbereich, d.h. es erfolgt nur eine minimale und gleichmässige Dämpfung innerhalb des Durchlassbereichs, jedoch eine starke Dämpfung ausserhalb des Durchlassbereichs.

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Die die Filter bildenden akustischen Transformatoren haben ausserordentlich kleine Abmessungen, und es ist nicht notwendig, äussere Stromquellen oder Steuereinrichtungen vorzusehen. Ferner -lassen sich diese Transformatoren mit geringen Kosten herstellen und brauchen nach der Herstellung nicht abgestimmt zu werden.

Man kann die akustischen Transformatoren mit anderen Filterelementen kombinieren, die auf verschiedene Resonanzfrequenzen abgestimmt sind, wie es der herkömmlichen Filtertheorie φ entspricht, um die Randselektivität zu steigern.

Zwar wurden vorstehend bestimmte Schaltungaparameter erwähnt und bestimmte geometrische Formen angegeben, doch sei bemerkt, dass sich im Rahmen der Erfindung auch andere Werte anwenden lassen.

Es sei bemerkt, dass man bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die verschiedensten Abänderungen und Abwandlungen vorsehen kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Patentansprüche:

9098 AO/OAM

Claims

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1A-26 036 - 18 -

PATENTANSPRÜCHE

Bandfilter, gekennzeichnet durch eine und eine zweite Stufe, Mittel, welche diese Stufen in einer Reihenschaltung miteinander verbinden, wobei jede Stufe Filtermittel mit im wesentlichen der gleichen Resohanzfrequenz umfasst, wobei die Filtermittel jeweils geeignet sind, eine maximale Leistung an einen Widerstand abzugeben, dessen Widerstandswert in einem gewählten Bereich liegt, wobei die Eingangs- und Ausgangswiderstände der Filtermittel mit der Frequenz variieren und bei der Resonanzfrequenz innerhalb des gewählten Bereichs -liegen.

2. Bandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass jedes der Filtermittel polarisierte piezoelektrische Transformatoren mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme und einer gemeinsamen Klemme umfasst, wobei die Filtermittel geeignet sind, ein zwischen der Eingangsklemme und der gemeinsamen Klemme zugeführtes elektrisches Signal in ein akustisches Signal zu verwandeln, das dann erneut in ein zwischen der Ausgangsklemme und der gemeinsamen Klemme erscheinendes elektrisches Signal umgewandelt wird.

5« Filter, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Stufe, wobei jede Stufe zwei Eingangsklemmen, zwei Ausgangsklemmen und Filtermittel umfasst, Mittel, um die Ausgangsklemmen der ersten Stufe mit den Eingangsklemmen der zweiten Stufe zu verbinden, wobei die Filtermittel im wesentlichen gleichartig ausgebildet sind, wobei die Filtermittel jeweils eine Reihenschaltungs-Resonanzfrequenz und eine Parallelschaltungs-Resonanzfrequenz aufweisen, wobei die Filtermittel

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jeweils unabhängig eine maximale Spannung an den Ausgangsklemmen entwickeln, wenn eine Wechselspannung mit einer dritten Frequenz an die Eingangsklemmen angelegt wird, wobei diese dritte Frequenz zwischen der Reihenschaltungs- und der P_arallelschaltungs-Resonanzfrequenz liegt, wobei die Filtermittel jeweils eine maximale Leistung an eine zwischen ihren Ausgangsklemmen liegende Last innerhalb eines Bereichs von Belastungswiderständen abgeben, wobei die gangswiderstände der Filtermittel mit der Frequenz variieren und im wesentlichen im Bereich der Werte zwischen der Reihenschaltungs- und der Parallelschaltungs-Resonanzfrequens £ liegen, so dass der Filter zwischen der Reihenschaltungs- und der · Parallelschaltungs-Resonanzfrequenz einen hohen Übertragungswirkungsgrad aufweist.

4. Bandfilter, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Stufe, wobei jede Stufe zwei piezoelektrische übertrager mit akustischen Kopplungsmitteln zwischen ersten Flächen der Übertrager sowie eine erste Elektrode auf der ersten Fläche jeden Paars von Übertragern umfasst, ferner nine zweite Elektrode auf der zweiten Fläche jedes Übertragers, wobei die erstei Elektroden der Stufen mit einer gemeinsamen Klemme verbunden sind, sowie Mittel, um eine erste Elektrode der ersten und der zweiten Stufe mit einander zu verbinden, wobei die Jj Übertrager im wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz haben.

5. Filter, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten akustischen Transformator von gleicher Konstruktion, wobei jeder Transformator erste und zweite scheibenförmige piezoelektrische Übertrager mit einander zugewandten ■ ersten und zweiten Flächen umfasst, wobei die ersten Flächen jedes Transformators akustisch miteinander gekoppelt sind und

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eine Elektrode damit verbunden ist, wobei die Elektroden an eine gemeinsame Klemme angeschlossen sind, eine erste und eine zweite Klemme, die an den zweiten Übertragerflächen jedes Transformators "befestigt sind, Mittel, um die ersten Klemmen miteinander zu verbinden, wobei jeder Übertrager eine elektrische Resonanz bei einer ersten Frequenz und eine mechanische Resonanz bei einer zweiten Frequenz zeigt, wobei jeder Transformator unabhängig eine maximale Spannung zwischen einer Klemme und der gemeinsamen Klemme entwickelt, wenn eine Spannung mit einer dritten Frequenz zwischen der anderen Klemme und der gemeinsamen Klemme angelegt wird, wobei diese dritte Frequenz zwischen der ersten und der zweiten Frequenz liegt und für den ersten und den zweiten Transformator im wesentlichen den gleichen V/ert hat, wobei jeder Transformator zwischen seinen Klemmen eine maximale elektrische Leistung zu einer Last überträgt, deren Widerstandswert in einem bestimmten Bereich liegt, sowie eine Last mit einem in diesem Bereich liegenden Widerstand, die zwischen der gemeinsamen Klemme und der zweiten Klemme .des ersten Transformators angeschlossen ist,

6. Filter nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen dritten akustischen Transformator von im wesentlichen gleicher Konstruktion wie der erste und der zweite Transformator sowie Mittel, um eine Klemme des dritten Transformators mit der zweiten Klemme des zweiten Transformators zu verbinden.

7. Filter nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch in einer Reihenschaltung angeordnete, mit Nebenschlussverbindungen versehene piezoelektrische Übertrager, wobei der in der Reihenschaltung liegende Übertrager eine mechanische Resonanz bei einer Frequenz zeigt, die etwas unter äer ersten Frequenz liegt, und wobei der Nebenschluss-Übertrager eine elektrische Resonanz bei einer Frequenz zeigt, die etwas üL<*r der zv/eiten Frequenz liegt. 9Q9840/0A57

BAD ORIGINAL