DE1816480A1

DE1816480A1 - Elektromechanische Einrichtung zur Aufteilung oder Bildung eines Frequenzbandes

Info

Publication number: DE1816480A1
Application number: DE19681816480
Authority: DE
Inventors: Morio Onoe
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1967-12-28
Filing date: 1968-12-21
Publication date: 1969-10-16
Also published as: US3534297A

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 19.12.1968

Nippon Electric Company Limited P 2177 88/85 7-15,.SM^-Oa G-ochome
Kinato-ku
Tokio / Japan

Vertreter: " g

Dipl.-Ing.Max Bunke

Patentanwalt . '

7000 Stuttgart W , '

Schloßstr. 73 B

Elektromechanisch^ Einrichtung zur Aufteilung oder Bildung eines Frequenzbandes

Die Erfindung "bezieht sich auf elektromechanisch^ Einrichtungen zur Aufteilung oder Bildung eines Frequenzbandes.

!{ein elektrisch arbeitende Netzwerke zur Band auf teiung bestehen aus Induktivitäten und Kapazitäten und spalten das elektrische Eingangssignal in eine Anzahl von elektrischen AusgangsSignalen auf, die sich in ihren Frequenzkomponenten voneinander

• "909842/1096

SAD OBtQiNAt

unterscheiden. Solche Netzwerke spielen "bei Übertragungssystemen eine bedeutsame Ro'.'ie, z.B. bei Trägerfrequenztelefoniesystemen. Die Erfindung befaßt sich mit mechanischen Einrichtungen, die durch elektromechanische Umwandlung und mechanische Filterung genau die gleiche Funktion erfüllen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektromechanische Einrichtungen dieser Art zu schaffen, die es gestatten, ein Eingangssignal in eine beliebige Anzahl von Durchlaßbänder aufzuteilen und dabei die Breite von allen oder bestimmten Durchlaßbändern relativ zu den Bandabständen zu verringern, so daß ycharfe Forderungen hinsichtlich der Selektivität, wie sie z.B. bei der Trägeraussiebung auftreten, erfüllt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Einrichtungen kompakter Bauweise zu schaffen, deren Herstellungskosten niedriger liegen als diejenigen von Bandaufteilungseinrichtungen, der bekannten Bauart, bei der eine Anzahl mechanischer Zweipolfilter elektrisch parallel geschaltet werden.

Die elektromechanische Einrichtung zur Aufteilung oder Bildung eines Frequenzbandes nach der Erfindung ist durch einen stangenfarmigen Hauptwandler zur Umwandlung elektrischer Eingangssignale in mechanische längsschwingungen gekennzeichnet, durch eine Anzahl an den Hauptwandler angekoppelter Zweige , die aus einer Reihe eines oder mehrerer in gleichen Abständen in einer Ebene- untereinander und zur Achse des Hauptwandlers parallel angeordneter längsschwingungsresonatoren und eines stangenförmigen Zweigwandlers zur Rückwandlung der ausgesiebten längsachwingungen in elektrische Schwingungen bestehen, durch Biegeschwingungskoppelglieder zur Verbindung des Hauptwandlers mit den ihm benachbarten Resonatoren in zu seiner Achse senkrechter Richtung und durch Biegeschwingungskoppelgli-eder mit geringeren Durchmessern, als die zuerst genannten Koppelglieder sie aufweisen, zur Verbindung benachbarter Resonatoren und des Zweigwandlers innerhalb der Zweige.

909842/1096

BAD ORIGINAL

Alle Resonatoren in den Zweigeinrichtungen und auch der Hauptwandler weisen eine für Längsschwingungen geeignete geometrische Gestalt auf.

Diese Schwingungsform ist für den Tragerfrequenzbereich besonders günstig, weil den Resonatoren für diesen Bereich eine kompakte und leicht zu handhabende Gestalt gegeben werden kann, weil sie leicht und ohne ungünstige Beeinflussung der Schwingungen in Reihen gehaltert werden können und weil die Längsschwingungen in äußerst einfacher Weise an die Biegeschwingungen der Biegeschwingungskopplungsglieder, im folgenden kurz Biegekoppler genannt, angekoppelt werden können.

Die Bauweise erfordert zwei verschiedene Arten von Biegekopplern, die sich in ihren Durchmessern unterscheiden: solche für die Verbindung des Hauptwandlers mit den ihm benachbarten Resonatoren und solche für die Verbindung der Resonatoren in den Zweigeinrichtungen.

Die Biegekoppler der gleichen Art können gleiche Durchmesser haben. Um scharfe Forderungen der Selektivität bei der Bandaufteilung zu erfüllen, kann es aber auch notwendig sein, den Biegekopplern gleicher Art verschiedenen Durchmesser zu geben. Zur Wahl des Verhältnisses zwischen den Durchmessern werden später nähere Erläuterungen gegeben werden.

V/ie la einseinen noch dargelegt werden wird, ist die bezeichnete Bauweise für solche mechanischen Einrichtungen zur BandaufteiluTig hervorragend geeignet, bei denen die Mittenfrequenz ,des "JurchlaS-cancec oberhalb 50 kKz liegt und bei denen die spezifischen DurchlaSbandbreiten (also die Verhältnisse der Durchla3-"c vnäbrGiten zur Hittenfrequenz des JDurchlaabandes) zwischen einer, extrem kleinen Wert wie 0,1 \* und einem mittleren Viert wie 5 )'■> liegen. Ganz besonders bewährt sich diese Bauweise bei I-Jir.richvongen mit spezifischen DurchlaSbandbreiten in der ^r3.3enordr»ung von 0,1 und bei solchen, die kleine und mittlere ^urchluicundbreiten und Keine spezifische Durchla3bandbreiten

909842/1096

.iMWgjii·^ m& BAD ORIGINAL

"■ - 4 -

aufweisen sollen. Letztere Spielart kann durch geeignete Wahl der Durchmesser einiger Biegekoppler leicht verwirklicht werden. Schmalbandigkeit dieses Ausmaßes kann, wenn überhaupt, bei rein elektrischen Netzwerken zur Banäaufteilung bekanntlich kaum erreicht werden.

Der mechanische Kopplungskoeffizient eines Biegekopplers, der zwei längsschwingende Resonatoren in zur Achse der Resonatoren senkrechter Richtung miteinander verbindet, oder das Maß für die .Übertragung der mechanischen Energie von einem Resonator zu einem anderen, schwankt erheblich mit Änderungen im Durchmesser des 3iegekopplers. Dies bedeutet, daß die Übertragung der Energie der mechanischen Schwingung von einem Resonator zum anderen durch zweckmäßige Wahl des Durchmessers des Biegekopplers auf einfache Weise beeinflußt werden kann.

Die durch theoretische und experimentelle Untersuchungen gewonnene Grundlage für die Erfindung kann wie folgt kurz umrissen werden: die Kopplungskoeffizienten der Biegekoppler, die den Hauptwandler mit den Zweigeinrichtungen verbinden, können so gewählt werden, daß sich die gewünschten Abstände zwischen den Durchlaßbändern der mechanischen Aufteilungseinrichtung ergeben. Die Kopplungskoeffizienten der .Biegekoppler, die benachbarte Resonatoren oder den Zweigwandler mit seinem benachbarten Resonator jeder Zweigeinrichtung verbinden, können so gewählt werden, daß sich die gewünschten Durchlaßbandbreiten ergeben.

Die Kopplungskoeffizienten (oder Durchmesser) der zuerst genannten Biegekoppler sind, um Banäaufteilungseinrichtungen zu verwirklichen, bei denen zwei Bedingungen, nämlich große Abstände zwischen den Bändern und kleine Bandbreiten, erfüllt sein sollen, erheblich größer zu wählen als die Kopplungskoeffizienten (oder Durchmesser) der^ zuletzt genannten Biegekoppler.

Der überragende Vorteil von elektromechanischen Einrichtungen nach der Erfindung zur Bandaufteilung ο dar Bandbildung liegt

."909842/1096

darin, daß die mechanischen Kopplungskoeffizienten der beiden Arten von Biegekopplern mit Leichtigkeit in einem weiten'Bereich geändert werden können.

Weitere Vorteile und Merkmals der Erfindung gehen aus der •nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. '

Fig.1 ist eine perspektivische Ansicht eines Filters zur Aussiebung von Trägerfrequenzen in einer Bauweise nach der Erfindung für Trägerfrequenzgeräte,

■Fig.2 ist eine perspektivische Ansicht eines solchen Filters in einer anderen Bauweise nach der Erfindung.

Das Filter nach Fig.1 ist so gebaut, daß es ein Eingangsfrequenz^· band mit der Mittenfrequenz bei 82 kHz in ein 80 kHz-Band und ein 84- kHz-Band - beide Bänder mit einer Breite von 100 Hz aufteilen kann. Es stellt eine mechanische Einrichtung mit zwei Zweigen dar, die ein gleichwirkendes, rein elektrisches Netzwerk ersetzen kann.

Der Hauptwandler 1 und die beiden Zweigwandler 7 und 12 bestehen aus zwei Zylinderabschnitten aus einer Eisen-iTickel-Legierung und einem Stück aus gepoltem ferroelektrischen Keramikstoff 2, das zwischen die beiden Zylinderabschnitte eingebettet ist. Solche Wandler werden gelegentlich als Langevin-Wandler bezeich-" net. Ein an das Hauptklemmenpaar 13 angelegtes elektrisches Eingangssignal wird von dem gepolten ferroelektrischen Keramikstoff in mechanische Längs schwingungen umgewandelt, und die Energie wird durch überbrückende Drähte (Biegeschwingungskoppelglieder oder kurz Biegekoppler) 3-.und 18 aufgeteilt, um die zwei Resonatoren 4 und 9 zu Längsschwingungen anzuregen. Bei der dargestellten Bauweise haben die Biegekoppler 3 und 8 den gleichen Durchmesser. Auch die Biegekoppler 5 und 10 zur Verbindung der Resonatoren in den Zweigen haben gleichen Durchmesser. Die Bi.egekoppler sind an beiden Seiten, also an der Vorder- und der

509842/1096

8A0 OftGINAL

* J · ι j a ·

y ι

ti it

1 j t

Rückseite, der Einrichtung angebracht. Sie könnten auch nur auf der einen Seite angebracht sein. Der Anbringung auf beiden Seiten ist aber der Vorzug zu geben, da hierdurch die Möglichkeit· der Übertragung von unerwünschten Schwingungsformen von einem Element auf das benachbarte -unterdrückt werden.-kann und die Kopplungskoeffizienten stabilisiert werden können.

Die,Länge der Resonatoren 4, 6, 6 und des Zweigwandlers 7 sie haben alle zylindrische Gestalt - im linken Zweig I und diejenige der Resonatoren 9, 11, 11 und des Zweigwandlers 12 im rechten Zweig II ist so gewählt, daß die Resonanzfrequenz / bei oder nahezu bei den Mittenfrequenzen Iq* und f«« (80 kHz bzw. 84 IcIIz) der Durchlaßbänder liegt. Der Zweig.I überträgt also mechanische Schwingungsenergie der Frequenz oder nahezu der Frequenz f_Q1 besser als diejenige anderer Frequenzen, während der Zweig II mechanische Schwingungsenergie der Frequenz oder nahezu der Frequenz f₀₂besser als diejenige anderer Frequenzen überträgt.'Dadurch treten an den Zweigklemmenpaaren 14 und.15 in weit überwiegendem Maße elektrische Ausgangsschwingungen der Frequenzen oder nahezu der Frequenzen f«.. bzw. ±Q2 auf.

liun soll untersucht werden, warum die elektrischen Funktionsnotwendigkeiten von Filtern zur Trägerfrequenzaussiebung eine Bauweise, wie sie in Fig.1 gezeigt ist, erfördern. Die dar Erfindung zugrunde liegenden theoretischen und experimentellen Untersuchungen an vielen Versuchsmodellen der Art, wie sie in Fig.1 dargestellt ist, haben ergeben, daß die Kopplungskoeffizienten k. und k₁ ,' der Biegekoppler 3 und 8 für die Kopplung zwischen dem Hauptwandler und den beiden Zweigen zur Verwirklichung eines mechanischen Filters mit zwei Zweigen annähernd

zu 1.4 02 01 gewählt werden müssen; f_n ist die Mittenfrequenz •ρ ^υ

¹O

des Durchlaßbandes (cT.h.: k₁=k_{1 :}'=1.4x^g|^ =¹«4x^ ^1.4x1/20). Dieser V/ert steht offensichtlich in keiner Beziehung zur Forderung hinsichtlich der Breiten der .Durchlaßbänder. Die Kopplungs¹-koeffizienten kp und k« ' der Biegekoppler 5 und 10 zur Verbin-

909842/1096

BAD ORJGUNAL

* t

r t

dung von zwei "benachbarten Resonatoren .oder dem Zweigwandler und seinem benachbarten Resonator im linken und.rechten Zweig müssen zu annähernd W₁ZfQi bsw, W₃Zf₀₂ gewählt werden.. W₁ und W« sind die beiden Durchlaßbandbreiten;

^₁₀₁ = IQOHzZSQkHz= ^ und k₂«=W

Man erkennt, daß k₂ und kg', keine Besiehung zum Abstand ^fo2~^fO1 der'Durchlaßbänder haben. 33a die Verhältnisse der beiden Kopplungskoeffizienten 1 und *·1' hohe Werte wie 56 annehmen,

K₂ kg.¹

erweist sich die Verwendung solcher Biegekoppler in Überein- ^ Stimmung mit der wohlfundierten Theorie als außerordentlich

vorteilhaft; ausgenutzt ist der Umst^r ·>ά_$ daß sich die Kopplungs- ^:

koeffizienten mit der vierten Potenz des Durchmessers ändern. ! Die gewünschte elektrisch© Punktion, der besprochenen Bauweise kann mit anderes Worten dadurch verwirklicht werden, daß der

Durchmesser (oder oer äquivalente Durchmesser) der mit dem j

Hauptwandler verbundenen Biegekoppler annähernd auf das Drei- j fache des Durchmessers öer anderes Biegekoppler bemessen wird. " \

Man übersieht ohne weiteres äas Allgemeingültiges die Erhöhung ;

d.h. die Erhöhung der Differenz zwischen den Durchmessern der i

beiden Biegekopplerarten - wird um so bedeutsamer, je kleiner i_

die Bandbreiten und je größer die Abstände zwischen den Bändern, <™

wie es Filter zur Trägerfrequensaussiebung erfordern, der zi \

schaffenden Einrich uingen sein sollen. \

Soweit es nicht anders angegeben ist, bestehen alle Bauelemente der Einrichtung nach Fig.1 und auch derjenigen nach Pig.2 aus einer Eiseri-Nickel-Legierung. Es kann' aber auch jedes andere Ketall oder jede andere Legierung benutzt werden, wenn sie eine gute Temperaturkonstanz und eine hohe mechanische Güte aufweisen»

Da:ä Filter zur Trägeraussiebung gemäß der Bauform nach Pig.2 lot eine Einrichtung zur Bandaufteilung mit vier Zweigen, die ein 2ingang3frequenzbajid_Ainitjäer Mittenfreauenz von 86 kHz in

909T42/1096

6AOOBIGtNAL

1816Α80

- 8 Teilbänder von 80 kHz, 84 kHz, 88 kHz und 92 kHz aufspaltet.

Die zwei Resonatoren 4 und der Zweigwandler 7 jedes vom Haupt- · wandler ausgehenden Zweiges bilden eine leihe von Stangen · prismatischer Gestalt, deren Achsen in einer Ebene parallel zueinander liegen. Der Hauptwandler 1 und der Zweigwandler 7 haben die gleiche Stangengestalt wie die Resonatoren und bestehen aus einer Eisen-Nickel-Legierung. Auf einer der Oberflächen ist ein Streifen aus gepoltem ferroelektrischen Keramikstoff angebracht, dessen von der Oberfläche abgewandte Seite mit.· einer Silberelektrode belegt ist. Das Hauptklemmenpaar ist mit 16, die Zweigklemmenpaare sind mit 17» 18, 19 und 20 bezeichnet. .,

Die verwendeten Biegekoppler 3 und 5 haben verschiedene Durohmesser. Die Gründe hierfür sind dieselben, die im Zusammenhang mit der Bauform nach Pig.1 erläutert wurden.

Pur die Kopplungskoeffizienten der beiden Biegekopplerarten und die Abstände und Breiten der Durchlaßbänder gelten daher auch die gleichen Zahlenbeziehungen.

Bei der Bauform nach Pig.1 sind in den Zweigen drei und bei derjenigen nach Pig.2 zwei Resonatoren angeordnet. Wenn eine größere Prequenzselektivität der Einrichtung zur Bandaufteilung angestrebt wird, kann diese Zahl erhöht werden. Wie der Pachmann weiß, können die elektromechanischen Wandler der beiden Bauformen oder einige davon durch zahlreiche längsschwingende, magnetostriktive Wandler ersetzt werden. Auch können die Bauformen teilweise oder ganz aus gepoltem ferroelektrischen Keramikstoff bestehen, wenn Metallelektrodenpaare einbezogen werden.

Von der Ordnungszahl der Längsschwingungen,· die im Hauptwandler und in den Zweigwandlern der Einrichtungen nach den Pig.1 und auftreten, war nicht die Rede. Zunächst wurde angenommen, daß sie in ihrer Grundschwingung· erregt werden. Es ist aber klar, daß die gleiche Punktion unabhängig von der Ordnungszahl der in den drei Wandlern erzeugten Längs3chvmgungen erreicht werden kann.

909842/1096

BAD OFiIQtNAL

Die Erfindung wurde anhand von ^Ausf ührungsf ormen und Modifikatbnen davon erläutert. Dem Fachmanne sind im Rahmen der Erfindung aber auch zahlreiche andere Bauformen für mechanische Einrichtungen zur Bandaufteilung oder Bandbildung mit einer Vielzahl von Zweigen zugänglich.

909842/1096

Claims

- 10 - · Patentansprüche

1. Slektromechanische Einrichtung zur Aufteilung oder Bildung eines Frequenzbandes, gekennzeichnet durch einen stangenförmigen Hauptwandler (1) zur Umwandlung elektrischer Eingangssignale in mechanische Längsschwingungen, durch eine Anzahl an den Hauptwandler angekoppelter Zweige (I, II), die aus einer Reihe eines oder mehrerer in gleichen Abständen in einer Ebene untereinander und zur Achse des Hauptwandlers parallel angeordneter Längsschwingungsresonatoren (4, 6; S₁ 11) und eines stängenförmigen Zweigwandlers (7; 12) zur Rückwandlung der ausgesiebten Längsschwingungen in elektrische Schwingungen bestehen, durch Biegeschwingungskoppelglieder (3, 8) zur Verbindung des Hauptwandlers mit den ihm benachbarten Resonatoren (4, 9) in zu seiner Achse senkrechter Richtung und durch Biegeschwingungskoppelglieder (5, 10) mit geringeren Durchmessern, als die zuerst genannten Koppelglieder sie aufweisen, zur Verbindung benachbarter Resonatoren und des Zweigwandlers innerhalb der Zweige.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser und damit die Kopplungskoeffizienten der mit dem Hauptwandler verbundenen Biegeschwingungskoppelglieder (3, 8) nach Maßgabe der gewünschten Teilbandabstände und diejenigen der in den Zweigen befindlichen Biegeschwingungskoppelglieder (5, 10) nach Maßgabe der gewünschten Teilbandbreiten gewählt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der mit dem Hauptwandler verbundenen B'iegeschwingungskoppelglieder (3, 8) ein Mehrfaches der Durchmesser der in den Zweigen befindlichen Biegeschwingungskoppelglieder betragen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der mit dem Haupt-wandler verbundenen Biegeschwingungskoppelglieder (3, 8) das Dreifache der Durchmes-

"9 09842/1096

r Il tr

crt r

- 11 -

ser der in den Zweigen befindlichen Biegeschwingungskoppelglieder "betragen.

9098A2/1096

Leerseite