DE687871C - Elektromechanische Impedanz fuer Wellenfilter - Google Patents

Description

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AUSGEGEBEN AM
7. FEBRUAR 1940

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21g GRUPPE 34

155741 VIII cjsig

Patentiert im Deutschen Reiche vom 14. August 1936 ab
Patenterteilung bekanntgemacht am 18. Januar 1940

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung richtet sich auf elektromechanische Impedanzen für Wellenfilter. Bei derartigen Anordnungen ist ein mechanisch schwingendes Element mit einem Stromkreis gekoppelt, in dem es infolge dieser Kopplung eine Gegenwirkung hervorruft.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, nicht nur eine höhere Leistung und eine günstigere Frequenzcharakteristik eines bei relativhohen Frequenzen, wie z. B. bei Trägerfrequenztelephonie, betriebenen mechanischen Schwingungselementes zu erreichen, sondern auch den Aufbau des Schwingungselementes, das verhältnismäßig komplizierte Resonanzeigenschaften hat, zu verbessern und zu vereinfachen.

Es sind bereits elektromechanische Schwingungselemente bekanntgeworden, die aus einem in der Längsrichtung um seinen Mittelabschnitt symmetrisch angeordneten und abgestützten Stab mit gleichförmigem Querschnitt aus elastischem Material bestehen und. eine bestimmte Resonanzeigenschaft haben.

Gemäß der Erfindung werden jedoch Schwingungselemente benutzt, die aus einem elastischen Stab mit mehreren verschiedenen Abschnitten bestehen, deren Länge und Querschnitt so bemessen sind, daß eine Anzahl mechanischer Resonanzen entsteht, welche bei in einem nichtharmonischen Verhältnis zueinander stehenden Frequenzen liegen.

Die den mechanisch schwingenden Teil der elektromechanischen Impedanz bildenden mechanischen Übertragungsleitungen werden derart zusammengeschaltet, daß die an den Verbindungsstellen auftretende Wellenreflexion eine zusätzliche Resonanz bei bestimmten Frequenzen hervorruft. Durch die Verwendung eines insbesondere für die Übertragung von entweder auf Kompression oder Torsion beruhenden mechanischen longitudinalen Wellen geeigneten Aufbaues können einfache und weniger genaue Schwingungsanordnungen auch für die in der Trägertele- phonie verwendeten Frequenzen nutzbar gemacht werden. Verwendet man Materialien mit außerordentlich geringem Verlustfaktor, wie z. B. in bekannter Weise Messing¹, Aluminium oder Glas, so wird der Wirkungsgrad der Anordnung wesentlich verbessert.

Im nachstehenden ist ein erfmdungsgemäßes Ausführungsbeispiel an Hand der beiliegenden Abbildungen näher beschrieben.

Die Abb. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer elektromechani-

sehen Impedanz teilweise im Schnitt. Die Abb. 2 ist ein Schaltschema, in dem die Verwendung von zwei Impedanzelementen, wie in der Abb. ι dargestellt, in einem Krcuz-S gliedwellenfilter gezeigt ist. Die Abb. 3 ist eine Reaktanzcharakteristik, die an Hand der Beschreibung näher erläutert ist. Die Abb. 4 ist eine graphische Darstellung der Reaktanzcharakteristik der Zweige des Kreuzgliednetzwerkes in Abb. 2, während die Abb. 5 eine typische Däinpfungscharakteristik, wie diese mit Hilfe des Filters in Abb. 2 erreicht werden kann, darstellt.

Die Abb. 1 zeigt ein elektromechanisches Impedanzelement, in dem das mechanisch schwingende Element 11 aus einem Mittelabschnitt 12 und zwei symmetrischen Außenteilen besteht, deren Querschnitt sich von dem Querschnitt des Mittelabschnittes unterscheidet. Die Querschnitte dieses Schwingungselementes können kreisförmig sein oder eine andere geeignete Form aufweisen, während die Querschnitte und die Länge der Abschnitte so bemessen sind, daß die erwünschte Resonanzcharakteristik erzeugt wird. Der Schwingungskörper besteht vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Material mit niedriger Verlustkonstante, wie beispielsweise Messing, Aluminium oder Glas. Der Schwingungskörper ist symmetrisch um die mittlere Ebene, die durch die Linie 14-14 dargestellt ist, angeordnet, wobei die Knotenlinie mit der Symmetrieebene zusammenfällt, wenn dieser Körper schwingt. Um ein unbeschränktes Schwingen zu ermöglichen, wird der Schwingungskörper vorzugsweise an der Knotenlinie oder in deren unmittelbaren Nähe getragen. Dies kann, wie in der Abbildung dargestellt ist, mittels eines Flansches 15 geschehen, der in eins mit dem Mittelabschnitt 12 des Schwingungskörpers gearbeitet ist. Dieser Flansch kann zwischen den zwei Teilen 16 und 17 des Gehäuses festgeklemmt oder sonstwie befestigt werden. Der Schwingungskörper wird durch zwei ähnliche elektromagnetische Antriebsvorrichtungen, die an seinen beiden Enden angeordnet sind, in Schwingung gesetzt. Jede dieser Antriebsvorrichtungen besteht aus einem an beiden Enden des Schwingungskörpers angebfachten magnetischen Anker 18, einem Dauermagneten 19, zwei Polschuhen 20 und 21 und einer Erregerspule 22. Die beiden Antriebsvorrichtungen sind von einem Gehäuse, 41 umschlossen. Die Zuführungsleitungen für die Spulen führen durch Isolierbuchsen 47. Wenn Schwingungsströme, deren Betrag gleich, deren Phasen jedoch entgegengesetzt sind,den Klemmen 23, 24, 25 und 26 der beiden Spulen zugeführt werden, so werden mechanische Kräfte gleichen Betrages, jedoch mit entgegengesetzten Phasen, den entgegengesetzten Enden des Schwingungsclementes zugeführt, so daß auf Kompression beruhende mechanische Longitudinalwellen in diesen erzeugt werden.

In Abb. 2 ist ein Schaltungsschema gezeigt, in dem zwei elektromechanische Impedanzen 27 und 28 der oben beschriebenen Ausführung zwischen zwei Eingangsklemmen 29 und 30 und zwei Ausgangsklemmen 31 und 32 angeordnet sind, um Kreuzgliedbandfilter zu bilden. Die Impedanz 27 ist mit den Klemmen 33, 34, 35 und 36 und die Impedanz 28 mit den Klemmen 37, 38, 39 und 40 versehen, die den Klemmen 23, 24, 25 und 26 in der Abb. ι entsprechen. Beide Impedanzen sind der Deutlichkeit halber von einer strichpunktierten Linie umrandet. Die Klemmen 33 und 35 der Impedanz 27 liegen zwischen den beiden Klemmen 29 und 31, und die Klemmen 34 und 36 sind zwischen den Klemmen 30 und 32 angebracht und bilden die zwei Leitungsimpedanzzweige des Kreuzgliednetzwerkes. In ähnlicher Weise sind die Klemmen 40 und 38 der Impedanz 2S zwischen den Klemmen 29 und 32 und die Klemmen 37 und 39 zwischen den Klemmen 31 und 3.0 angeordnet und bilden die Diagonalzweige des Kreuzgliednetzwerkes. Auf diese Weise bildet eine einzige elektromechanische Impedanz zwei Impedanzzweige. Zwei gleiche Kapazitäten C₁, C₁ können in Reihe mit den Klemmen 35 und 36 und zwei ähnliche Kapazitäten C₂, C₂ können in Reihe mit den Klemmen .37 und 38 verbunden werden, um die Übertragungscharakteristik des Filters, wie nachstehend beschrieben, zu verbessern.

Die Art des mit dem elektromechanischen Impedanzelement erreichbaren Wellenwider- ioo Standes soll im nachstehenden näher erläutert werden. Die mechanische Eingangsimpedanz Z eines Stabes mit nicht gleichförmigem Querschnitt, wie beispielsweise der Schwingungskörper 11, ist, wenn die antreibenden Kräfte an den beiden Enden gegenphasig sind, die gleiche wie die eines Stabes, dessen Länge der Länge eines der Endabschnitte 13 entspricht, und eines anderen Stabes, dessen Länge die halbe Länge des Mittelabschnittes tio 12 beträgt, wobei die beiden Stäbe hintereinander angeordnet sind und der letzte an dem entfernten Ende befestigt ist. Diese Impedanz kann wie folgt ausgedrückt werden:

K₁ ist der Wcllenwiderstandj und P₁ ist die Übertragungskonstante für den einen Endabschnitt. 13, während Z_r die Endimpedanz 12a des Endabschnittes ist. Da der Endabschnitt und der Mittelabschnitt hintereinander an-

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geordnet sind und letzterer an seinem entfernten Ende wirksam offen ist, so ergibt sich die Impedanz Z_r aus der folgenden Gleichung:

"^Γ~ th P₂ ' ^

in der K₂ der Wellenwiderstand und P₂ die Übertragungskonstante einer Hälfte des Mittelabschnittes 12 sind. Wird in der Gleichung (1) der Betrag von Z_r aus der Gleichung (2) eingesetzt, so ist

- ι
1 "Γ

th P₂

Wird nunmehr sowohl der Zähler wie der Nenner durch th P₁ dividiert, so entsteht die folgende Gleichung:

K₁K₂. "th P₁ th P₂

κ.

K,

(4)

thl\

thP„

Man kann die Impedanz Z so betrachten, als wenn sie aus zwei in Reihe miteinander verbundenen Impedanzen Z₁ + Z₂, die den zwei Ausdrücken auf der rechten Seite der Gleichung (4) entsprechen, bestehen würde. Die erste dieser beiden Impedanzen, die dem ersten Ausdruck entspricht, ist:

Z₁ =

K₁ K,

th P₁ ' th P₂

Ä-,

K₉

(5)

thP,

th P,

und entspricht der Impedanz zweier offener gleichmäßiger Übertragungsleitungen, die parallel miteinander verbunden sind. Wenn die Verluste vernachlässigt werden, so ist eine solche Übertragungsleitung in Resonanz bei einer Frequenz f und bei jedem ungeraden Vielfach dieser Frequenz und antiresonant bei der Frequenz Null und bei jedem geraden Vielfach der Frequenz f_v Wenn die beiden parallelen Leitungen die gleichen Übertragungskonstanten haben, d. h. wenn P₁ = P₂ ist, so fallen die kritischen Frequenzen der einen mit denen der anderen zusammen, und die zusammengesetzte Impedanz verhält.sich wie die Impedanz einer einzigen Leitung. Eine solche Impedanzcharakteristik zeigt die gestrichelte Kurve 42 in Abb. 3 für den Frequenzbereich zwischen Null und 3/.

Die Impedanz Z₂, die dem zweiten Ausdruck entspricht, ist

χ -_ _ΐ

"/AP₁" ⁺ lh K₁ Werden sowohl Zähler wie Nenner mit

-^i- th P₁ th P₂

multipliziert, so ergibt sich, daß

3= HrT5 · (7)

K₁MP₁ +

Dieser Ausdruck entspricht der Parallelimpedanz zweier kurzgeschlossener Leitungen, von denen die eine die Parameter K₁ und P₁ und die andere die Parameter /C₂ und P₂ hat, wobei letztere als durch einen Idealtransformator mit dem übersetzungsverhältnis K₁ : K₂ betrachtet sei. Eine gleichmäßige, an ihrem entfernten Ende kurzgeschlossene Übertragungsleitung besitzt Antiresonanz bei der Frequenz Null und bei geraden Vielfachen der Frequenz /. Wenn die Übertragungskonstanten zweier solcher Leitungen gleich sind, so entspricht die Reaktanzcharakteristik ihrer Parallelimpedanz der gestrichelten Kurve 43 in Abb. 3.

Die mechanische Impedanz Z des Schwingungselementes 11, die, wie bereits im vorhergehenden beschrieben, als aus den zwei Reihenimpedanzen bestehend betrachtet werden kann, ist somit die algebraische Summe der beiden Kurven 42 und 43, verläuft wie durch die voll ausgezogene Kurve 44 der Abb. 3 dargestellt und besitzt Antiresonanz bei den Frequenzen Null, /, 2_f und 2>f ^und Resonanz bei den Frequenzen f_ls f₂ und /₃.

Der Anker 18, der als ein punktförmiger Körper zu betrachten ist, verändert nicht die Lage der Antiresonanzen, bewirkt jedoch, daß jede Resonanz bei etwas niedrigerer Frequenz auftritt. Das den Anker umgebende magnetische Feld wirkt als negative Versteifung, die jede Resonanzfrequenz weiter herabsetzt. Die elektrische Impedanz der Vorrichtung wird an diesem Punkt genau entgegengesetzt der oben beschriebenen mechanischen Impedanz sein, d. h. die Reso-*" nanz tritt an den Punkten der Antiresonanz und umgekehrt auf. Die gedämpfte Induktivität der Erregerspulen 22 drückt jede Resonanz auf eine niedrigere Frequenz herunter, 120. aber eine Verschiebung der Antiresonanzen tritt nicht ein. Die Hinzufügung der Kapa-

zitäten C₁ oder C₂ verlegt jede Resonanz zu einer höhereu Frequenz und bewirkt das Auftreten einer Antiresonanz bei der Frequenz Null. Die somit entstandene elektrische Impedanz der gesamten Vorrichtung verläuft, wie die voll ausgezogene Kurve 45 in Abb. 4 zeigt. Sie besitzt eine Antiresonanz bei der Frequenz Null, eine zweite bei /₅ etwas unter / und eine dritte bei f₇ etwa über f, ίο zwei Resonanzen /₄ und f₆, die unter / fallen, und eine dritte Resonanz ^₃ zwischen / und 2_f. Die nächste nicht dargestellte Resonanz fällt bei einer Frequenz, die zumindest so hoch ist wie 3_f5.

¹S Die Kurve 45 kann beispielsweise die Impedanz des Elementes 27 in Abb. 2 mit der Kapazität C₁ darstellen. Eine zweite elektromechanische Impedanz wie die mit 28 in Abb. 2 bezeichnete .und die ihr zugeordnete ίο Kapazität C₂ können so bemessen sein, daß sie bei den Frequenzen f₅, /₇ und /₉ Resonanz und bei. den Frequenzen f_e und /₈ Antiresonanz besitzen, wie durch die gestrichelte Kurve 46 in Abb. 4 dargestellt. Zwei solche Impedanzen können, wie bereits an Hand der Abb. 2 beschrieben, so angeordnet werden, daß sie ein Kreuzgliedbandfilter bilden. Das Übertragungsband wird dann zwischen den Frequenzen /₄ und /₉ liegen, wo die beiden Reaktanzen entgegengesetzte Vorzeichen haben. Die Spitzen der Dämpfung treten bei den Frequenzen f₁₀ und f_n auf, wo die beiden Kurven sich schneiden. Die Übertragungscharakteristik ist in Abb. S schematisch dargestellt. Andere Dämpfungsspitzen, die nicht gezeigt sind, können entweder oberhalb oder unterhalb des Übertragungsbandes liegen.

Die Verwendung von Schwingungselementen mit nicht gleichmäßigem Querschnitt ermöglicht die Herstellung von Wellenfiltern, die das Auftreten zusätzlicher Resonanzen und Antiresonanzen innerhalb des übertragungsbandes gestatten. Die hinzugefügten kritischen Frequenzen können zur Verbreiterung des Übertragungsbandes und zur Hinzufügung von zusätzlichen Dämpfungsspitzen in dem Dämpfungsbereich dienen. Auch die Verwendung eines Materials mit sehr niedrigem Verlustfaktor verringert Verluste und Verzerrungen in dem Übertragungsband und steigert die Höhe der Dämpfungsspitzen.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Elektromechanische Impedanz für Wellenfilter, bestehend aus einem in der Längsrichtung um seinen Mittelabschnitt symmetrisch, angeordneten und abgestützten Stab aus elastischem Material, welcher zwischen elektromechanischen Antriebsorganen an seinen beiden Enden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Stab mehrere verschiedene Abschnitte besitzt, deren Länge und Querschnitte so bemessen sind, daß eine Anzahl mechanischer Resonanzen entsteht, welche bei in einem nichtharmoni-, sehen Verhältnis zueinander stehenden Frequenzen liegen.
2. 2. Elektromechanische Impedanz nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß 7» die verschiedenen Abschnitte des Stabes gleiche Querschnittsform und gleiche Länge, jedoch verschiedene Querschnittsabmessungen haben.
3. 3. Elektromechanische Impedanz nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Kreuzgliedfilter, bei dem eine einzige elektromechanische Impedanz ein Impedanzpaar in den Leitungs- oder den Diagonalzweigen des Kreuzgliedfilters bildet.
4. 4. Elektromechanische Impedanz nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Kreuzgliedfilter, bei dem eine elektromechanische Impedanz ein Impedanzpaar in den Leitungszweigen und eine ähnliche Impedanz ein Impedanzpaar in den Diagonalzweigen des Kreuzgliedfilters bildet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen