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Filteranordnung für elektrische Wellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Filteranordnung für elektrische Wellen unter Verwendung von mechanischen Resonatoren und auf eine elektrostriktive Kopplungsanordnung für eine derartige Filtern- ordnung.
Filteranordnungen unter Verwendung von mechanischen Resonatoren zeichnen sich durch eine hohe elektrische Güte und damit verbunden durch eine grosse Flankensteilheit an den Grenzen des Durchlass- bereiches bzw. Sperrbereiches aus. Die bisher bekannten Filter, in denen mechanische Resonatoren ver- wendet werden, arbeiten meist mit Torsionsschwingern oder Längsschwingern. Torsionsschwinger sind vor allem für Frequenzen in der Grössenordnung von 100 kHz und darüber geeignet. Längsschwinger werden im Bereich niedrigerer Frequenzen, also beispielsweise unter 50 ktiz, geometrisch sehr gross. Für derartige niedrige Frequenzen wurde auch bereits versucht, ein mechanisches Filter unter Verwendung von Stimmgabeln aufzubauen, jedoch hat auch dieses Filter relativ grosse Abmessungen.
Die Kopplungsanordnungen derartiger Filter sind meist auf magnetostriktiver Basis ausgebildet, d. h. sie erfordern eine Anregungsspule, einen Permanentmagneten und eventuell einen genau justierten Luftspalt zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten. Es ist bereits ein elektromechanisches Filter bekannt, bei dem mehrere nebeneinanderliegend angeordnete Biegungsschwinger über in den Knoten der Biegungsschwingungen vorgesehene Kopplungsstäbe zu einem Filter verbunden sind, wobei an Stelle der elektromagnetischen bzw. magnetostriktiven Kopplung am Filtereingang und Filterausgang je ein sogenannter"Bimorph"vorgesehen ist.
Unter einem"Bimorph"wird bekanntlich eine Anordnung aus zwei Plättchen aus elektrostriktivem Material verstanden, die mit den Flächen aufeinanderliegend unter Einschluss einer dünnen Metallzwischenlage zu einer mechanisch kompakten Einheit zusammengefasst sind. Auf den beiden Aussenflächen dieses"Bimorph"ist ebenfalls je eine Metallisierung vorgesehen. Diese beiden Aussenmetallisierungen werden gegenphasig, gegenüber der Metallzwischenlage mit der Wechselspannung gespeist, wodurch sich im Takte der Wechselspannung der"Bimorph"nach der einen und nach der andern Seite krümmt. Hieran ist aber einmal die Kompliziertheit der Ausbildung der Kopplung zwischen den Resonatoren, als auch die nicht ganz zufriedenstellende Güte der am Eingang und am Ausgang des Filters liegenden Resonatoren störend.
Letzteres beruht offenbar auf der Verwendung der"Bimorphs".
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Filter unter Verwendung von mechanischen Resonatoren, vor allem im Bereich sehr niedriger Frequenzen mit kleinen geometrischen Abmessungen, zu verwirklichen unter Vermeidung der vorstehenden Schwierigkeiten.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Filteranordnung für elektrische Wellen unter Verwendung von mechanischen, als Biegeschwinger ausgebildeten Resonatoren, die über im Bereich der Schwingungsknoten angeordnete. Torsionskräfte übertragende, klein gegenüber einem Viertel der Wellenlänge im Material gewählte Kopplungsglieder zu einer mechanisch starren Einheit verbunden sind, gemäss der Erfindung in der Weise gelöst, dass auf den einzelnen Biegungsschwingern ein für alle gemeinsamer, zugleich die Kopplungsstücke bildender Drahtstarr befestigt ist, der vorzugsweise zugleich als Halterung des Filters dient.
Wie Untersuchungen zeigten, lässt sich durch einen etwas ausserhalb des Schwingungsknotens, jedoch in der Knotenebene an den Resonatoren befestigten Draht eine mechanische Kopplung hoher Güte zwischen den einzelnen Resonatoren erreichen. Diese Kopplungsart ist herstellungstechnisch wesentlich einfacher
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als die bei der bekannten Ausführung. Für die bekannte Ausführung ist es nämlich erforderlich, viele exakt herzustellende einzelne Kopplungsabschnitte zwischen die einzelnen Resonatoren in ganz definierter
Weise einzufügen, wenn nicht das ganze Filter aus Vollmaterial hergestellt werden soll. Gegenüber der bekannten Art der Kopplung der einzelnen Resonatoren besteht weiterhin noch der Vorteil, dass der für alle Resonatoren gemeinsame Kopplungsdraht zugleich für dieHalterung des gesamten Filters Verwendung finden kann.
In Weiterbildung der Erfindung sollen die Biegungsschwinger und bzw. oder die Kopplungsstücke aus
Metall, insbesondere aus einer einen geringen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Stahllegierung, bestehen. In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung können auch mehrere derartige Drähte als
Kopplungsstücke vorgesehen werden.
Die Anregung der Endresonatoren könnte an sich mittels sogenann- ter"Bimorphs"geschehen. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn auf dem Resonator, vorzugweise im Bereich eines Schwingungsbauches, ein Streifen oder Plättchen auselektrostriktivem Material befestigt ist, dessen dem Resonator abgewandte Fläche mit einer Anregungselektrode versehen ist, die das elektrostriktive Material zu einem Querkontraktionsbewegungen in Richtung der Achse des Resonators ausführenden piezoelektrischen Kopplungssystem ergänzt.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Fig. 2 zeigt zwei Biegungsschwinger l, 2, die vorzugsweise aus einer möglichst geringe Ausdehnung in Abhängigkeit von der Temperatur aufweisenden Stahllegierung bestehen in einer bekannten Ausführung der Zwischenkopplung. Für diese Biegungsschwinger ist der in Fig. 1 angedeutete Schwingungzustand angenommen, wobei Fig. 2 lediglich die Auslenkung nach der einen Seite wiedergibt. Im Bereich der Schwingungsknoten A und B sind die in Fig. 1 gezeigten Biegungsschwinger 1 und 2 über KopFelstücke 3,4 zu einer starren Einheit verbunden. Die Koppelstücke 3,4 bestehen aus runden Stäben, vorzugsweise aus Metall, die in die Biegungsschwinger l, 2 eingesetzt und eingelötet oder auf die Biegeschwinger nur aufgelötet oder aufgepunktet sein können.
Infolge der Anordnung der Kopplungsstücke 3, 4 im Bereich der Schwingungsknoten A und B werden durch diese Kopplungsstücke nur Torsionskräfte zwischen den Biegungsschwingem 1 und 2 übertragen. Je kürzer die Länge 1 der Kopplungsstücke 3, 4 gewählt wird, umso fester lässt sich die Kopplung aufeinanderfolgender Resonatoren gestalten. Für die Kopplung ist ausser den Materialeigenschaften der Kopplungsstäbe nocn. deren Durchmesser d massgebend.
In Fig. 3 ist in Gegenüberstellung ein elektromechanisches Filter nach der Lehre der Erfindung wiedergegeben, welches aus vier Biegungsschwingem 5 besteht, auf denen im Bereich der Schwingungsknoten (A, B. Fig. l) je ein Drahtbügel 6,7 durch Lötung oder Punktschweissung starr befestigt ist. Auf den beiden äusseren Resonatoren ist jeweils im Bereich des Schwingungsbauches ein Plättchen aus elektrostriktivemMaterial, vorzugsweise aus einer elektrostriktiven Keramik, wie Bariumtitanat, befestigt, vorzugweise aufgelötet, das auf der dem jeweiligen Resonator abgewendeten Seite mit einem Metallbelag überzogen und einem entsprechenden Anschluss 8,9 versehen ist.
Durch Querkontraktion in Längsrichtung der einzelnen Biegungsschwinger regt dieses elektrostriktive Ankopplungssystem den jeweils als Eingang benutzten Biegungsschwinger an und der als Ausgang benutzte Biegungsschwinger gibt mechanische Energie in analoger Weise an das entsprechende Kopplungsorgan ab, zwischen dessen Anschluss 9 und der Metallmasse des Resonators die elektrische Ausgangsspannung zur Verfügung steht. Die Drahtbügel 6,7 dienen bei diesem Filter zugleich als Halterung für das gesamte Filtersystem und sind zu diesem Zweck an den Enden abgewinkelt.
Die abgewinkelten Teile sind beispielsweise auf der Grundplatte des Filters oder in einem nicht näher dargestellten Schutzgehäuse befestigt.
Zu der Einkopplung und der Auskopplung des Filters sind nähere Angaben den Fig. 4, 5 und 6 zu entnehmen. Diese Einkopplung bzw. Auskopplung kann mit Vorteil auch bei den bekannten Filtern mit Bie- geschwingern - vgl. z. B. Fig. 2 - angewendet werden. Die Fig. 4 zeigt einen beispielsweise aus einer Stahllegierung mit geringem Temperaturkoeffizienten bestehenden mechanischen Biegeschwinger 11, dessen Längsachse mit 21 bezeichnet strichpunktiert eingetragen ist. Im Bereich des Schwingungsbauches (gestrichelte Linie 31) dieses Biegungsschwingers ist ein Plättchen 41 aus elektrostriktiver Keramik auf dem Biegungsschwinger 11 aufgelötet. Als elektrostriktive Keramik empfiehlt sich vorzugsweise Barium- titanat.
Dieses Keramikplättchen 41 ist auf der dem Biegungsschwinger 11 abgewandten Fläche mit einem Metallbelag 51 versehen, der als Anregungselektrode dient. Dieser Metallbelag, der vorzugsweise aus Gold besteht, kann in bekannter Weise aufgedampft oder aufgebrannt sein. An den Metallbelag 51 ist ein hochelastischer, extrem dünner und somit eine geringe Masse aufweisender Anschlussdraht 61, beispielsweise durch Lötung, angeschlossen. Ein weiterer Anschlussdraht 71 ist vorzugsweise im Schwingungsknoten des Biegungsschwingers aus Metall leitend befestigt.
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Wird den Anschlussdrähten 61,71 eine Wechselspannung mit einer im Bereich der Resonanz des Bie- gungsschwingers 11 gelegenen Frequenz zugeführt, so führt der Resonator die in Fig. 5 schematisch ange- deuteten Biegeschwingungen durch. In Fig. 5 ist hiezu nur die Auslenkung nach einer Seite zusätzlich mit eingetragen. Die elektrostriktive Keramik erfährt eine Ausdehnung und Zusammenziehung in Richtung der Achse 21 des Biegungsschwingers, u. zw. durch die sogenannte Querkontraktion, da die Hauptausdeh- nung in Richtung des elektrischen Feldes, welches senkrecht zur Stabachse steht, erfolgt. Die Güte des durch die Keramik gebildeten Kondensators ist sehr gross und da die Masse der Keramik im Vergleich zu der des Resonators gering ist, ist somit auch die Güte des gesamten Schwingers sehr gross.
Vorteilhaft bei der dargestellten Anordnung ist ausserdem, dass die elektrostriktive Keramik auf dem Biegeschwinger dort befestigt ist, wo bei der Schwingung die maximale Zugbeanspruchung der Oberflächenfaser des Biegungs- schwingers entsteht ; dadurch wird ein relativ grosser elektromechanischer Kopplungsfaktor erreicht.
Das elektrostriktive Material kann auch so, wie in Fig. 6 gezeigt, an gegenüberliegenden Flächen des Biegungsschwingers befestigt werden. In diesem Fall ist es erforderlich, die durch das elektrostriktive
Material 41, 41'im Zusammenwirken mit den Anregungselektroden 61,61'und 71 gebildeten Konden- satoren gegenphasig mit der Wechselspannung zu speisen, oder entgegengesetzt zu polarisieren.
In Fig. 7 ist noch das aus einem Biegeschwinger bestehende elektromechanische Filter nach Fig. 3 mit der erfindungsgemässen Kopplungsanordnung dargestellt. Das Filter besteht aus einer Stahlplatte, deren Le- gierung derart gewählt ist, dass sie einen möglichst kleinen Temperaturkoeffizienten hinsichtlich der Aus- dehnung hat. Die Platte ist durch Aussparungen derart unterteilt, dass beispielsweise vier Biegungsschwin- ger 81,91, 101,111, entstehen, die über die Kopplung aufeinanderfolgender Resonatoren bewirkende
Brücken 121, 121'miteinander zu einer starren Einheit verbunden sind.
Auf den Endresonatoren ist ent- sprechend dem Vorausgehenden elektrostriktives Material 131 vorgesehen, das mittels Anregungselektro- den, an denen Zuführungen 141 und 151 befestigt sind und zusammen mit den Endresonatoren elektro- striktive Kopplungsanordnungen bildet. Die Halterung des Filters erfolgt zweckmässig im Schwingungs- knoten, das ist bei Zugrundelegung einer Schwingungsform entsprechend der in Fig. 5 gezeigten, an den
Stellen, die mit K bezeichnet sind. Dort sind beim Ausführungsbeispiel die Halterungsdrähte aufgelötet oder mittels Punktschweissung befestigt, die das gesamte System tragen und ihrerseits beispielsweise in einem Gehäuse verankert sind, welches das Filter umschliesst und gegen Zerstörung und bzw. oder Verschmutzung sichert.
Der elektrische Eingang wird beispielsweise durch die Zuführung 141 und die Metall- masse des Resonators 81 (die über 161,171 elektrisch leitend erreichbar ist) gebildet. Der Ausgang des Filters besteht aus der Zuführung 151 und entsprechend dem Eingang aus der Metallmasse des Resonators 111.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Filteranordnung für elektrische Wellen unter Verwendung von mechanischen, als Biegeschwinger ausgebildeten Resonatoren, die über im Bereich der Schwingungsknoten angeordnete, Torsionskräfte übertragende, klein gegenüber einem Viertel der Wellenlänge im Material gewählte Kopplwigsglieder zu einer mechanisch starren Einheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf den einzelnen Biegungsschwingern ein für alle gemeinsamer, zugleich die Kopplungsstücke bildender Draht starr befestigt ist, der vorzugsweise zugleich als Halterung des Filters dient.