集总参数滤波器的设计

龙源期刊网 集总参数滤波器的设计作者：李艳莉来源：硅谷2012年第21期摘 要： 首先介绍集总参数滤波器的设计方法，设计一个集总参数带通滤波器，中心频率为200MHz，带宽20MHz，两个端口的特征阻抗为50，带内插入损耗210MHz处阻带衰减15dB，利用ADS软件进行仿真和优化。关键词： 集总参数；滤波器；ADS中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1110051-020 引言滤波器是是一种具有频率选择特性的无源器件，从各种不同频率的信号中，滤出有用信号，抑制掉无用或者有害的频率信号。在无线通信应用技术领域，无源滤波器作为一个重要器件，其指标往往直接影响整个通信系统的性能优劣。而且随着移动通信、雷达、微波毫米波通信、卫星通信、无线导航等民用、军事电子等各类通信系统的增加，使得电磁环境异常复杂，导致通信系统中的频率资源越来越稀缺，所以通信系统频率间隔也变得越来越密集。如何在日益稀缺的频率资源内，无失真地取出通信系统所在工作频率需要的信号，抑制其他无用或有害信号，为滤波器提出了更为严格的要求。随着微波技术和电子器件的发展，各种滤波器层出不穷，但是如何在满足技术指标的前提下尽可能做出体积小、成本低并易于量产的滤波器是工程应用的核心问题。为了满足上述要求，在百兆微波频段内，集总参数LC滤波器作为首选应用在电子和通信设备中1。1 集总参数滤波器的设计方法按照对频率成分的过滤特性，滤波器可以分为低通、带通、高通和带阻滤波器四种类型，其中低通滤波器是其他类型滤波器设计的基础，另外三种滤波器可以通过低通滤波器变换得到。由于不需要内在的推测关系，网络综合法已经取代了传统的镜像参数法，成为了集总参数LC滤波器的主要设计方法2。其主要的设计步骤为：1）根据技术指标确定所需原型低通滤波器（LPF）的元件个数；根据所需求的滤波特性来得到低通滤波器的结构类型，通过查表得到LPF的阶数N；2）由LPF的阶数N得出原型低通滤波器的电路结构，然后查表得到归一化低通滤波器电路中各LC器件的值；3）运用频率和元件变换关系反推出所需类型滤波器的电路结构及其各个元件参数值。微波通信电路中常用的是带通滤波器，因此本文以带通滤波器（BPF）为例研究集总参数LC滤波器的设计和优化，下面给出由归一化低通滤波器设计带通滤波器的具体步骤如图1所示：1）设计一个归一化LPF，该滤波器的截止频率和BPF带宽相同；2）按照LPF和BPF的基本单元，进行元件和电路变换。按照对应关系将LPF的四种基本构成单元变换成对应的BPF基本单元3-4；3）将设计得到的BPF电路模型建立ADS模型，仿真滤波器的性能曲线，如果指标不能达到要求需要返回第一步对滤波器进行优化，直至指标满足要求为止。2 带通滤波器的ADS仿真与性能优化在实际的制作滤波器的过程中，由于理想的滤波器的特性难以实现，因此设计中都是按照某个特定函數形式来设计的，各函数形式各有突出特点，主要反映在截止特性、通带内的衰减特性和相位特性等。其中切比雪夫型（又称等波纹滤波器）函数形式由于通带内有等波纹起伏，而且截止特性特别好，成了集总参数LC滤波器常用的电路类型。下面通过ADS软件仿真给出集总参数LC滤波器的设计和优化过程。2.1 滤波器指标设计一个三阶切比雪夫型带通滤波器，中心频率为200MHz，带宽20MHz，两个端口的特征阻抗为50。具体指标为：带内插入损耗带内波纹在f210MHz处阻带衰减15dB。2.2 ADS仿真首先要依据归一化的低通滤波器设计出一个通带宽度等于待设计带通滤波器带宽、特征阻抗等于待设计带通滤波器特征阻抗的低通滤波器，由于待设计带通滤波器的带宽是20MHz，特征阻抗是50，所以这里所要设计的低通滤波器的截止频率应为20MHz，特征阻抗是50。带通滤波器基本电路单元中各元件的值可由经验公式计算出来5，得到所如图2的三阶切比雪夫型T形归一化低通滤波器ADS仿真模型。三阶切比雪夫带通滤波器采用标称值电感电容在ADS软件中的仿真结果如图3所示：从图3中的S21仿真曲线可以看出，设计的三阶切比雪夫滤波器在中心频率200MHz插入损耗较小，达到指标要求，但是整个设计通带内，插入损耗较大，在f220MHz处阻带衰减分别为20.797dB和17.847dB，都大于15dB，且带内波纹2.3 三阶切比雪夫型带通滤波器的优化仿真优化能改善射频系统的性能，必须首要改进其各个功能部件的性能指标。软件仿真是提高工作效率的一条捷径，利用ADS对此电路进行优化，主要对反应通带和阻带的插入损耗和带内波纹的S21进行优化。其优化仿真结果如图4。通过图4优化仿真的结果可以看出，该滤波器优化后得到在截止频率190MHz和210MHz处的插损都分别为0.505dB和0.520dB，和设计要求的0.5dB相差不大，基本符合设计要求，通带内波纹起伏也很小，控制在3dB以内，其整体设计结果基本都满足指标要求。3 结束语总结了由归一化低通滤波器设计带通滤波器的方法。利用ADS仿真软件对滤波器进行设计、仿真、优化，并最终达到设计指标。参考文献：1薛培鼎（译），LC滤波器设计与制作，北京：科学出版社，2005.2周兰飞、王璟、张玲，一种高频带通LC滤波器的设计方法J.电讯