級(jí)聯(lián)法實(shí)現(xiàn)寬帶LC帶通濾波器設(shè)計(jì)

趙 蘭,劉 偉

(上海師范大學(xué)天華學(xué)院,上海201815)

0 引言

濾波器是通信工程中常用的重要器件,它對(duì)信號(hào)具有頻率選擇性,在通信系統(tǒng)中通過(guò)或阻斷、分開(kāi)或合成某些頻率的信號(hào),被廣泛地應(yīng)用于各種電信設(shè)備和控制系統(tǒng)中[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的迅速發(fā)展,各國(guó)越來(lái)越重視濾波器的性能及應(yīng)用范圍的提高,并致力于將其應(yīng)用到更多產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研制。濾波器已經(jīng)成為所有電子部件中使用最廣、技術(shù)最復(fù)雜的器件之一。寬頻帶、小型化、低功耗器件一直以來(lái)是微波射頻電路的研究熱點(diǎn),帶通濾波器中如果上截止頻率對(duì)下截止頻率的比超過(guò)2(一個(gè)倍頻程),則為寬帶型帶通濾波器[2]。濾波器寬帶化的研究主要集中在LC帶通濾波器和微帶帶通濾波器寬帶化兩方面。將高通濾波器、低通濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)濾波器的寬帶化設(shè)計(jì),用這種方法構(gòu)成的帶通濾波器帶寬較寬,且頻帶截止頻率容易調(diào)整。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻段在100～400 MHz的LC寬帶帶通濾波器實(shí)例。

1 濾波器理論設(shè)計(jì)方法

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上,現(xiàn)今濾波器的設(shè)計(jì)方法更為多樣化。文獻(xiàn)[3]中就將寬帶帶通濾波器和寬帶帶阻濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成超寬帶帶通濾波器。受此種方法啟發(fā),寬帶帶通濾波器也可通過(guò)級(jí)聯(lián)一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器得到。當(dāng)通過(guò)的信號(hào)頻率正好落于頻帶內(nèi),則從低通濾波器或高通濾波器的輸人端看去的阻抗接近于在另一端的端接電阻。因此這些濾波器即使級(jí)聯(lián),它們?nèi)阅軌虮３指髯缘念l率響應(yīng)不變。所設(shè)計(jì)的寬帶帶通濾波器即采用這種方法,因而帶通濾波器的設(shè)計(jì)中必定包含著高通、低通濾波器的設(shè)計(jì)。

高通濾波器設(shè)計(jì)電路圖如圖1(a)所示。為了得到較陡的濾波器邊沿,采用兩級(jí)LC高通濾波器級(jí)聯(lián)的方式,并推導(dǎo)出圖1(a)中各元件的元件值。設(shè)高通濾波器的下限截止頻率為fc,濾波器的終端匹配負(fù)載為R,則截止頻率與各元件值的關(guān)系如下。

圖1 高通、低通濾波器基本電路

由式(1)可以得到圖1(a)中元件值與高通濾波器截止頻率之間的關(guān)系,如式(2),因此只要知道高通濾波器的截止頻率就可以設(shè)計(jì)出合適的電路。當(dāng)然符合該截止頻率的濾波器元件值并不唯一。

由圖1(a)設(shè)計(jì)得到的2階高通濾波器相比一階高通來(lái)說(shuō),其邊沿陡峭度有所改善,但為了進(jìn)一步改善濾波器的矩形系數(shù),使其具有更好的帶外抑制特性,本文在該高通濾波器帶外將設(shè)計(jì)一個(gè)陷波點(diǎn),假設(shè)這一陷波點(diǎn)的頻率為fr。帶有陷波點(diǎn)的高通濾波器電路設(shè)計(jì)如圖2左邊虛框中的電路所示。

加入陷波點(diǎn)之后,圖2中高通部分的各元件值與截止頻率、陷波頻率的關(guān)系如下。

由式(4)可知,若令L1=LP,則由此得到圖2高通部分所有元件的元件值計(jì)算公式如下:

低通濾波器的基本設(shè)計(jì)電路圖如圖1(b),與高通濾波器的設(shè)計(jì)相似,該低通濾波器亦采用兩級(jí)低通級(jí)聯(lián)的方式,且濾波器的帶外將設(shè)置2個(gè)陷波點(diǎn),加入陷波點(diǎn)之后的帶有陷波的低通濾波器電路如圖2右邊虛框中的電路所示。

設(shè)該低通濾波器的上限截止頻率為fc,2個(gè)陷波點(diǎn)分別為fr1、fr2,濾波器的終端匹配負(fù)載為R。圖1(b)、圖2低通部分各元件值的公式的推導(dǎo)過(guò)程與以上高通濾波器相應(yīng)公式的推導(dǎo)過(guò)程類似,在此就不再加以詳述。圖1(b)中電感、電容的計(jì)算公式同式(2),圖2低通部分的各元件值的計(jì)算公式如式(6)～式(8):

至此,已將帶有陷波點(diǎn)的高通、低通濾波器的設(shè)計(jì)方案介紹完畢。若要進(jìn)一步構(gòu)成帶通濾波器,則只要將高通、低通兩濾波器級(jí)聯(lián)即可實(shí)現(xiàn),帶通濾波器設(shè)計(jì)電路如圖2所示。具體設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)以下的設(shè)計(jì)實(shí)例。

圖2 帶通濾波器設(shè)計(jì)電路

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

帶通濾波器的頻帶范圍為100～400MHz,為4倍頻程,屬寬帶濾波器。按照以上的設(shè)計(jì)方法,將該帶通濾波器的設(shè)計(jì)分解為截止頻率為100 MHz的高通濾波器的設(shè)計(jì),以及截止頻率為400 MHz的低通濾波器的設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步加強(qiáng)濾波器的帶外抑制特性 ,在 50 MHz、450 MHz、500MHz處設(shè)置 3 個(gè)陷波點(diǎn)。

高通濾波器的設(shè)計(jì)采用圖2左半邊的設(shè)計(jì)電路,該HPF的截止頻率fc=100 MHz,陷波點(diǎn)頻率fr=50MHz,終端匹配負(fù)載R=50 Ω。根據(jù)式(2)、式(5)計(jì)算得到濾波器的各元件值如表1所示。

表1 高通濾波器元件值

低通濾波器的設(shè)計(jì)采用圖2右半邊的設(shè)計(jì)電路,該LPF的截止頻率fc=400 MHz,2個(gè)陷波點(diǎn)頻率設(shè)為fr1=450 MHz,fr2=500 MHz,終端匹配負(fù)載R=50 Ω。根據(jù)式(6)～式(8)計(jì)算得到濾波器的各元件值如表2所示。

表2 低通濾波器元件值

低通濾波器與高通濾波器兩部分級(jí)聯(lián)之后便可構(gòu)成帶通濾波器。但是級(jí)聯(lián)之后,由于阻抗匹配的原因,兩部分將相互影響,一定程度上使濾波器的濾波特性有一定惡化,因此將用ADS2005仿真驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性之外,還將利用ADS的優(yōu)化功能對(duì)該濾波器的濾波特性進(jìn)行優(yōu)化。

3 仿真與優(yōu)化

在ADS2005的環(huán)境下分別驗(yàn)證以上高通、低通和帶通濾波器的設(shè)計(jì)。

按照表1中的數(shù)據(jù)對(duì)圖2中左半邊的高通濾波器電路進(jìn)行仿真并做適當(dāng)優(yōu)化,仿真結(jié)果如圖3(a)所示,其中實(shí)線為濾波器的傳輸特性曲線,虛線為端口反射特性曲線。從圖中可以看到該HPF的截止頻率約為90MHz,略低于預(yù)期的100 MHz,如此有利于濾波器實(shí)際制作過(guò)程中帶寬的損耗。帶內(nèi)回波損耗低于-20 dB,說(shuō)明端口匹配良好,帶外50 MHz處有一明顯的陷波點(diǎn),符合設(shè)計(jì)的預(yù)期。

按照表2中的數(shù)據(jù)對(duì)圖2中右半邊的低通濾波器電路進(jìn)行仿真并適當(dāng)優(yōu)化,仿真結(jié)果如圖3(b)所示。從圖中可以看到該LPF的截止頻率約為110MHz,略高于預(yù)期的100 MHz;帶內(nèi)回波損耗低于-20 dB,說(shuō)明端口匹配良好;帶外 450 MHz、500MHz兩處有陷波點(diǎn),濾波器邊沿陡峭度得到明顯提升。從以上2種濾波器的設(shè)計(jì)中可以看到,陷波點(diǎn)的設(shè)置方法簡(jiǎn)單易行,效果顯著。

在ADS2005中按照?qǐng)D2帶通濾波器的設(shè)計(jì)電路,對(duì)該BPF進(jìn)行仿真。按照表1和表2中的數(shù)據(jù)對(duì)該BPF進(jìn)行仿真,并適當(dāng)優(yōu)化,仿真結(jié)果如圖3(c)所示。從圖中可以看到,該BPF的通帶范圍約為100～400MHz,帶內(nèi)回波損耗約為-20 dB,帶外有3個(gè)陷波點(diǎn)。該BPF具有較好的矩形系數(shù),經(jīng)計(jì)算約為1.2,結(jié)果較理想。經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后各元件值如表3所示,與理論計(jì)算得到的元件值相差不大。

表3 帶通濾波器優(yōu)化元件值

圖3 仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)利用高通、低通濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成寬帶LC帶通濾波器的方法進(jìn)行了研究,并通過(guò)所設(shè)計(jì)的100～400 MHz的濾波器實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性。除此之外,通過(guò)分別對(duì)高通、低通濾波器設(shè)置帶外陷波點(diǎn)使所設(shè)計(jì)的帶通濾波器具有較好的矩形系數(shù)和帶外抑制效果。寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法計(jì)算簡(jiǎn)單、所需元件少,對(duì)LC濾波器的設(shè)計(jì)制作起著指導(dǎo)作用。

[1]甘本祓.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,1973.

[2]周 英,殷小貢.寬帶濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其MATLAB仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2005,22(2):110-112.

[3]TANG Ching-wen,CHEN Ming-guang.A Microstrip Ultrawideband Bandpass Filter with Cascaded Broadband Bandpass and Bandstop filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2007,55(11):49-51.