LC濾波器工程設(shè)計中的考慮事項

王貴虎，王東虎

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.湖北廣興通信科技有限公司，湖北 荊州 434007）

0 引言

射頻電磁波的頻譜非常寬廣，而濾波器就是一種為了阻止某些頻率通過并抑制不需要的頻率的器件。為了從眾多的頻段中選擇某一頻段的電磁波用來傳輸和接收信號，可以通過非調(diào)諧或調(diào)諧無源濾波器（LC濾波器）來實現(xiàn)。在工程設(shè)計中，用鏡像參數(shù)設(shè)計[1]和歸一化參數(shù)[2]設(shè)計LC濾波器都很簡單。由于LC濾波器可通過級聯(lián)來增加邊緣的陡峭度，所需的元器件僅為電感和電容，通過線圈繞制的電感又可調(diào)節(jié)帶寬和插入損耗，造價低，加上免費的濾波器設(shè)計軟件相當(dāng)普及，對于射頻工程師而言，設(shè)計LC濾波器可以說易如反掌。但在實際的制作與測試中，卻發(fā)現(xiàn)其特性距離設(shè)計值甚遠。本文根據(jù)自身制作經(jīng)驗和濾波器理論，提出了幾點考慮事項。

1 LC濾波器工程設(shè)計時的適用場合

在工程上，LC濾波器可以利用的頻率范圍是1kHz～1.5GHz。由于分布式電感和電容能降低所設(shè)計的頻率并使其響應(yīng)變壞，所以當(dāng)頻率升高時，使得濾波器的實現(xiàn)難度增加了。它適合于精確的波形系數(shù)場合，對于窄帶，需要陡峭的邊緣濾波波形，LC濾波器是不合適的。

一般在100～1000MHz之間的頻率范圍內(nèi)，如果要設(shè)計體積小，加工容易，能實現(xiàn)較窄的相對帶寬（0.1%～20%），插入損耗低的濾波器，就需要通過螺旋濾波器[3]來實現(xiàn)高選擇性，此時的電感L用帶有螺旋骨架的線圈繞制而成。

2 LC濾波器工程設(shè)計時的幾點考慮

2.1 LC濾波器工程設(shè)計時幾款常用的軟件推薦

LC濾波器設(shè)計軟件的種類繁多，早已步入尋常百姓人家，本文從使用簡單、方便的角度來推薦幾款免費設(shè)計軟件。

a）AADE公司的Filter Design

它可以幫助工程師簡單、快速地設(shè)計幾乎是任何類型的集總參數(shù)的低通、高通、帶通和帶阻濾波器，同時也可以顯示濾波器的插入損耗、回波損耗、群延遲和輸入阻抗等。使用該濾波器設(shè)計軟件時，當(dāng)頻率升高，內(nèi)部的寄生耦合電抗和分布電抗就將破壞它的設(shè)計精度。由于寄生效應(yīng)自然地降低了濾波器的中心頻率，所以設(shè)計的頻率比實際需要的頻率要高一些。

b） RF-Filter.exe 軟件

該軟件使用非常簡單，僅需選擇所需用的函數(shù)類型、階數(shù)、源阻抗和負載阻抗等參數(shù)就可設(shè)計出所需參數(shù)和仿真波形。用該軟件設(shè)計一個輸入輸出阻抗為50Ω、7階巴特沃斯、截止頻率為200MHz的低通濾波器時的仿真波形和電路，用歸一化參數(shù)計算和仿真設(shè)計的參數(shù)幾乎完全一致，如圖1所示。

c） Filter Solutions 10.0濾波器設(shè)計軟件

該軟件如圖2所示。

作為一名加入《葡萄酒》雜志才一年的新成員，去年曾作為參賽酒商參與金樽獎的評選，今年以組辦方的身份去了解我所認(rèn)知的金樽獎，對于David所提到的評價感受頗深。對于進口酒商，如何接地氣地去挑選，推廣符合消費者需求的葡萄酒，金樽獎給出了很好的指導(dǎo)。而且今年由5位MW/MS以及中國葡萄酒研究專家組成的評審主席團，也給予了酒商及消費者信心，得獎的酒都是優(yōu)質(zhì)且符合中國人口味的。

d） Helical.exe螺旋濾波器設(shè)計軟件

該軟件如圖3所示。用該軟件設(shè)計時輸入輸出阻抗需要匹配，如果參數(shù)設(shè)置不合理時，就可以拒絕進入主界面，該款軟件適合于窄帶濾波器設(shè)計。

2.2 進行LC濾波器工程設(shè)計時，考慮PCB的事項

a）頻率越高時，較薄的介質(zhì)層將增加插入損耗，增加介質(zhì)層的厚度將減少這些損耗，但與此同時會增加電路板的穿孔電感或者會產(chǎn)生我們所不期待的信號傳輸模式。介電常數(shù)Er較高時將會增加介質(zhì)中的損耗，而且也會稍微增加導(dǎo)體中的損耗。當(dāng)LC濾波器需要盡可能小的插入損耗時，雖然選擇較厚的PCB板會減少損耗，但也增加了穿地電感，介電常數(shù)Er應(yīng)較小些。

上面提到的穿透孔產(chǎn)生的穿地電感可由如下公式計算：

式（1）中：L——穿透孔的電感，單位為nH；

d——穿透孔的直徑，單位為in。

這個公式說明了穿透孔的直徑越小、穿透孔的長度越長則穿地電感越大。所以通過PCB板設(shè)計濾波器時，要使穿地電感越小則PCB越薄，濾波器的高頻衰減特性越好。所以選擇PCB板的厚度時必須考慮插入損耗和穿地電感的折衷。同時通過該公式可以算出穿地電感的實際值，在設(shè)計LC濾波器參數(shù)時，可以使穿地電感看成是線圈電感的一部分，使串聯(lián)到電容器的電感值選得小一些。

b）LC濾波器通過PCB板工程制作時，所有元器件的引線必須最短以減少損耗和引線電感。傳輸?shù)奈Ь€保持50Ω的恒定阻抗，以減少失配損耗及由不連續(xù)阻抗引起的反射。在1GHz時，即使1cm的短線，也會有約10nH的電感，形成一個幾乎很純正的電感器。濾波器的微帶線中的所有彎曲都應(yīng)該斜接或者變成圓弧狀，以防止輻射到相鄰的電路中。一般地線通過最短的路線，通常是通過一個穿透孔接到PCB的接地板，主要是為了降低返回路徑的對地電感。同時從PCB頂端的接地板到底端的接地板，應(yīng)該以1/4波長或者更小長度的間隔，有規(guī)律地設(shè)置穿透孔。整個PCB的設(shè)計盡可能地減小實際的尺寸以減少損耗和輻射。元件應(yīng)該交叉配置在微帶線的兩側(cè)，以改善高頻域的隔離程度。電容器接地旁邊要有穿透孔，空余的地方盡可能地配置上引線孔。LC帶通濾波器的制作要選用寄生電感量小的電容器，使含有寄生電感的LC諧振電路的諧振頻率重合在幾何中心的頻率上。

c）進行LC濾波器的工程設(shè)計時，必須要考慮到PCB線、元器件和導(dǎo)線之間的耦合?？赏ㄟ^使用屏蔽、減少載流環(huán)路的區(qū)域、印刷板引線成直角和傳輸RF電流的印刷板引線互相保持一定的距離來減輕這些不好的能量耦合。當(dāng)RF信號遇到LC濾波器的耦合電容時，為了減少阻抗變化范圍和降低電壓駐波比VSWR，元器件應(yīng)該與微帶線具有相同的寬度，并且焊接的輪廓應(yīng)該平滑以便不干擾信號流。

2.3 進行LC濾波器工程參數(shù)設(shè)計時的考慮事項

a）如果濾波器要隔直流信號，那么應(yīng)在輸入端加一個很大的電容，使得在最低頻率上的電抗小于1Ω。如果該LC濾波器是高通濾波器，為阻止直流信號，就應(yīng)該在輸入端接一個串聯(lián)電容，而不是并聯(lián)一個電感。

b）如果要設(shè)計精度更高的濾波器就要采用更加復(fù)雜、準(zhǔn)確的現(xiàn)代濾波器理論技術(shù)或者更昂貴軟件程序來考慮寄生效應(yīng)的影響。對于低要求應(yīng)用場合和極點數(shù)少的情況下，僅通過軟件仿真設(shè)計就足夠了。頻率大于30MHz時，表面安裝的元件導(dǎo)致的分布式電抗會使濾波器的中心頻率顯著地降低，必須考慮寄生響應(yīng)的影響?？赏ㄟ^減少繞組直徑和圈數(shù)來減少電感器的匝間電容，可通過更小的元器件來減輕所有元器件的接地電容，可使用以電感相交成直角的方式來減輕電感的相互耦合，可通過使用一個并聯(lián)的電容器來減輕引線內(nèi)的固定電感，減小電容器的寄生電感，通過上述方式可減輕寄生響應(yīng)的影響。

c）LC濾波器在高頻率設(shè)計時，選用高Q值的電感可以減少插入損耗和降低邊緣的圓滑程度。電容器要選用自感量小的元件，如果電容的容許誤差較差或者溫度特性差就會使得通帶特性、中心頻率、回波損耗發(fā)生變化?？刹捎脤⒁粋€電容分為兩個只有一半容量的電容器后再并聯(lián)的辦法，從理論上說，電感量可以減少一半，阻帶衰減量實際上可改善約10dB。

d）根據(jù)衰減頻率部分，考慮到費用、插入損耗、群延遲變化和物理尺寸的要求，濾波器應(yīng)該設(shè)計成最小階數(shù)。在沒有放大器連接之前，若將設(shè)計好的濾波器級聯(lián)，就會導(dǎo)致交互感應(yīng)。

2.4 進行LC濾波器工程設(shè)計時考慮的濾波器函數(shù)選型事項

如果需要通帶內(nèi)有最大的平坦響應(yīng)，對元件的變化不是很敏感的話，則可選用巴特沃斯濾波器，沒有特殊要求時優(yōu)先推薦巴特沃斯濾波器。切比雪夫濾波器在通帶內(nèi)有等波紋起伏的紋波，但截止特性特別好，高的群延遲變化，可通過增加濾波器的通帶來抑制群延遲變化。貝塞爾濾波器通帶內(nèi)延時特性最平坦，小的群延遲變化，相位特型好，對要求輸出信號波形不能失真的場合非常有用，但截止特性很差，對元件的要求很高。高斯型濾波器常用于頻譜分析儀帶寬的濾波器中。橢圓函數(shù)型濾波器通帶內(nèi)有起伏，阻帶內(nèi)有零點，截止特性最好，但對器件要求嚴(yán)格。勒讓德型截止特性比巴特沃斯型好，并且可以用小的器件值來實現(xiàn)。在工程實際設(shè)計中依據(jù)不同的特點和通帶的頻率響應(yīng)、帶寬、元件敏感程度和分布電抗以及元件獲取真實的參數(shù)能力等選取不同類型的函數(shù)。

3 結(jié)束語

本文在LC濾波器理論基礎(chǔ)和自身設(shè)計制作的經(jīng)驗上，提出了工程設(shè)計中LC濾波器軟件選用、PCB板、設(shè)計參數(shù)和濾波器函數(shù)選型的幾點考慮事項，希望能對工程研發(fā)人員有所幫助。

[1]SAYRE C W[美].無線通信設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計大全 [M].第1版.北京：人民郵電出版社，2004：219-350.

[2]森榮二 [日].LC濾波器設(shè)計與制作 [M].薛培鼎，譯.第6版.北京：科學(xué)出版社出版，2010：1-10.

[3]成都電訊工程學(xué)院七系.LC濾波器和螺旋濾波器的設(shè)計[M].第1版.北京：人民郵電出版社，1978：131-133.