具有多傳輸零點(diǎn)的射頻集總高通濾波器的設(shè)計(jì)

羅 兵，張永亮，劉建圻，鐘君柳，王喜瑞

（1. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣州 510515；2.廣東好幫手電子科技股份有限公司集團(tuán)研發(fā)中心，廣東 佛山 528113）

具有多傳輸零點(diǎn)的射頻集總高通濾波器的設(shè)計(jì)

羅 兵1，張永亮1，劉建圻1，鐘君柳1，王喜瑞2

（1. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣州 510515；2.廣東好幫手電子科技股份有限公司集團(tuán)研發(fā)中心，廣東 佛山 528113）

簡(jiǎn)要介紹了濾波器的理論基礎(chǔ)，并在理論計(jì)算與分析的基礎(chǔ)上，使用射頻/微波仿真軟件ADS設(shè)計(jì)了一種射頻高通濾波器。在帶外低頻引入4個(gè)傳輸零點(diǎn)，使其能有效抑制零點(diǎn)頻率附近的雜波干擾，提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。仿真結(jié)果表明在通頻帶內(nèi)，駐波比≤1.5，插入損耗≤0.5 dB，帶外抑制≥25 dB（DC~650 MHz）。比較了理論設(shè)計(jì)與使用仿真軟件設(shè)計(jì)的區(qū)別，理論計(jì)算繁瑣、復(fù)雜，而仿真軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、高效、快速、調(diào)諧方便，此方法可用于其他射頻濾波器的設(shè)計(jì)。

高通濾波器；ADS優(yōu)化；駐波比；插入損耗；仿真分析

1 引言

射頻濾波器一直是無線通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，它能起到頻帶和信道選擇的作用，并且能濾除諧波，抑制雜散。因此，射頻濾波器一直是無線通信系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1~9]。一般來說，濾波器的設(shè)計(jì)均是采取查歸一化表的方式得到需要的參數(shù)，再進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到實(shí)際濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，但這種方法工作量大，精度不高，理論計(jì)算較復(fù)雜。事實(shí)上，對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)代濾波器的設(shè)計(jì)，射頻/微波模擬軟件是一個(gè)絕對(duì)必要的、評(píng)估濾波器性能的工具。美國(guó)安捷倫（Agilent）公司推出的大型EDA軟件Advanced Design System（簡(jiǎn)稱ADS）就是其中的佼佼者，也是國(guó)內(nèi)各大學(xué)和研究所在微波電路和通信系統(tǒng)仿真方面使用最多的軟件之一[1,2]。本文在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用ADS軟件對(duì)集總式的高通濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省了時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率。

2 濾波器理論

在電路中，電流信號(hào)可以認(rèn)為由很多形式的小電流（電流諧波）疊加而成，有的信號(hào)是有用的，有的信號(hào)是無用甚至有害的，它可能會(huì)給整個(gè)電路帶來干擾。因此，需要將電路中的一些無用信號(hào)盡可能降低，剩下有用的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)負(fù)載，濾波器便能提供這樣的一個(gè)開關(guān)通道：有用的信號(hào)可以近乎無阻礙地通過，無效或者有害的信號(hào)被截?cái)嗖荒芡ㄟ^，從而提高整個(gè)電路的抗干擾能力和電路的穩(wěn)定性。

按照通頻帶的分類方法，濾波器可分為：低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）。按通帶濾波特性可分為：最大平坦型（巴特沃思型）、等波紋型（切比雪夫型）、線性相移型（貝塞爾型）濾波器等。本文設(shè)計(jì)的濾波器為低于某個(gè)頻率的信號(hào)濾除，高于某個(gè)頻率的信號(hào)通過，是一種無源高通濾波器。

3 射頻高通濾波器的理論設(shè)計(jì)

對(duì)于多種不同結(jié)構(gòu)的濾波器，盡管它們具有不同的結(jié)構(gòu)，功能均為從一系列信號(hào)中分離出設(shè)計(jì)者所需要的頻率。那么，所有電路均可以用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的形式來反映輸入端和輸出端的關(guān)系，以衰減和相移函數(shù)為基礎(chǔ)，利用網(wǎng)絡(luò)綜合理論，可以求出集總元件低通原型電路[3,4]。根據(jù)濾波器理論，所有類型的濾波器均可映射成歸一化的低通濾波器[3,4]，因此高通濾波器的設(shè)計(jì)可以先從設(shè)計(jì)歸一化低通濾波器開始，然后再映射成高通濾波器，映射如圖1 所示，圖中縱坐標(biāo)以分貝（dB）為單位，LA為衰減度，LAR為通帶內(nèi)最大衰減度，其中低通原型濾波器的頻率變量為ω’，高通濾波器的頻率變量為ω。對(duì)于低通濾波器原型，ω1’為歸一化截止頻率，當(dāng)歸一化頻率大于ω1’時(shí)為阻帶，反之為通帶。映射到高通濾波器時(shí)，ω1為歸一化截止頻率，當(dāng)歸一化頻率大于ω1時(shí)為通帶，反之為阻帶。

低通濾波器原型可以根據(jù)其截止頻率和帶內(nèi)外的抑制等通過查閱相關(guān)表格得到[3]。得到低通濾波器原型的相關(guān)參數(shù)后，可以通過頻率定標(biāo)和阻抗定標(biāo)來得到實(shí)際高通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，將設(shè)計(jì)參數(shù)使用ADS仿真軟件進(jìn)行初步仿真調(diào)試或直接搭建基本電路進(jìn)行調(diào)試，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖1 低通濾波器向高通濾波器的映射

3.1 阻抗定標(biāo)

阻抗定標(biāo)是在原型設(shè)計(jì)中，源和負(fù)載的電阻為1，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過原型設(shè)計(jì)的阻抗與R0相乘得到。若Rs’、L’、C’和RL’是原型低通濾波器的元件值，不帶撇號(hào)的符號(hào)表示阻抗定標(biāo)后的值，則新的濾波器的元件值為：

3.2 頻率定標(biāo)

頻率定標(biāo)是將低通原型濾波器中衰減特性的頻率變量ω’經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，得到以新的頻率ω為變量的衰減特性。為了將低通原型濾波器轉(zhuǎn)換到高通濾波器響應(yīng)，可將ω’=0映射到ω=∞，將ω’=∞映射到ω=0，所以從低通到高通的頻率變換式應(yīng)?。?/p>

這樣，不但可以使低通的ω’=0點(diǎn)變換為高通的ω=∞點(diǎn)，ω’=∞變換為高通的ω=0點(diǎn)，而且使得ω’=ω1’點(diǎn)變換為ω=ω1點(diǎn)。因此，低通原型的通帶變換為高通的通帶，低通原型的阻帶變換成高通的阻帶。式（5）中的負(fù)號(hào)是為適應(yīng)在變換過程中元件性質(zhì)改變的需要。例如，低通原型中電感L’的感抗為ω’L’，變換到高通濾波器中的電抗為：

由式（6）可推得：

由此可見，低通原型中的電感，變換為高通中的電容，感抗取正號(hào)，容抗取負(fù)號(hào)。同理，低通原型中的電容C’，經(jīng)過式（5）變換后應(yīng)是高通中的電感L，兩者關(guān)系為：

由上述理論得到從低通濾波器原型到高通濾波器的轉(zhuǎn)換，則既要阻抗定標(biāo)也要頻率定標(biāo)，那么新的元件值為：

4 高通濾波器理論設(shè)計(jì)實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的高通濾波器指標(biāo)為：

（1）截止頻率為806 MHz；

（2）帶內(nèi)插入損耗≤0.5 dB；

（3）帶外抑制≥25 dB（DC~650 MHz）

（4）帶內(nèi)波動(dòng)≤0.1 dB；

（5）駐波比（VSWR）≤1.5；

（6）輸入輸出阻抗為50 Ω。

根據(jù)前面介紹的低通原型轉(zhuǎn)換為高通的阻和頻率定標(biāo)理論，首先計(jì)算：

再根據(jù)帶外抑制的要求查圖得n=7，同時(shí)查表得出各元件數(shù)值為：

得出低通原型值后，由式（1）、（4）、（9）和（10）可求出實(shí)際高通濾波器的實(shí)際元件值為：

其電路圖如圖2所示，其仿真結(jié)果如圖3、圖4所示，從圖3可看出駐波比達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，但顯然從圖4可看出帶外抑制達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖3 理論計(jì)算所得的駐波比

圖4 理論計(jì)算所得的插入損耗

5 ADS仿真分析

采用查表或曲線擬合的方法工作量大，精度不高，因此本文使用經(jīng)典的濾波器仿真軟件ADS（Advanced Design System）進(jìn)行高通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真工作。

使用ADS的濾波器設(shè)計(jì)向?qū)瓿筛咄V波器的初步仿真分析。如圖5所示為濾波器設(shè)計(jì)向?qū)玫?階切比雪夫型高通濾波器結(jié)構(gòu)，圖6所示為初步仿真所得的駐波比，顯然達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，圖7所示為初步仿真所得的插入損耗，帶外抑制已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求。

顯然，初步仿真未得到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，需要進(jìn)行電路的簡(jiǎn)單變換及調(diào)試，經(jīng)過多次調(diào)諧和電路變換，最終確定電路圖如圖8所示，其仿真結(jié)果如圖9、圖10所示，駐波比和帶外抑制都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且使用了4個(gè)傳輸零點(diǎn)，使得帶外抑制下降更陡峭，能更好地去除干擾信號(hào)。

圖5 ADS濾波器設(shè)計(jì)向?qū)玫臑V波器結(jié)構(gòu)

圖6 初步仿真駐波比

6 結(jié)果與討論

本文使用了理論計(jì)算的方法和ADS仿真分析的方法實(shí)現(xiàn)了射頻高通濾波器的設(shè)計(jì)，顯然理論計(jì)算復(fù)雜、繁瑣，并且需要查表，且最終結(jié)果也達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，仍然需要不斷調(diào)試才能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

然而，使用先進(jìn)的射頻仿真工具ADS仿真分析能很快地達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并能快速優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的高通濾波器，不但實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，并使用4個(gè)傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)帶外抑制的快速下降，能夠更好地消除帶外抑制，并且在806~1 500 MHz的常用頻帶范圍內(nèi)，駐波比≤1.2，滿足了常用頻段對(duì)駐波比的苛刻要求，實(shí)際制作并測(cè)試了濾波器的結(jié)果，與設(shè)計(jì)目標(biāo)吻合。

圖7 初步仿真所得的插入損耗

7 結(jié)束語

濾波器的設(shè)計(jì)是通信領(lǐng)域一直比較熱門的研究技術(shù)，傳統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)方法已經(jīng)顯得耗時(shí)、費(fèi)力，使用ADS等現(xiàn)代射頻仿真工具能快速實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的射頻高通濾波器具有優(yōu)良的駐波比，較高的帶外抑制能力，截止頻率點(diǎn)具有更陡峭的下降速度，用于GSM900、CDMA800等通信系統(tǒng)，具有良好的抗干擾能力，能提高通信系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，改善通信系統(tǒng)的通信距離。

圖8 最終高通濾波器電路

圖9 最終高通濾波器駐波比

圖10 最終高通濾波器的插入損耗

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圖12 整形后外部目檢圖

6 結(jié)束語

微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成電路集成度越來越高、引腳越來越多、間距越來越小，隨著微電子封裝技術(shù)的發(fā)展，對(duì)出廠后的引腳整形與共面性檢測(cè)技術(shù)的研究及推廣也勢(shì)在必行。

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作者簡(jiǎn)介：

楊 城（1987—），男，本科，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)在湖北航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所工作。

Design of RF Lumped High-pass Filter with Multiple Transmission Zeros

LUO Bing1, ZHANG Yongliang1, LIU Jianxi1, ZHONG Junliu1, WANG Xirui2

（1.Guangdong Mechanical & Electrical College,College of Information Engineering,Guangzhou510515,China; 2.Guangdong Coagent Electronics S&T Co.,Ltd.Group R&D Center,Foshan528113,China）

The paper brief l y introduces the basic theory of fi lter, a RF high-pass fi lter is designed by using radio-frequency/microwave software which is named ADS on the basis of theoretical calculations and analysis, four additional transmission zeros are imported beyond the pass-band, which can effectively suppress the frequency interference near the zero points, and improve the anti-jamming capability of the communication system. The results of RF high-pass filter show the voltage standing wave ratio is less than 1.5, and the insertion loss is less than 0.5 dB within its pass band. Its inhibition is greater than 25 dB between DC and 650 MHz. Compared the difference between the theoretical design and the design by using simulation software, it show the theoretical calculation is tedious and complex, and use the simulation software to design is simple, high eff i cient, fast and convenient to tune. The method can be used to design other RF fi lter.

high-pass fi lter; ADS optimization; voltage standing wave ratio; insertion loss; simulation and analysis

TN713

A

1681-1070（2014）09-0028-05

羅 兵（1980—），男，工程師，主要從事高頻技術(shù)、無線通信系統(tǒng)與微波射頻器件的研究與教學(xué)。

2014-04-24