一種中頻帶通濾波器設(shè)計(jì)方法

張品春 高建

【摘要】 本文對(duì)帶通濾波器的設(shè)計(jì)概述，并利用設(shè)計(jì)軟件ADS對(duì)所設(shè)計(jì)的中頻帶通濾波器進(jìn)行仿真，最后介紹了一種磁環(huán)替代電感的實(shí)現(xiàn)方法來(lái)調(diào)試濾波器帶外抑制特性。本文實(shí)現(xiàn)的一種新型混合型中頻帶通濾波器設(shè)計(jì)方法，對(duì)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用有積極的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】 混合型 磁環(huán) 中頻 帶通 LC濾波器

一、引言

帶通濾波器是一種具有頻率選擇性的器件，選擇性地通過(guò)某些頻率，而對(duì)其他無(wú)用的帶外頻率進(jìn)行衰減抑制。中頻帶通濾波器作為帶通濾波器的一種，主要實(shí)現(xiàn)下變頻低中頻信號(hào)的濾波，一般工作帶通頻率范圍在100MHz內(nèi)。中頻帶通濾波器用途非常廣泛，常應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波的抑制。

目前在中頻帶通濾波器工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者需要考慮到盡量采用少種類的器件，降低采購(gòu)成本與庫(kù)存管理成本；采用盡量少的磁環(huán)，減少人工繞線工作量，提升工作效率。

二、帶通濾波器設(shè)計(jì)概述

帶通濾波器的性能主要取決于濾波器的類型結(jié)構(gòu)。常見的帶通濾波器類型有巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)帶通濾波器。巴特沃斯帶通濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。切比雪夫帶通濾波器特性，是在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器。橢圓函數(shù)濾波是在通帶和阻帶等波紋的一種濾波器。

幾種濾波器的區(qū)別，從傳遞函數(shù)來(lái)看，巴特沃斯和切比雪夫?yàn)V波器的傳輸函數(shù)都是一個(gè)常數(shù)除以一個(gè)多項(xiàng)式， 為全極點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)， 僅在無(wú)限大阻帶處衰減為無(wú)限大。而橢圓函數(shù)濾波器在有限頻率上既有零點(diǎn)又有極點(diǎn)。零極點(diǎn)在通帶內(nèi)產(chǎn)生等波紋， 阻帶內(nèi)的有限傳輸零點(diǎn)減少了過(guò)渡區(qū)， 可獲得極為陡峭的衰減曲線。

帶通濾波器設(shè)計(jì)步驟如下：1、選擇合適的濾波器類型結(jié)構(gòu)；2、軟件仿真設(shè)計(jì)；3、硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；4、調(diào)試測(cè)試。

三、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1指標(biāo)要求

3.2仿真設(shè)計(jì)

經(jīng)分析表1指標(biāo)，其中中頻帶通濾波器帶外抑制指標(biāo)較高，采用橢圓濾波器能獲得更窄的過(guò)渡帶寬和較小的阻帶波動(dòng)。首先仿真建模，參數(shù)設(shè)置上，電感Q值選擇60，電容Q值200；再用小信號(hào)S參數(shù)掃描仿真，讀取仿真參數(shù)；然后分析仿真數(shù)據(jù)。集總參數(shù)建模原理圖如下圖1。

仿真結(jié)果與圖2、圖3所示，帶外抑制、駐波均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)計(jì)步驟：1）器件選用：選用電感Q值為60的 0805封裝電感。選用0603封裝的普通電容。2）板材選用：板材選用兩層RO4350B板材，板厚0.5毫米。3）布板設(shè)計(jì)：布線盡量緊湊，板邊緣放置半圓弧形焊盤，焊接方式連接。

3.4 調(diào)試測(cè)試

焊板初調(diào)。測(cè)試波形如圖5。所需的帶通濾波器圖形基本正確，首先需要優(yōu)化端口駐波比。

通過(guò)對(duì)電路的摸索調(diào)試，發(fā)現(xiàn)把L2和L4由82nH改為100nH，駐波得到明顯改善，如下圖6所示。

由以上步驟和結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只需微調(diào)L7、L8、C4、C4參數(shù)，帶外抑制指標(biāo)基本滿足，如下圖7。

電容、電感參數(shù)的調(diào)整后，最后電路確定如圖8。

由于貼片電感Q值較低，性能不如磁環(huán)繞制的性能好。接下來(lái)是通過(guò)磁環(huán)替代電感的方式，來(lái)降低帶內(nèi)損耗。磁環(huán)電感Q值大于100。磁環(huán)替代電感的方法是，通過(guò)并聯(lián)諧振電路來(lái)確定磁環(huán)線圈達(dá)到電路上相對(duì)應(yīng)的電感量需要幾圈。我們選用100PF電容，繞制線圈的漆包線選用0.15mm的。通過(guò)測(cè)量在網(wǎng)分上的諧振頻點(diǎn)，得出磁環(huán)電感。首先先換L10、L13電感，換為磁環(huán)線圈?？梢钥吹讲鍝p有明顯的改善，只換兩個(gè)電感就可看到通路插損改善0.3dB，接下來(lái)依次換L11、L12；L1、L5；L2、L3、L4；在換的過(guò)程中通過(guò)調(diào)整圈的松緊來(lái)變化電感量，使波形最優(yōu)。最后得出波形如下圖9所示。

由圖9可以看出最后結(jié)果非常符合指標(biāo)，±18MHz抑制已經(jīng)達(dá)到了50dB，±25MHz抑制達(dá)到了70dB。插損也只有0.8dB，駐波在±10MHz范圍內(nèi)都小于1.5。

3.5 實(shí)物展示

四、結(jié)束語(yǔ)

首先，在工程應(yīng)用設(shè)計(jì)中，軟件仿真還是非常重要的，仿真好了實(shí)物只需微調(diào)就能得出想要的結(jié)果。其次器件選型同樣重要，從通路損耗調(diào)試過(guò)程可以看出手動(dòng)繞制的磁環(huán)線圈明顯優(yōu)于貼片式繞線電感，并且電感量可以調(diào)節(jié)，這樣就有使指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的可能。最后通過(guò)上述中頻帶濾波器的設(shè)計(jì)方法，濾波器設(shè)計(jì)不再那么復(fù)雜，變得很簡(jiǎn)單。這種混合式中頻帶通濾波器，器件選擇更靈活，磁環(huán)電感和貼片電感可以混用，對(duì)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用有積極的指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王田，CELESTINO A.Corral，楊士中.橢圓濾波器邊帶優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.儀器儀表學(xué)報(bào).2005（6）：562- 586.

[2] 甘本袚，吳萬(wàn)春.現(xiàn)代濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)（上）.北京：科學(xué)出版社，1973.

[3] 陳振國(guó).微波技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用.北京：北郵出版社，1996.

[4] David M.Pozar著，張肇儀、周樂柱、吳德明譯，《微波工程》第三版，電子工業(yè)出版社，2007.