北斗高矩形系數(shù)LC濾波器設(shè)計(jì)與仿真

林仁杰，張光飛

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350001)

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北斗高矩形系數(shù)LC濾波器設(shè)計(jì)與仿真

林仁杰，張光飛

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350001)

針對(duì)目前北斗通信系統(tǒng)中設(shè)計(jì)臨頻干擾和傳統(tǒng)濾波器存在的工作頻率、帶寬、帶內(nèi)平坦度和矩形系數(shù)等指標(biāo)不理想的缺陷，設(shè)計(jì)了一種新式濾波器模型.該模型具有較好的矩形系數(shù)、帶內(nèi)平坦度和帶外抑制能力，-3dB帶寬內(nèi)波動(dòng)小于0.896dB，實(shí)測(cè)矩形系數(shù)為1.73，能夠很好去除北斗通信系統(tǒng)模擬中頻中的干擾信號(hào).利用ADS2008仿真軟件進(jìn)行了模型的仿真，制作實(shí)物測(cè)試濾波器的矩形系數(shù)、帶內(nèi)平坦度及帶外抑制能力.結(jié)果表明，該濾波器可用于北斗通信系統(tǒng).

北斗通信系統(tǒng)；濾波器；帶內(nèi)平坦度；矩形系數(shù)；帶外抑制

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其下行中心頻率工作在2.491 75GHz，信號(hào)調(diào)制后的帶寬為8.16MHz，工作在WiFi頻率和LET頻率之間，其邊帶與WiFi系統(tǒng)的邊緣頻率僅有7MHz之差，與LET系統(tǒng)的邊緣頻率僅有58MHz之差，極易受WiFi系統(tǒng)和LET系統(tǒng)的同頻干擾，這將導(dǎo)致接收機(jī)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制解擴(kuò)后的序列誤碼率極高[1]，系統(tǒng)性能?chē)?yán)重下降.解決干擾的辦法是將射頻信號(hào)混頻到中低頻時(shí)通過(guò)中頻濾波器去除帶外干擾.因此，北斗系統(tǒng)對(duì)于中頻濾波器設(shè)計(jì)的矩形系數(shù)要求極高.大部分傳統(tǒng)濾波器模型通過(guò)仿真后，在實(shí)際制作過(guò)程中都會(huì)由于電容和電感器件的分布參數(shù)和品質(zhì)因數(shù)的影響，導(dǎo)致實(shí)際制作出來(lái)的濾波器矩形系數(shù)不能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求值，而且很難做到帶內(nèi)平坦.而聲表面濾波器的體積往往隨著頻率的下降而急劇增大，且最低頻率一般都達(dá)百兆赫茲，因此，也不適用于中心頻率僅為12.24MHz的北斗系統(tǒng)中頻濾波[2-3].另外一種實(shí)現(xiàn)中頻濾波的方法是有耗濾波器[4-9].因此，本文提出了一種新的有耗LC濾波器模型，采用帶分布參數(shù)的實(shí)際元器件模型進(jìn)行仿真并制作實(shí)物以測(cè)試性能.

1 LC串并聯(lián)的幅頻特性

1.1LC串聯(lián)諧振

LC串聯(lián)諧振在諧振點(diǎn)上幅值最高，理論上并聯(lián)諧振在諧振點(diǎn)上插損為0，往兩邊幅頻特性關(guān)于中心頻率呈軸對(duì)稱.但是由于實(shí)際電容和電感器件品質(zhì)因數(shù)及分布參數(shù)的影響，信號(hào)在諧振點(diǎn)上會(huì)有一定的插損，且在中心頻率兩邊具有明顯的不對(duì)稱性.品質(zhì)因數(shù)即Q值是諧振電路損耗的量度，較低的損耗意味著諧振電路的Q值要比較高[10].例如以150nH電感和470pF電容構(gòu)成的LC串聯(lián)諧振電路為例，通過(guò)ADS對(duì)實(shí)際電容和電感模型進(jìn)行S參數(shù)仿真，繪制出幅頻特性曲線如圖1,可見(jiàn)實(shí)際的電容電感由于帶了分布參數(shù)，與理想LC模型相比，導(dǎo)致實(shí)際串聯(lián)諧振的幅頻特性無(wú)法達(dá)到完全對(duì)稱，且對(duì)諧振點(diǎn)外的抑制并不理想.

1.2LC并聯(lián)諧振、LC串聯(lián)抑制和LC并聯(lián)抑制

用同樣的電容和電感模型，分別對(duì)LC并聯(lián)諧振、LC串聯(lián)抑制和LC并聯(lián)抑制做S參數(shù)仿真，如圖2.由圖2可見(jiàn)，以上4種濾波選頻電路中，LC串聯(lián)諧振和LC并聯(lián)諧振主要起著帶通濾波的作用，其中LC串聯(lián)諧振中心頻率插損極小，但是對(duì)諧振點(diǎn)外的頻率抑制也較小.這種選頻回路適合在電路中充當(dāng)平坦度微調(diào)的作用.而LC并聯(lián)諧振中心頻率的插損較大，而其對(duì)諧振點(diǎn)外的頻率抑制也相對(duì)較好，這種選頻回路適合在電路中充當(dāng)主要選頻的作用.LC串聯(lián)抑制和LC并聯(lián)抑制主要起著帶阻濾波的作用，它們對(duì)中心諧振點(diǎn)頻率的抑制都較高，這兩種電路結(jié)構(gòu)在LC濾波器模型設(shè)計(jì)中適合充當(dāng)邊帶抑制，可以提高濾波器帶外的抑制，從而提高濾波器的矩形系數(shù).

2 新式濾波器模型

2.1 濾波器模型結(jié)構(gòu)

首先設(shè)計(jì)LC串聯(lián)諧振和LC并聯(lián)諧振回路，決定中心頻率并微調(diào)帶內(nèi)平坦度，此模型采用2個(gè)LC串聯(lián)諧振和1個(gè)LC并聯(lián)諧振來(lái)調(diào)整中頻頻率,如圖3.然后設(shè)計(jì)帶外抑制，考慮到LC串聯(lián)抑制遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LC并聯(lián)抑制，因此用3級(jí)LC并聯(lián)抑制來(lái)抑制低頻增益，用2級(jí)LC串聯(lián)抑制來(lái)抑制高頻增益，從而達(dá)到相對(duì)平衡.由于北斗RD中頻頻率只有12.24MHz，在LC并聯(lián)抑制中，為了達(dá)到較好的抑制效果，需要用來(lái)調(diào)諧的電感較大，考慮到實(shí)際貼片電感值，采用2個(gè)LC串聯(lián)來(lái)代替1個(gè)較大的電感值.濾波器總體模型如圖4所示.

2.2ADS2008仿真

將該濾波器模型放入ADS2008仿真軟件，并調(diào)用村田模型庫(kù)進(jìn)行帶分布參數(shù)仿真，仿真頻率在1～60MHz，頻率step設(shè)置為0.01MHz，對(duì)S參數(shù)進(jìn)行仿真，并觀察傳輸增益系數(shù)S21的值(如圖5所示).仿真結(jié)果如表1所示.

由表1的仿真結(jié)果可知，該濾波器模型在信號(hào)擴(kuò)頻帶寬內(nèi)波動(dòng)小于0.622dB，與傳統(tǒng)濾波器相比可以做到帶內(nèi)平坦，由-20dB通頻帶帶寬與-3dB通頻帶帶寬的比值可以得出矩形系數(shù)為1.79，帶外抑制好，適合用于具有強(qiáng)臨頻干擾的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的北斗一代中頻濾波器.

表1 濾波器模型仿真結(jié)果

3 實(shí)際濾波器測(cè)試結(jié)果

為了使實(shí)際制作的濾波器能夠更好地逼近仿真，PCB布板時(shí)應(yīng)盡量遵循PCBlayout3W原則，以減小邊緣輻射效應(yīng)和走線分布參數(shù)的影響，濾波器模型版圖如圖6所示.按照以上板子布局，可以減少由布局產(chǎn)生的分布參數(shù)的影響.而由元器件本身的分布參數(shù)對(duì)濾波器性能指標(biāo)的影響已在仿真中采用相同型號(hào)的電容和電感模型給予考慮，實(shí)際制作出的濾波器如圖7所示.

本實(shí)物制作采用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試.首先，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作頻率為1～60MHz，并在該頻段對(duì)儀器進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn).其次，接入實(shí)際的濾波器，并設(shè)置測(cè)試參數(shù)為S21參數(shù).然后在測(cè)試的曲線中標(biāo)記出中頻頻率，-3dB增益點(diǎn)和-20dB增益點(diǎn)用于觀察帶寬和矩形系數(shù).最后記錄數(shù)據(jù)計(jì)算出矩形系數(shù).實(shí)際制作濾波器利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行仿真，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)記錄如表2.

表2 濾波器模型實(shí)際測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1)實(shí)際濾波器的測(cè)試效果與仿真結(jié)果基本吻合，其中實(shí)測(cè)的信號(hào)帶寬內(nèi)平坦度和矩形系數(shù)都會(huì)略優(yōu)于仿真結(jié)果.

2)此濾波器模型比傳統(tǒng)的濾波器模型有較好的帶內(nèi)平坦度，-3dB帶寬內(nèi)波動(dòng)小于0.896dB.實(shí)測(cè)矩形系數(shù)1.73能夠很好實(shí)現(xiàn)帶外抑制功能.該模型能很好地適用于北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的中頻濾波.

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(責(zé)任編輯 雨 松)

Design and Simulation of High Rectangular Coefficient LC Beidou Filter

LIN Renjie，ZHANG Guangfei

(CollegeofPhysicsandInformationEngineering，F(xiàn)uzhouUniversity，F(xiàn)uzhou350001,China)

AnewfiltermodelwaspresentedtoaddresstheproblemsofadjacentfrequencyinterferenceintheBeidousatellitecommunicationsystemandpoorperformanceinworkingfrequency,bandwidth,passbandflatnessandrectangularcoefficientofthetraditionalfilter.Ithasgoodperformanceonrectangularcoefficient,passbandflatnessandrejectionofoutbandwidth,the-3dBbandwidthwaslessthan0.896dB,andthemeasuredrectanglecoefficientwas1.73,whichcanfiltertheinterferencesignalinthemediumfrequencyinBeidoucommunicationsystem.ThesoftwareADS2008wasusedforsimulationanddesignofthemodel,includingtestofrectangularcoefficient,passbandflatnessandoutbandrejection.ItisprovedthatthenewfiltercanbewellusedintheBeidoucommunicationsystem.

Beidoucommunicationsystem;fliter;passbandflatness;rectangularcoefficient;rejectionofoutbandwidth

2015-09-02

2015-10-09

林仁杰(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng).通訊作者：張光飛(1955-)，男，教授，博士后，研究方向?yàn)槲⒉ㄍㄐ?E-mail：zhanggf@fjdmt.cn

TN

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1673-4432(2016)05-0070-04