基于ADS 的小型化切比雪夫帶通濾波器的設計

余暉冬 阮維劍 侯柳英

（1、中國人民解放軍 92145 部隊，上海 200080 2、中國人民解放軍 91335 部隊，廣東汕頭 515400）

高頻電磁信號經(jīng)過大氣傳播到海面，并穿透海面被拖曳天線接收時，從天線中所接收到的信號中，不僅有希望獲得的信號，同時也有噪聲。為了從信號源頭上減小噪聲信號對后續(xù)電路的干擾作用，就要使用濾波器。如果能夠有效地除去噪聲，只保留有用信號的頻率成分，就可以高精度的處理所獲得的信號。

該濾波器的設計主要作用就是對拖曳天線從海面上接收到的高頻電磁信號進行濾波，以供后續(xù)對信號進行處理。

1 S 參數(shù)的基本概念

在進行射頻/微波電路設計時，由于波長較短，組件的尺寸就無法被忽略，元器件內(nèi)部電磁波行進波與反射波的干涉使得電流和電壓失去了一致性，取而代之的是“分布參數(shù)”的特性阻抗，此時電路以電磁波發(fā)射與反射為基礎要素，即反射系數(shù)、衰減系數(shù)、傳送的時間延遲[2]。

S 參數(shù)是建立在入射、反射波關(guān)系基礎上的網(wǎng)絡參數(shù)，適用微波電路分析。以元器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網(wǎng)絡。

二端口網(wǎng)絡有四個S 參數(shù)，Sij表示能量信號從j 端口輸入，從i 端口輸出測得的能量，各參數(shù)的物理含義和特殊的網(wǎng)絡特性如下：

S11：端口2 匹配時，端口1 的反射系數(shù)；

S22：端口1 匹配時，端口2 的反射系數(shù)；

S12：端口1 匹配時，端口2 到端口1 的反向傳輸系數(shù)；

S21：端口2 匹配時，端口1 到端口2 的正向傳輸系數(shù)。

對于低噪聲濾波放大電路性能，一般只考慮S11、S21、S22以及穩(wěn)定系數(shù)K。穩(wěn)定系數(shù)K 由下式求得：

設計濾波電路的基本原則是保證其能穩(wěn)定工作。由于S12作用, 使得信號進入輸入端后有一定比例的信號又被反射回入射端口，在該情形下會使得電路產(chǎn)生內(nèi)部反饋，進而使得不穩(wěn)定產(chǎn)生自激。

理論上，一般要求K＞1，此時電路絕對穩(wěn)定，但一般工程中只要大于0.9 即可[2]。

2 濾波器的設計

2.1 濾波器的選擇

常見的濾波器類型有巴特沃茲型、切比雪夫帶型、橢圓函數(shù)型、高斯多項式型。由于該濾波器的設計目的是為了濾去通頻帶外的頻率分量，因此通頻帶邊緣應該越陡峭越好，以盡可能地減少頻率分量的干擾；因此本次仿真選用切比雪夫型濾波器進行設計[3][4]。其傳輸函數(shù)為：其中，ε 是介電常數(shù)，Ω 為頻率，Tn是時間函數(shù)。

2.2 切比雪夫濾波器的低通原型

已知濾波器帶邊衰減與波紋指標為LAR、歸一化頻率Ωc=1、截止衰減為LAS、歸一化截止頻率為ΩS。

元件級數(shù)N 由下式給出：計算出元件級數(shù)后各元件值可通過查表等方法以確定。

切比雪夫濾波器的低通原型，就是根據(jù)技術(shù)指標計算各個元件的參數(shù)值，按照基本電路結(jié)構(gòu)進行設計。

2.3 低通原型的頻率轉(zhuǎn)換

由低通原型濾波器經(jīng)過頻率變換，可以得到切比雪夫帶通濾波器[5]。設阻抗因子為：

其中，Z=1/Y，Y 為特性阻抗，Z 為特性感抗。

低通原型向帶通濾波器的關(guān)系變換后：

式中，ω0為中心頻率，F(xiàn)BW 為通帶寬度。γ0為0 級阻抗因子。

3 濾波器的ADS 仿真

3.1 確定指標

結(jié)合實際的水下通信設備接收到的電磁信號確定指標：

3.2 計算相關(guān)參數(shù)

3.3 計算元件級數(shù)

相關(guān)參數(shù)代入式中計算，得元件級數(shù)N=5。查表得到N=5時的g 值[3]。其中，g0做了歸一化處理，即g0=1。各級元件值如表1 所示。

表1 各級元件值

根據(jù)式子（5）（6）（7）（8）計算各級元件值對應的原型器件值。得到的值如表2 所示。

表2 各級元件原型器件值

4 軟件仿真

依據(jù)計算出的原型器件值設計出的切比雪夫濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 切比雪夫帶通濾波器電路結(jié)構(gòu)

將設計的帶通濾波器的在ADS 中進行設計，得到的頻率特性，如圖2 所示。

圖2 帶通濾波器的頻率特性

可見在350MHz～500MHz 頻帶內(nèi)S11幾乎保持為0dB,說明在該頻帶可以正常通過該濾波器，不會產(chǎn)生衰減；而在該頻帶外的頻率成分均得到了不同程度的衰減；并且在濾波器輸出端匹配的情況下，通頻帶，特別是中心頻率附近的反射系數(shù)維持在一個十分低的水平，而頻帶外的頻率成分幾乎都被反射回輸入端。通過S21、S11的雙重保證，使得本帶通濾波器能較好地完成濾波任務。