一種中頻帶通濾波器設計方法

張品春 高建

【摘要】 本文對帶通濾波器的設計概述，并利用設計軟件ADS對所設計的中頻帶通濾波器進行仿真，最后介紹了一種磁環替代電感的實現方法來調試濾波器帶外抑制特性。本文實現的一種新型混合型中頻帶通濾波器設計方法，對工程設計應用有積極的指導意義。

【關鍵詞】 混合型 磁環 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，選擇性地通過某些頻率，而對其他無用的帶外頻率進行衰減抑制。中頻帶通濾波器作為帶通濾波器的一種，主要實現下變頻低中頻信號的濾波，一般工作帶通頻率范圍在100MHz內。中頻帶通濾波器用途非常廣泛，常應用于移動通信、衛星導航、衛星通信設備中，實現抗混疊濾波的抑制。

目前在中頻帶通濾波器工程設計中，設計者需要考慮到盡量采用少種類的器件，降低采購成本與庫存管理成本；采用盡量少的磁環，減少人工繞線工作量，提升工作效率。

二、帶通濾波器設計概述

帶通濾波器的性能主要取決于濾波器的類型結構。常見的帶通濾波器類型有巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數帶通濾波器。巴特沃斯帶通濾波器的特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，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幅度等波紋波動的濾波器。橢圓函數濾波是在通帶和阻帶等波紋的一種濾波器。

幾種濾波器的區別，從傳遞函數來看，巴特沃斯和切比雪夫濾波器的傳輸函數都是一個常數除以一個多項式， 為全極點網絡， 僅在無限大阻帶處衰減為無限大。而橢圓函數濾波器在有限頻率上既有零點又有極點。零極點在通帶內產生等波紋， 阻帶內的有限傳輸零點減少了過渡區， 可獲得極為陡峭的衰減曲線。

帶通濾波器設計步驟如下：1、選擇合適的濾波器類型結構；2、軟件仿真設計；3、硬件設計實現；4、調試測試。

三、設計實現

3.1指標要求

3.2仿真設計

經分析表1指標，其中中頻帶通濾波器帶外抑制指標較高，采用橢圓濾波器能獲得更窄的過渡帶寬和較小的阻帶波動。首先仿真建模，參數設置上，電感Q值選擇60，電容Q值200；再用小信號S參數掃描仿真，讀取仿真參數；然后分析仿真數據。集總參數建模原理圖如下圖1。

仿真結果與圖2、圖3所示，帶外抑制、駐波均滿足設計要求。

3.3 硬件設計實現

硬件設計步驟：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）布板設計：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 調試測試

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

通過對電路的摸索調試，發現把L2和L4由82nH改為100nH，駐波得到明顯改善，如下圖6所示。

由以上步驟和結果發現，只需微調L7、L8、C4、C4參數，帶外抑制指標基本滿足，如下圖7。

電容、電感參數的調整后，最后電路確定如圖8。

由于貼片電感Q值較低，性能不如磁環繞制的性能好。接下來是通過磁環替代電感的方式，來降低帶內損耗。磁環電感Q值大于100。磁環替代電感的方法是，通過并聯諧振電路來確定磁環線圈達到電路上相對應的電感量需要幾圈。我們選用100PF電容，繞制線圈的漆包線選用0.15mm的。通過測量在網分上的諧振頻點，得出磁環電感。首先先換L10、L13電感，換為磁環線圈。可以看到插損有明顯的改善，只換兩個電感就可看到通路插損改善0.3dB，接下來依次換L11、L12；L1、L5；L2、L3、L4；在換的過程中通過調整圈的松緊來變化電感量，使波形最優。最后得出波形如下圖9所示。

由圖9可以看出最后結果非常符合指標，±18MHz抑制已經達到了50dB，±25MHz抑制達到了70dB。插損也只有0.8dB，駐波在±10MHz范圍內都小于1.5。

3.5 實物展示

四、結束語

首先，在工程應用設計中，軟件仿真還是非常重要的，仿真好了實物只需微調就能得出想要的結果。其次器件選型同樣重要，從通路損耗調試過程可以看出手動繞制的磁環線圈明顯優于貼片式繞線電感，并且電感量可以調節，這樣就有使指標達到最優的可能。最后通過上述中頻帶濾波器的設計方法，濾波器設計不再那么復雜，變得很簡單。這種混合式中頻帶通濾波器，器件選擇更靈活，磁環電感和貼片電感可以混用，對工程設計應用有積極的指導意義。

參 考 文 獻

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