一種LC低通濾波器設(shè)計(jì)方法研究

貴州航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 許友坤 高 峯 張 揚(yáng) 李 睿

本文基于在射頻頻段的電感、電容、PCB引線及過(guò)孔的寄生參數(shù)，建立了LC低通濾波器電路模型，并根據(jù)模型優(yōu)化出易于工程實(shí)現(xiàn)的LC濾波器。濾波器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)具有較高的吻合度，證明了濾波器設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性，也為其他射頻電路的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 概述

低通濾波器作為選頻器件，可以用來(lái)抑制干擾信號(hào)和諧波信號(hào)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，LC濾波器廣泛應(yīng)用于微波測(cè)試系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域（寧俊松,羅正祥,羊愷,等.寬阻帶平面低通濾波器的設(shè)計(jì).電子學(xué)報(bào),2008;劉寶強(qiáng),王祖麟.80MHZ 射頻LC低通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014）。

然而，在射頻頻段，電容、電感等構(gòu)成LC濾波器的基本元件，因存在寄生參數(shù)，導(dǎo)致由這些基本元件構(gòu)成的電路偏離預(yù)期設(shè)計(jì)。在射頻電路設(shè)計(jì)中，有時(shí)因未考慮元件寄生參數(shù)的影響，往往導(dǎo)致電路需要通過(guò)大量的調(diào)試來(lái)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，難以實(shí)現(xiàn)電路的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。

本文基于電容、電感、PCB引線和過(guò)孔的寄生參數(shù)，構(gòu)建了LC低通濾波器模型，實(shí)現(xiàn)了截止頻率為500MHz的LC低通濾波器的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。

2 高頻寄生效應(yīng)

元器件在低頻的狀態(tài)下，一般可看作理想的器件，即電感和電容均視為純電感和純電容。但在較高頻率的條件下，器件的特性已偏離其理想特性，需考慮其寄生效應(yīng)的影響（楊玉崗,許平靜.EMI濾波器高頻寄生參數(shù)分析.電源技術(shù),2010）。實(shí)際的電感器具有電損耗特性，Q值是有限的，因此存在一定的電阻；另一方面，由于引線端頭的影響，還存在一定寄生電容。因此，實(shí)際電感的等效電路如圖1所示（楊繼深.電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)與認(rèn)證.電子工業(yè)出版社,2007）。類(lèi)似地，實(shí)際的電容器除了電容量，還有電感和電阻分量，其等效電路如圖2所示。

圖1 實(shí)際電感的等效電路

圖2 實(shí)際電容的等效電路

以PCB為載體來(lái)制作濾波器時(shí)，還需考慮PCB引線和接地過(guò)孔所引起的寄生參數(shù)（電感）的影響。工程實(shí)現(xiàn)中PCB引線及過(guò)孔示意圖如圖3所示。

圖3 PCB引線及過(guò)孔示意圖

PCB引線的電感滿足：

其中，L1為PCB引線的電感，單位為nH；l和W分別為引線的長(zhǎng)度和寬度，單位為cm。

PCB接地過(guò)孔的電感可由如下公式計(jì)算（王貴虎,王東虎.LC濾波器工程設(shè)計(jì)中的考慮事項(xiàng).電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2012）：

其中，L2為過(guò)孔的寄生電感，單位為nH；h和d分別為過(guò)孔的長(zhǎng)度和直徑，單位為in。

3 LC低通濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)某組件電路的需求，需設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為500MHz、1GHz處抑制度大于45dB的低通濾波器，擬采用7階切比雪夫的LC低通濾波器實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)。在ADS中建立如圖4所示的切比雪夫低通濾波器原型電路。

圖4 理想LC濾波器原型電路圖

圖6 濾波器仿真曲線圖

根據(jù)所采用的電感和電容資料，可以計(jì)算出電感和電容的寄生參數(shù)。將理想濾波器原型電路圖中的電感和電容分別用對(duì)應(yīng)的等效電路代替。同時(shí)，考慮實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中的PCB引線和過(guò)孔對(duì)應(yīng)的等效電感。此外，理論計(jì)算得到的部分電感和電容值并不是工程應(yīng)用中各元器件的優(yōu)選值，因而需要通過(guò)其他方式等效得到需要的元件值。如9.4pF的電容，可以用優(yōu)選值系列中兩個(gè)4.7pF電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化仿真，得到濾波器等效電路圖和仿真曲線分別如圖5和圖6所示。

4 濾波器實(shí)物測(cè)試

根據(jù)上節(jié)中優(yōu)化得到的濾波器結(jié)構(gòu)，完成濾波器的制作。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試起始頻率為40MHz，截止頻率為1.5GHz，濾波器的S參數(shù)測(cè)試曲線如圖7所示。

圖7 濾波器S參數(shù)測(cè)試曲線圖

圖5 濾波器等效電路圖

由圖6可知，在500MHz處的插入損耗約為2.69dB，1GHz處的抑制度約為83dB；由圖7可得，500MHz處的插入損耗約為2.76dB，1GHz處的抑制度約為87dB。因此，基于電感、電容、PCB引線和過(guò)孔的寄生參數(shù)后設(shè)計(jì)得到的濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果與電路仿真結(jié)果具有較高的吻合度，證明了該種設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文介紹了一種LC低通濾波器設(shè)計(jì)方法，基于在射頻頻段電感、電容、PCB引線及過(guò)孔存在的寄生參數(shù)，優(yōu)化得到易于工程實(shí)現(xiàn)的濾波器電路模型，并完成電路仿真與實(shí)物測(cè)試。結(jié)果表明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)具有較高的吻合度，證明了濾波器設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。同時(shí)，該方法也為其他射頻電路的設(shè)計(jì)提供了參考。

參考：寧俊松，羅正祥，羊愷等，寬阻帶平面低通濾波器的設(shè)計(jì)：電子學(xué)報(bào)，2008；劉寶強(qiáng)，王祖麟，80MHZ射頻LC低通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014；楊玉崗，許平靜，EMI濾波器高頻寄生參數(shù)分析：電源技術(shù)，2010；楊繼深，電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)與認(rèn)：電子工業(yè)出版社，2007；王貴虎，王東虎，LC濾波器工程設(shè)計(jì)中的考慮事項(xiàng)：電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2012。