吳見平 周 宇 陳國帥

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

利用Filter Solutions輔助設(shè)計(jì)濾波器

吳見平 周 宇 陳國帥

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

介紹一種濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件Filter Solutions，利用其設(shè)計(jì)一款常用的帶通濾波器，并將仿真曲線與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較。

Filter Solutions；濾波器；輔助設(shè)計(jì)

1 引言

廣義上的濾波器深入到我們生活中的每一個(gè)角落，人眼對圖像的反應(yīng)符合低通濾波器的特征，人耳對聲音的反應(yīng)則符合帶通濾波器的特征。隨著近年來電子工業(yè)的飛速發(fā)展，濾波器已成為電子技術(shù)應(yīng)用中不可缺少的基礎(chǔ)器件之一，尤其廣泛地應(yīng)用于通信領(lǐng)域。能快捷而準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出預(yù)期特性的濾波器已成為所有電子工程師越來越強(qiáng)烈的需要。

2 概述

濾波器種類多種多樣，從其選頻特性上可分為低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器等；從其工作原理上可分為有源濾波器、無源濾波器、晶體濾波器、介質(zhì)濾波器、腔體濾波器、微帶線濾波器、聲表面波濾波器、開關(guān)電容濾波器和數(shù)字濾波器等等。

Filter Solutions是由Nuhertz Technologies開發(fā)的一款專業(yè)的濾波器設(shè)計(jì)軟件，可供選擇的濾波器包括無源濾波器、微帶線式濾波器、有源濾波器、開關(guān)電容濾波器和數(shù)字濾波器。

3 軟件介紹

現(xiàn)在使用最廣泛的版本是Filter Solutions V10.0，本文也使用該版本。Filter Solutions軟件主界面主要包含6個(gè)區(qū)域，如圖1所示。區(qū)域1～區(qū)域6依次用于設(shè)置濾波器類型、濾波器屬性、電路參數(shù)、濾波器種類、頻率單位、頻率（或時(shí)間）范圍。

圖1 Filter Solutions軟件主界面

3.1 濾波器類型選擇

從區(qū)域1選擇濾波器的類型，F(xiàn)ilter Solutions提供有高斯型、貝塞爾型、巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型、霍格拉斯型、橢圓函數(shù)型、自定義型、升余弦型、匹配型、延遲型。各類濾波器特點(diǎn)如下：

（1）高斯濾波器具有最平緩的通帶滾降特性及最低的時(shí)延。

（2）貝塞爾濾波器作為低通濾波器時(shí)，其通帶內(nèi)的時(shí)延近乎恒定。

（3）巴特沃斯濾波器具有最平坦的通帶，且群時(shí)延也比較適中。

（4）切比雪夫Ⅰ型濾波器具有最陡峭的過渡帶和最大的群時(shí)延。

（5）切比雪夫Ⅱ型濾波器與切比雪夫Ⅰ型濾波器正好相反，具有最平坦的通帶，適中的群時(shí)延，和等波紋的阻帶。

（6）霍格拉斯濾波器與切比雪夫Ⅱ型濾波器類似，但具有更陡峭過渡帶，更高的群時(shí)延，和更大的阻帶衰減。其通帶具有輕微的波紋。

（7）橢圓函數(shù)濾波器具有等波紋的通帶，陡峭的過渡帶，高的群時(shí)延，和最大的阻帶衰減。

（8）自定義濾波器可通過輸入 S參數(shù)來自主構(gòu)建濾波器。

（9）升余弦濾波器的顯著特點(diǎn)是對稱的頻率響應(yīng)和通帶恒定的時(shí)延。其理想的頻率響應(yīng)是一個(gè)升余弦函數(shù)。

（10）匹配濾波器的顯著特點(diǎn)是其階躍響應(yīng)接近一個(gè)斜面，其沖激響應(yīng)接近一個(gè)脈沖。

（11）延遲濾波器類似于一個(gè)傳輸延遲，它偶爾也用于對信號(hào)進(jìn)行時(shí)域上的延遲。

3.2 濾波器種類選擇

從區(qū)域4選擇濾波器的種類，F(xiàn)ilter Solutions提供：低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器、帶阻濾波器、雙工器1、雙工器2。

3.3 濾波器屬性設(shè)置

從區(qū)域2設(shè)置濾波器的各項(xiàng)屬性，常用的濾波器屬性有：階數(shù)、通帶衰減、中心頻率、通帶寬度、阻帶寬度、截止頻率、通帶頻率、阻帶頻率、阻帶比率、通帶波紋、時(shí)延補(bǔ)償。

通常情況下，濾波器階數(shù)、通帶衰減及阻帶比率越大，過渡帶越陡峭。對于低通濾波器或帶通濾波器，若對群時(shí)延有要求時(shí)，可選擇“時(shí)延補(bǔ)償”，使得通帶內(nèi)時(shí)延趨于一致，以減小群時(shí)延。

3.4 電路參數(shù)設(shè)置

從區(qū)域3對無源濾波器電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并可以直接查看仿真出濾波器的性能特性。常用的電路參數(shù)有：電壓源、電流源、首個(gè)元件并聯(lián)、首個(gè)元件串聯(lián)、源阻抗、負(fù)載阻抗、默認(rèn)電容器Q值、默認(rèn)電感器Q值。一般情況下，驅(qū)動(dòng)端為電壓源，源阻抗及負(fù)載阻抗都是 50Ω.選擇“首個(gè)元件并聯(lián)”可減小濾波器體積。

可直接查看的濾波器性能特性有：傳遞函數(shù)、時(shí)域響應(yīng)、極零點(diǎn)圖、頻率響應(yīng)、反射系數(shù)，其中最常用的是頻率響應(yīng)。

3.5 其它設(shè)置

從區(qū)域5設(shè)置頻率單位，從區(qū)域6設(shè)置曲線的頻率（或時(shí)間）范圍。

3.6 軟件擴(kuò)展功能

Filter Solutions還提供一個(gè)很實(shí)用的功能：在區(qū)域2按鈕“part1”、“part2”、“part3”輸入標(biāo)準(zhǔn)的電阻值、電容值、電感值，可使軟件提供的電路中使用這些標(biāo)準(zhǔn)器件，大大地方便設(shè)計(jì)者構(gòu)建實(shí)際電路。而且設(shè)計(jì)者可以在軟件提供的電路中編輯所有器件，使用各集總器件的等效電路模型，使仿真曲線更逼近實(shí)際情況，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)精度。

4 濾波器設(shè)計(jì)

帶通濾波器使用最為廣泛，以下利用Filter Solutions設(shè)計(jì)一個(gè)有線電視傳輸系統(tǒng)中使用的帶通濾波器。

4.1 電路設(shè)計(jì)與仿真

在Filter Solutions主界面中進(jìn)行如下設(shè)置：濾波器類型為橢圓函數(shù)濾波器，濾波器種類為帶通濾波器，階數(shù)為 5階，通帶上、下限截止頻率分別為110MHz、440MHz，通帶衰減3dB，通帶波紋0.5dB，阻帶比率為1.1，信號(hào)源為電壓源，首個(gè)元件并聯(lián)，源阻抗為50Ω，負(fù)載阻抗為50Ω，默認(rèn)電容器Q值為無窮大，默認(rèn)電感器Q值為無窮大。如圖1所示。

設(shè)置完畢后查看電路，將Filter Solutions給出的電路中非標(biāo)準(zhǔn)器件更改至最接近的標(biāo)準(zhǔn)值，如圖2所示。

圖2 濾波器電路圖

電路仿真出的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 濾波器仿真頻率響應(yīng)曲線

4.2 電路裝配與測試

按圖2裝配電路板，如圖4所示。

圖4 濾波器電路板圖

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試電路板，實(shí)測得到頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 濾波器實(shí)測頻率響應(yīng)曲線

4.3 仿真與實(shí)測對比

將圖3與圖5進(jìn)行對比，可發(fā)現(xiàn)仿真曲線與實(shí)測曲線非常接近。兩條曲線中各取有4個(gè)典型頻率點(diǎn)，各頻點(diǎn)衰減量差異在3dB以內(nèi)。由于分布參數(shù)的影響，并且實(shí)際使用的電容器、電感器不可能是理想的，其Q值不可能無窮大，所以實(shí)測的頻響曲線中，濾波器插入損耗比仿真曲線中的理想值要大，阻帶衰減較小，過渡帶也不如仿真曲線陡峭，但已經(jīng)能很好地滿足實(shí)際使用要求。

5 結(jié)束語

以上利用Filter Solutions設(shè)計(jì)了一款常用的帶通濾波器，設(shè)計(jì)過程簡單快捷，實(shí)測結(jié)果能很好地吻合預(yù)期的濾波器特性。利用Filter Solutions輔助設(shè)計(jì)能將電子工程師從繁重的公式計(jì)算、參數(shù)轉(zhuǎn)換中解脫出來，給設(shè)計(jì)工作帶來極大的便利。

[1] 彭文標(biāo).Tchebyshev帶通濾波器的設(shè)計(jì)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,28(2):151-153.

[2] 陳昭炎.高階帶通濾波器的設(shè)計(jì)[J].嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,25(6):13-18.

Use Filter Solutions aid filter design

Introduce a software—Filter Solutions,which aid to design filter.Use it to digign a common band pass filter ,then compare the result of realistic measure to the simulat curve.

Filter Solutions；filter；aid design

TN713

A

1008-1151(2012)03-0009-02

2012-01-16

吳見平（1981－），男，湖北監(jiān)利人，供職于中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，從事模擬光通信系統(tǒng)與設(shè)備的研究與開發(fā)工作。