考慮器件標(biāo)稱化的帶通濾波器仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁愛霞 房少軍 王志鵬 王智森

關(guān)鍵詞： 帶通濾波器; 電感; 電容; 標(biāo)稱值; 優(yōu)化設(shè)計(jì); ADS

中圖分類號： TN713?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）04?0065?06

Simulation and optimization design of band?pass filter considering device normalization

YUAN Aixia1，2， FANG Shaojun1， WANG Zhipeng2， WANG Zhisen2

（1. Antenna and Microwave Institute， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China;

2. School of Information Science and Engineering， Dalian Polytechnic University， Dalian 116034， China）

Abstract： The inductance and capacitance values calculated by the traditional filter design method can not match the values of inductance and capacitance purchased in the market， which leads to technical index decrease of the developed filter. Therefore， an improved optimization design method of the LC band?pass filter is proposed. The ADS is used to conduct the simulation and optimization of the circuit， so as to make the simulation results more closer to the actual test values. In comparison with the traditional method， the filter designed in this paper can improve the performance of the actual filter， and make all component values match nominal values of the devices sold in the market by means of optimization， which resolves the performance deterioration problem of the filter caused by the fact that the values of the purchased devices are not exactly the same with the calculated values.

Keywords： band?pass filter; inductance; capacitance; nominal value; optimization design; ADS

0 ?引 ?言

濾波器在各種電子線路中得到了廣泛應(yīng)用，其設(shè)計(jì)質(zhì)量對電路的抗干擾性、工作穩(wěn)定性和信噪比等技術(shù)指標(biāo)都有重要的影響[1]。濾波器作為無線通信應(yīng)用領(lǐng)域的重要器件，無失真地從日益緊缺的頻帶資源內(nèi)獲取所需的信號并抑制其他無用的信號，為濾波器的設(shè)計(jì)提出了苛刻的要求。在無源濾波器設(shè)計(jì)的過程中，文獻(xiàn)[2]在設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)僅考慮了減少元器件數(shù)目，并改進(jìn)性能，文獻(xiàn)[3]利用ADS進(jìn)行集總參數(shù)帶通濾波器優(yōu)化分析改進(jìn)性能;均沒有考慮元器件的標(biāo)稱化問題，不利于濾波器的實(shí)際制作。

由于計(jì)算機(jī)輔助軟件的發(fā)展，集總參數(shù)帶通濾波器的設(shè)計(jì)可以直接由射頻電路仿真軟件ADS中的設(shè)計(jì)向?qū)瓿?。設(shè)定濾波器原型及通帶阻帶特性參數(shù)，ADS就可以自動給出濾波器的電路圖[2?6];但是這種方法計(jì)算出的電感和電容值均是理論計(jì)算值，并不是實(shí)際能在市場上購置到的元件值即器件的標(biāo)稱值，使仿真結(jié)果對實(shí)際制作的參考性不強(qiáng)。

本文提出一種改進(jìn)的LC帶通濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，借助ADS對電路進(jìn)行優(yōu)化，并且使電感、電容值變?yōu)槭袌錾夏苜徶玫降钠骷?biāo)稱值，使仿真結(jié)果更接近于實(shí)際測試值，保證了實(shí)際制作濾波器的性能。

1 ?傳統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)

1.1 ?帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)

帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)中心頻率為70 MHz;通帶帶寬（BW3 dB）為4 MHz;60 MHz，80 MHz處衰減 ≥15 dB;輸入/輸出阻抗均為50 Ω。

1.2 ?窄帶濾波器的理論設(shè)計(jì)

1） 計(jì)算幾何對稱頻率

首先計(jì)算幾何中心頻率[7?8][f0]（單位：MHz）：

[f0=fLfU=69.97] （1）

式中：[fL]，[fU]分別表示帶通濾波器的3 dB截止頻率。其次計(jì)算幾何對稱頻率：

[f1f2=f20] （2）

式中，[f1，f2]對分別表示阻帶處衰減15 dB的頻率。對每個給出的阻帶頻率，由式（2）計(jì)算相應(yīng)的幾何對稱頻率。兩對頻率分別為：[f1=60 MHz， f2=81.6 MHz， ?f2-f1=21.6 MHz; ][f1=61.2 MHz， f2=80 MHz， f2-f1=18.8 MHz]。

根據(jù)理論分析，應(yīng)取頻差小的一對幾何對稱頻率，故：[BW15 dB=18.8 MHz]。

2） 計(jì)算帶通陡度系數(shù)

[As=阻帶帶寬通帶帶寬=18.84=4.7] （3）

3） 選擇歸一化低通濾波器

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，查歸一化曲線表，取[n=4]得巴特沃斯歸一化低通濾波器的電路形式如圖1所示，元件參數(shù)如表1所示。

4） [Z0=]50 Ω，[fc=4] MHz對低通濾波器去歸一化

[FSF=2πfc=2.51×107] （4）

[L′1=L1×Z0FSF=1.52 μH ? ] （5）

[C′2=C2FSF×Z0=1.47 nF ] （6）

[L′3=L3×Z0FSF=3.68 μH] （7）

[C′4=C4FSF×Z0=0.61 nF] （8）

式中：FSF表示頻率標(biāo)定系數(shù);[L′1，C′2，L′3，C′4]分別為去歸一化后電容、電感的元器件值。

5） 將低通濾波器變?yōu)閹V波器

低通到帶通的變換，每個電容并聯(lián)一個電感使之諧振，每個電感串聯(lián)一個電容使之諧振，諧振頻率為：

[f0=69.971 4 MHz]

[C″1=1（2πf0）2L′1=3.40 pF] （9）

[L″2=1（2πf0）2C′2=3.52 nH] （10）

[C″3=1（2πf0）2L′3=1.41 pF] （11）

[L″4=1（2πf0）2C′4=8.49 nH] （12）

式中，[C″1，L″2，C″3，L″4]分別是帶通濾波器所需元器件的理論值，圖2中分別用[C1，L2，C3，L4]代替。其他元器件值可類似計(jì)算，所得帶通濾波器如圖2所示。

器件參數(shù)如表2所示，此時(shí)表中均為電感、電容的理論計(jì)算值。

采用ADS對圖2所示帶通濾波器進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3為理想電路模型的濾波器傳輸特性圖，電感、電容均為理論計(jì)算值，通帶帶寬為4 MHz，中心頻率處插入衰減為0 dB，幾乎沒有損耗。

2 ?問題與解決方法

當(dāng)考慮制作這個濾波器時(shí)，發(fā)現(xiàn)與電感、電容的理論計(jì)算值完全相同的器件幾乎沒有，只有近似值，如表3所示。

按照表3所示的電感、電容值進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。由于與理論計(jì)算值存在誤差，使濾波器的插入損耗增大，因此需要對濾波器電路進(jìn)行優(yōu)化，降低插入損耗，以符合設(shè)計(jì)要求。

2.1 ?帶通濾波器優(yōu)化

為了實(shí)際制作濾波器，需要將理論計(jì)算值替換成可在市場購置到的電感、電容值，因此需要對濾波器電路進(jìn)行相應(yīng)的變換，以保證實(shí)際制作濾波器的性能。

2.1.1 ?電感值的確定與統(tǒng)一

由文獻(xiàn)[7，9?10]知，在濾波器的實(shí)際制作中，電感的Q值直接影響帶通濾波器的衰減和過渡帶陡峭程度。首先估計(jì)所用電感Q值下限，減小Q值對濾波器衰減的影響。

[Qbp=f0BW3 dB=17.49 ] （13）

[Qmin（BP）=Qmin（LP）×Qbp≈35] （14）

式中，Qmin（LP）由文獻(xiàn)[9]獲得。即帶通濾波器中所用電感的Q值應(yīng)當(dāng)大于35。

根據(jù)式（13）確定電感的型號與數(shù)值，本文選用村田電感LQW2BAN39NG00（39 nH），其Q值性能如圖5所示，可知滿足要求，并且是市場所售器件值。

為了把電感的理論設(shè)計(jì)值變成滿足Q值要求的電感值，通過在電路中插入變壓器的方法將電感變?yōu)榻y(tǒng)一值39 nH，如圖6所示。電路中元器件值及變壓器比值如表4所示。表4中N表示變壓器原邊與副邊的比值。

由于變壓器存在各種寄生參數(shù)很難實(shí)現(xiàn)，利用諾頓變換將變壓器替換掉，變換后的電路如圖7所示，元器件值如表5所示。

電路性能如圖8所示，此時(shí)選擇了滿足Q值要求的電感，插入損耗在中心頻率處約為8.4 dB。

2.1.2 ?改變電容值為正值

在圖7電路中電容存在負(fù)值，需要插入變壓器對電路進(jìn)行變換，使電容變?yōu)榭捎弥?，如圖9所示。電路中各元器件的參數(shù)和變壓器比值如表6所示。電容已經(jīng)變?yōu)槔碚撚?jì)算可用值，但是此時(shí)電容值仍不是在市場可購置到的標(biāo)稱值。

2.1.3 ?網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配

由圖8可看出，帶通濾波器插入損耗值仍然很大。電感損耗電阻的加入導(dǎo)致輸入端與濾波器網(wǎng)絡(luò)之間以及濾波網(wǎng)絡(luò)與輸出端之間的阻抗不匹配，所以插入損耗增加明顯。利用等效阻抗變換，讓兩者之間進(jìn)行阻抗匹配。在阻抗變換過程中，需引入變壓器、諾頓變換和PI?T變換。

阻抗匹配后的電路如圖10所示，輸入/輸出阻抗均為50 Ω。

經(jīng)過阻抗匹配后，濾波器傳輸曲線如圖11所示，插入損耗在3 dB之內(nèi)，改善了濾波器的性能。

2.1.4 ?電容值優(yōu)化計(jì)算與標(biāo)稱化

計(jì)算電路傳輸函數(shù)[H（s）]對于各電容的靈敏度，即：

[SHCis=CiHs·?Hs?Ci] （15）

電容C1的靈敏度曲線如圖12所示。

電容優(yōu)化的參考順序?yàn)椋河伸`敏度值從大到小優(yōu)化，在電容靈敏度相同的情況下，由電容值從大到小優(yōu)化固定。

將各電容優(yōu)化為可在市場上購置到的標(biāo)稱值的方法，如圖13所示。

通過以上步驟的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到的電路圖如圖14所示，元件參數(shù)型號見表8，此時(shí)電感、電容均已經(jīng)變成實(shí)際可在市場購置到的標(biāo)稱值。

2.2 ?仿真與性能對比

對圖14所示優(yōu)化后的濾波器電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖15所示。

由圖15的仿真曲線可以看出，用改進(jìn)后的方法設(shè)計(jì)出的濾波器，在中心頻率附近插入損耗3 dB以內(nèi)，在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的60 MHz和80 MHz處衰減達(dá)15 dB以上，滿足設(shè)計(jì)要求。比圖4所示的濾波器性能有了顯著改善，并且電感變?yōu)?9 nH，電容變?yōu)?80 pF，360 pF等實(shí)際可在市場購置到的標(biāo)稱值。

3 ?結(jié) ?語

濾波器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的電感、電容值并不能與市場上購置的電感、電容值完全對應(yīng)，導(dǎo)致制作的濾波器技術(shù)指標(biāo)降低，使理論設(shè)計(jì)與實(shí)際制造有著較大的偏差。針對以上情況，本文以帶通濾波器設(shè)計(jì)為例，提出一種改進(jìn)的濾波器設(shè)計(jì)方法。該方法能在ADS的輔助下，使原電感1.52 μH等理論值變?yōu)?9 nH，原電容3.4 pF變?yōu)?80 pF等實(shí)際可在市場購置到的標(biāo)稱值，并且比圖4所示用市場可購置到的近似器件值所設(shè)計(jì)濾波器的插入損耗顯著減少。

注：本文通訊作者為房少軍。

參考文獻(xiàn)

[1] WILLIAMS A B.模擬濾波器與電路設(shè)計(jì)手冊[M].路秋生，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2016.

WILLIAMS A B. Handbook of analog filter and circuit design [M]. LU Qiusheng， translation. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2016.

[2] 楊洋，高玉良，翁呈祥.基于ADS的100～500 MHz帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，28（5）：363?364.

YANG Yang， GAO Yuliang， WENG Chengxiang. Design of 100?500 MHz band?pass filter based on ADS [J]. Journal of Air Force Warning Academy， 2014， 28（5）： 363?364.

[3] 楊柱，朱倩倩，艾治余，等.基于ADS的集總參數(shù)帶通濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014（14）：147?149.

YANG Zhu， ZHU Qianqian， AI Zhiyu， et al. Optimization design of lumped parameter band?pass filter based on ADS [J]. Shandong industrial technology， 2014（14）： 147?149.

[4] 劉硯濤，劉玉蓓，尹偉.LC濾波器設(shè)計(jì)方法介紹及其仿真特性比較[J].電子測量技術(shù)，2010，33（5）：17?21.

LIU Yantao， LIU Yubei， YIN Wei. Introduction of design methods of LC filter and simulation of responding characteristics [J]. Electronic measurement technology， 2010， 33（5）： 17?21.

[5] 潘博文.集總參數(shù)LC濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

PAN Bowen. Research on the design and application of lumped parameter LC filter [D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2008.

[6] 郭曉初.基于ADS的射頻集總低通濾波器的設(shè)計(jì)[J].信息通信，2015（12）：266?267.

GUO Xiaochu. Design of ADS?based RF lumped low?pass filter [J]. Information & communications， 2015（12）： 266?267.

[7] 森榮二，薛培鼎.LC濾波器設(shè)計(jì)與制作[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

SEN Ronger， XUE Peiding. Design and fabrication of LC filter [M]. Beijing： Science Press， 2006.

[8] WILLIAMS A B， TAYLOR F J.電子濾波器設(shè)計(jì)[M].寧彥卿，姚金科，譯.北京：科學(xué)出版社，2008.

WILLIAMS A B， TAYLOR F J. Design of electronic filter [M]. NING Yanqing， YAO Jinke， translation. Beijing： Science Press， 2008.

[9] 王大壽，趙濤.LC濾波器的小型化制作與生產(chǎn)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（4）：61?67.

WANG Dashou， ZHAO Tao. Miniaturization and production of LC filter [J]. Journal of Dalian Maritime University， 1994（4）： 61?67.

[10] 朱旭.負(fù)載變化對設(shè)計(jì)二端口網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的影響[D].大連：大連海事大學(xué)，2009.

ZHU Xu. Impact of load change on the design of two?port network transmission characteristics [D]. Dalian： Dalian Maritime University， 2009.

[11] 張玲玲.低損耗V波段波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

ZHANG Lingling. Design of low loss V band waveguide band?pass filter [D]. Nanjing： Nanjing University of Science and Technology， 2013.