基于橢圓函數(shù)的LC帶通濾波器設(shè)計與仿真

濾波器類型的選擇可根據(jù)濾波器設(shè)計的帶寬等指標和具體的應(yīng)用場合來選擇。相對帶寬在20%以下的為窄帶濾波器，應(yīng)選用窄帶濾波器的設(shè)計方法來設(shè)計;相對帶寬在40%以上的為寬帶濾波器，應(yīng)選用寬帶濾波器的設(shè)計方法來設(shè)計;而介于兩者之間的為中等帶寬濾波器。由上面的指標可以看出本濾波器是窄帶帶通濾波器。

采用巴特沃斯濾波器來設(shè)計可以使通帶內(nèi)具有最大平坦的幅頻響應(yīng);而切比雪夫濾波器的好處是：帶外抑制好，但是帶內(nèi)有一定的波動;本文設(shè)計的濾波器要求帶外近端抑制良好(可以用切比雪夫濾波器或橢圓函數(shù)濾波器來實現(xiàn)，但是從后面的分析看要使用LC濾波器，而用LC濾波器的話，使用切比雪夫形式電路元件的值過于小，很難實現(xiàn)，這個可以用軟件仿真來說明)，以此可以看出，用橢圓函數(shù)濾波器更適合。

微帶濾波器通過采用不同的襯底材料可以在很大的頻率范圍內(nèi)應(yīng)用(從幾百MHz到幾十GHz);同軸濾波器由于其微小的尺寸，制作精度很難達到;波導濾波器在小信號電平上，它的頻率基本是8~100 GHz;陶瓷介質(zhì)濾波器體積大，形狀因子與品質(zhì)因數(shù)較小;LC濾波器適用于本濾波器頻段，且較容易制作和調(diào)試。

綜上，本設(shè)計采用：橢圓函數(shù)LC帶通濾波器進行設(shè)計。設(shè)計指標如下：

中心頻率為450 MHz;工作帶寬為20 MHz;帶內(nèi)插損為<3 dB;帶外抑制為-40 dB.

1 關(guān)于濾波器階數(shù)N 的選擇

濾波器級數(shù)N 是一個重要的參數(shù)，它的選擇直接影響到濾波器的性能，特別是濾波器的插損和帶外特性，所以N 的選擇非常重要。

先對可能用到的一些概念和公式進行簡單的說明。

對于終端短路式濾波器其濾波器級數(shù)N 應(yīng)滿足下面關(guān)系式：

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對于帶通濾波器，起相對帶寬小于20%,所以其屬于窄帶濾波器。

由上面的公式可以算出：N 必須大于或等于3,才能滿足上面的近似指標。

2 關(guān)于橢圓函數(shù)LC帶通濾波器的仿真及設(shè)計

對電路各元件值先進行簡單的假定，通過運用ADS進行仿真來審查，并進行優(yōu)化。

根據(jù)所給指標設(shè)計的電路圖進行仿真。圖1 是根據(jù)所設(shè)定的原理圖進行的仿真。從仿真圖中可以看出，該電路的元件值并不能達到所要求的指標。首先，本設(shè)計要求中心頻率在450 MHz,但是此電路的中心頻率有一定的偏移;而且從圖中明顯看出帶外抑制并不良好，無法達到所要求的指標;而且?guī)?nèi)插損也比較大;單單從電路元件的值上看，線圈的值比較小，在制作過程中比較難繞制，比較難實現(xiàn)。

綜合上面的分析，此電路圖的元件值需要進行一定的調(diào)整。

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經(jīng)過一系列的調(diào)整、仿真，最后得到如圖2 所示的電路原理圖和仿真圖。

從此電路仿真圖可以看出中心頻率準確的落在450 MHz上，帶內(nèi)插損比較小，而且?guī)庖种埔脖容^明顯，而且線圈的值相對并不是很小，實際上可以實現(xiàn)，基本上符合制作要求，予以采用。到此本節(jié)設(shè)計仿真結(jié)束，下面進行此電路的制板。

3 關(guān)于橢圓函數(shù)LC帶通濾波器的電路的制板

根據(jù)第1 節(jié)得出的電路圖，可以進行電路的制板。

此過程采用軟件Protel 99 se來設(shè)計完成。

4 制作此橢圓函數(shù)LC帶通濾波器及其調(diào)試

首先是線圈的繞制。根據(jù)以上的結(jié)論，線圈的繞制是關(guān)鍵的過程。最大的是250.2 nH,最小的是19.27 nH.

本電感采用漆包線進行繞制(所以在將線圈焊制到電路板上之前，將線圈焊腳外部的漆用小刀刮去)，繞制250.2 nH的線圈，根據(jù)以往對電感線圈的了解和對此線圈的假設(shè)，先繞制7圈，進行測試和調(diào)節(jié)。本設(shè)計的電容是采用陶瓷貼片電容，由于該電容的Q 值比較低，因此本濾波器的帶內(nèi)插損并不能如同仿真那樣好，只能調(diào)到-4 dB左右，而且本濾波器的駐波系數(shù)會比較大。
將第一個繞制的250.2 nH 的線圈和一個0.5 pF 的電容焊制到電路板后，進行第一次網(wǎng)絡(luò)分析儀測量。第一次測量發(fā)現(xiàn)中心頻率發(fā)生偏移，大于450 MHz,可得到，是由于線圈匝數(shù)過大造成的，因此要適當?shù)臏p小線圈的匝數(shù)，然后將調(diào)整過的線圈焊制到電路板上再進行調(diào)試。此過程將進行幾次，當中心頻率落在450 MHz或十分接近450 MHz的時候，表示線圈值基本準確，可以進行下一步。

將另一個繞制的250.2 nH 的線圈和一個0.5 pF 的電容，按照之前設(shè)計的電路進行焊制并用網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試。雖然此次的線圈值和第一個值是一樣的，但是由于貼片電容制作上的誤差以及線圈繞制的誤差等等因素，使得此線圈并不是完全和第一個匝數(shù)一樣，所以還要進行多次測量調(diào)試和修改才能達到所要求的值。

最后一步是焊制，此過程與23.88 nH線圈的繞制基本相同。接下來就是對整個濾波器進行調(diào)整，以達到最好的制作指標。

5 結(jié)語

要設(shè)計一個濾波器，首先要分析濾波器的技術(shù)指標，選擇合適的濾波器形式，確定濾波器的級數(shù)，分析濾波器的帶外特性以及通帶特性，估算濾波器中心衰減和帶外抑制的大小，對濾波器進行合理的設(shè)計與計算，最后要對濾波器進行仿真優(yōu)化，直至達到滿意的技術(shù)指標。接著就可以制板，并加工調(diào)試。

在調(diào)試的過程中，容易忽略電路所產(chǎn)生的寄生電容和寄生電感對整個電路的影響。在對波形進行調(diào)試的時候，只對線圈進行了調(diào)整，忽略了電容的影響。本身很小的電容在寄生電容的疊加下，可能會比較大的改變開始仿真時候的值。在測試的時候，應(yīng)該對幾個比較小的電容進行適當?shù)恼{(diào)整并測試，這樣才能比較好的滿足所要求的性能指標。