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        一種中頻帶通濾波器設(shè)計(jì)方法

        2015-05-30 09:29:43張品春高建
        中國(guó)新通信 2015年15期
        關(guān)鍵詞:磁環(huán)

        張品春 高建

        【摘要】 本文對(duì)帶通濾波器的設(shè)計(jì)概述,并利用設(shè)計(jì)軟件ADS對(duì)所設(shè)計(jì)的中頻帶通濾波器進(jìn)行仿真,最后介紹了一種磁環(huán)替代電感的實(shí)現(xiàn)方法來調(diào)試濾波器帶外抑制特性。本文實(shí)現(xiàn)的一種新型混合型中頻帶通濾波器設(shè)計(jì)方法,對(duì)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用有積極的指導(dǎo)意義。

        【關(guān)鍵詞】 混合型 磁環(huán) 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(duì)其他無用的帶外頻率進(jìn)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(shí)現(xiàn)下變頻低中頻信號(hào)的濾波,一般工作帶通頻率范圍在100MHz內(nèi)。中頻帶通濾波器用途非常廣泛,常應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信設(shè)備中,實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波的抑制。

        目前在中頻帶通濾波器工程設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)者需要考慮到盡量采用少種類的器件,降低采購(gòu)成本與庫(kù)存管理成本;采用盡量少的磁環(huán),減少人工繞線工作量,提升工作效率。

        二、帶通濾波器設(shè)計(jì)概述

        帶通濾波器的性能主要取決于濾波器的類型結(jié)構(gòu)。常見的帶通濾波器類型有巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)帶通濾波器。巴特沃斯帶通濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)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(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器。橢圓函數(shù)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(qū)別,從傳遞函數(shù)來看,巴特沃斯和切比雪夫?yàn)V波器的傳輸函數(shù)都是一個(gè)常數(shù)除以一個(gè)多項(xiàng)式, 為全極點(diǎn)網(wǎng)絡(luò), 僅在無限大阻帶處衰減為無限大。而橢圓函數(shù)濾波器在有限頻率上既有零點(diǎn)又有極點(diǎn)。零極點(diǎn)在通帶內(nèi)產(chǎn)生等波紋, 阻帶內(nèi)的有限傳輸零點(diǎn)減少了過渡區(qū), 可獲得極為陡峭的衰減曲線。

        帶通濾波器設(shè)計(jì)步驟如下:1、選擇合適的濾波器類型結(jié)構(gòu);2、軟件仿真設(shè)計(jì);3、硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn);4、調(diào)試測(cè)試。

        三、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

        3.1指標(biāo)要求

        3.2仿真設(shè)計(jì)

        經(jīng)分析表1指標(biāo),其中中頻帶通濾波器帶外抑制指標(biāo)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(dòng)。首先仿真建模,參數(shù)設(shè)置上,電感Q值選擇60,電容Q值200;再用小信號(hào)S參數(shù)掃描仿真,讀取仿真參數(shù);然后分析仿真數(shù)據(jù)。集總參數(shù)建模原理圖如下圖1。

        仿真結(jié)果與圖2、圖3所示,帶外抑制、駐波均滿足設(shè)計(jì)要求。

        3.3 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

        硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì):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(diào)試測(cè)試

        焊板初調(diào)。測(cè)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(yōu)化端口駐波比。

        通過對(duì)電路的摸索調(diào)試,發(fā)現(xiàn)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(jié)果發(fā)現(xiàn),只需微調(diào)L7、L8、C4、C4參數(shù),帶外抑制指標(biāo)基本滿足,如下圖7。

        電容、電感參數(shù)的調(diào)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(huán)繞制的性能好。接下來是通過磁環(huán)替代電感的方式,來降低帶內(nèi)損耗。磁環(huán)電感Q值大于100。磁環(huán)替代電感的方法是,通過并聯(lián)諧振電路來確定磁環(huán)線圈達(dá)到電路上相對(duì)應(yīng)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(cè)量在網(wǎng)分上的諧振頻點(diǎn),得出磁環(huán)電感。首先先換L10、L13電感,換為磁環(huán)線圈??梢钥吹讲鍝p有明顯的改善,只換兩個(gè)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(diào)整圈的松緊來變化電感量,使波形最優(yōu)。最后得出波形如下圖9所示。

        由圖9可以看出最后結(jié)果非常符合指標(biāo),±18MHz抑制已經(jīng)達(dá)到了50dB,±25MHz抑制達(dá)到了70dB。插損也只有0.8dB,駐波在±10MHz范圍內(nèi)都小于1.5。

        3.5 實(shí)物展示

        四、結(jié)束語

        首先,在工程應(yīng)用設(shè)計(jì)中,軟件仿真還是非常重要的,仿真好了實(shí)物只需微調(diào)就能得出想要的結(jié)果。其次器件選型同樣重要,從通路損耗調(diào)試過程可以看出手動(dòng)繞制的磁環(huán)線圈明顯優(yōu)于貼片式繞線電感,并且電感量可以調(diào)節(jié),這樣就有使指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的可能。最后通過上述中頻帶濾波器的設(shè)計(jì)方法,濾波器設(shè)計(jì)不再那么復(fù)雜,變得很簡(jiǎn)單。這種混合式中頻帶通濾波器,器件選擇更靈活,磁環(huán)電感和貼片電感可以混用,對(duì)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用有積極的指導(dǎo)意義。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [1]王田,CELESTINO A.Corral,楊士中.橢圓濾波器邊帶優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.儀器儀表學(xué)報(bào).2005(6):562- 586.

        [2] 甘本袚,吳萬春.現(xiàn)代濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)(上).北京:科學(xué)出版社,1973.

        [3] 陳振國(guó).微波技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用.北京:北郵出版社,1996.

        [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(yè)出版社,2007.

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