林仁杰，張光飛

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350001)

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北斗高矩形系數(shù)LC濾波器設(shè)計與仿真

林仁杰，張光飛

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350001)

針對目前北斗通信系統(tǒng)中設(shè)計臨頻干擾和傳統(tǒng)濾波器存在的工作頻率、帶寬、帶內(nèi)平坦度和矩形系數(shù)等指標不理想的缺陷，設(shè)計了一種新式濾波器模型.該模型具有較好的矩形系數(shù)、帶內(nèi)平坦度和帶外抑制能力，-3dB帶寬內(nèi)波動小于0.896dB，實測矩形系數(shù)為1.73，能夠很好去除北斗通信系統(tǒng)模擬中頻中的干擾信號.利用ADS2008仿真軟件進行了模型的仿真，制作實物測試濾波器的矩形系數(shù)、帶內(nèi)平坦度及帶外抑制能力.結(jié)果表明，該濾波器可用于北斗通信系統(tǒng).

北斗通信系統(tǒng)；濾波器；帶內(nèi)平坦度；矩形系數(shù)；帶外抑制

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其下行中心頻率工作在2.491 75GHz，信號調(diào)制后的帶寬為8.16MHz，工作在WiFi頻率和LET頻率之間，其邊帶與WiFi系統(tǒng)的邊緣頻率僅有7MHz之差，與LET系統(tǒng)的邊緣頻率僅有58MHz之差，極易受WiFi系統(tǒng)和LET系統(tǒng)的同頻干擾，這將導(dǎo)致接收機進行擴頻調(diào)制解擴后的序列誤碼率極高[1]，系統(tǒng)性能嚴重下降.解決干擾的辦法是將射頻信號混頻到中低頻時通過中頻濾波器去除帶外干擾.因此，北斗系統(tǒng)對于中頻濾波器設(shè)計的矩形系數(shù)要求極高.大部分傳統(tǒng)濾波器模型通過仿真后，在實際制作過程中都會由于電容和電感器件的分布參數(shù)和品質(zhì)因數(shù)的影響，導(dǎo)致實際制作出來的濾波器矩形系數(shù)不能達到設(shè)計的要求值，而且很難做到帶內(nèi)平坦.而聲表面濾波器的體積往往隨著頻率的下降而急劇增大，且最低頻率一般都達百兆赫茲，因此，也不適用于中心頻率僅為12.24MHz的北斗系統(tǒng)中頻濾波[2-3].另外一種實現(xiàn)中頻濾波的方法是有耗濾波器[4-9].因此，本文提出了一種新的有耗LC濾波器模型，采用帶分布參數(shù)的實際元器件模型進行仿真并制作實物以測試性能.

1 LC串并聯(lián)的幅頻特性

1.1LC串聯(lián)諧振

LC串聯(lián)諧振在諧振點上幅值最高，理論上并聯(lián)諧振在諧振點上插損為0，往兩邊幅頻特性關(guān)于中心頻率呈軸對稱.但是由于實際電容和電感器件品質(zhì)因數(shù)及分布參數(shù)的影響，信號在諧振點上會有一定的插損，且在中心頻率兩邊具有明顯的不對稱性.品質(zhì)因數(shù)即Q值是諧振電路損耗的量度，較低的損耗意味著諧振電路的Q值要比較高[10].例如以150nH電感和470pF電容構(gòu)成的LC串聯(lián)諧振電路為例，通過ADS對實際電容和電感模型進行S參數(shù)仿真，繪制出幅頻特性曲線如圖1,可見實際的電容電感由于帶了分布參數(shù)，與理想LC模型相比，導(dǎo)致實際串聯(lián)諧振的幅頻特性無法達到完全對稱，且對諧振點外的抑制并不理想.

1.2LC并聯(lián)諧振、LC串聯(lián)抑制和LC并聯(lián)抑制

用同樣的電容和電感模型，分別對LC并聯(lián)諧振、LC串聯(lián)抑制和LC并聯(lián)抑制做S參數(shù)仿真，如圖2.由圖2可見，以上4種濾波選頻電路中，LC串聯(lián)諧振和LC并聯(lián)諧振主要起著帶通濾波的作用，其中LC串聯(lián)諧振中心頻率插損極小，但是對諧振點外的頻率抑制也較小.這種選頻回路適合在電路中充當平坦度微調(diào)的作用.而LC并聯(lián)諧振中心頻率的插損較大，而其對諧振點外的頻率抑制也相對較好，這種選頻回路適合在電路中充當主要選頻的作用.LC串聯(lián)抑制和LC并聯(lián)抑制主要起著帶阻濾波的作用，它們對中心諧振點頻率的抑制都較高，這兩種電路結(jié)構(gòu)在LC濾波器模型設(shè)計中適合充當邊帶抑制，可以提高濾波器帶外的抑制，從而提高濾波器的矩形系數(shù).

2 新式濾波器模型

2.1 濾波器模型結(jié)構(gòu)

首先設(shè)計LC串聯(lián)諧振和LC并聯(lián)諧振回路，決定中心頻率并微調(diào)帶內(nèi)平坦度，此模型采用2個LC串聯(lián)諧振和1個LC并聯(lián)諧振來調(diào)整中頻頻率,如圖3.然后設(shè)計帶外抑制，考慮到LC串聯(lián)抑制遠遠高于LC并聯(lián)抑制，因此用3級LC并聯(lián)抑制來抑制低頻增益，用2級LC串聯(lián)抑制來抑制高頻增益，從而達到相對平衡.由于北斗RD中頻頻率只有12.24MHz，在LC并聯(lián)抑制中，為了達到較好的抑制效果，需要用來調(diào)諧的電感較大，考慮到實際貼片電感值，采用2個LC串聯(lián)來代替1個較大的電感值.濾波器總體模型如圖4所示.

2.2ADS2008仿真

將該濾波器模型放入ADS2008仿真軟件，并調(diào)用村田模型庫進行帶分布參數(shù)仿真，仿真頻率在1～60MHz，頻率step設(shè)置為0.01MHz，對S參數(shù)進行仿真，并觀察傳輸增益系數(shù)S21的值(如圖5所示).仿真結(jié)果如表1所示.

由表1的仿真結(jié)果可知，該濾波器模型在信號擴頻帶寬內(nèi)波動小于0.622dB，與傳統(tǒng)濾波器相比可以做到帶內(nèi)平坦，由-20dB通頻帶帶寬與-3dB通頻帶帶寬的比值可以得出矩形系數(shù)為1.79，帶外抑制好，適合用于具有強臨頻干擾的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的北斗一代中頻濾波器.

表1 濾波器模型仿真結(jié)果

3 實際濾波器測試結(jié)果

為了使實際制作的濾波器能夠更好地逼近仿真，PCB布板時應(yīng)盡量遵循PCBlayout3W原則，以減小邊緣輻射效應(yīng)和走線分布參數(shù)的影響，濾波器模型版圖如圖6所示.按照以上板子布局，可以減少由布局產(chǎn)生的分布參數(shù)的影響.而由元器件本身的分布參數(shù)對濾波器性能指標的影響已在仿真中采用相同型號的電容和電感模型給予考慮，實際制作出的濾波器如圖7所示.

本實物制作采用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行指標測試.首先，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作頻率為1～60MHz，并在該頻段對儀器進行自動校準.其次，接入實際的濾波器，并設(shè)置測試參數(shù)為S21參數(shù).然后在測試的曲線中標記出中頻頻率，-3dB增益點和-20dB增益點用于觀察帶寬和矩形系數(shù).最后記錄數(shù)據(jù)計算出矩形系數(shù).實際制作濾波器利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行仿真，測試結(jié)果數(shù)據(jù)記錄如表2.

表2 濾波器模型實際測試結(jié)果

4 結(jié)論

1)實際濾波器的測試效果與仿真結(jié)果基本吻合，其中實測的信號帶寬內(nèi)平坦度和矩形系數(shù)都會略優(yōu)于仿真結(jié)果.

2)此濾波器模型比傳統(tǒng)的濾波器模型有較好的帶內(nèi)平坦度，-3dB帶寬內(nèi)波動小于0.896dB.實測矩形系數(shù)1.73能夠很好實現(xiàn)帶外抑制功能.該模型能很好地適用于北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的中頻濾波.

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(責任編輯 雨 松)

Design and Simulation of High Rectangular Coefficient LC Beidou Filter

LIN Renjie，ZHANG Guangfei

(CollegeofPhysicsandInformationEngineering，F(xiàn)uzhouUniversity，F(xiàn)uzhou350001,China)

AnewfiltermodelwaspresentedtoaddresstheproblemsofadjacentfrequencyinterferenceintheBeidousatellitecommunicationsystemandpoorperformanceinworkingfrequency,bandwidth,passbandflatnessandrectangularcoefficientofthetraditionalfilter.Ithasgoodperformanceonrectangularcoefficient,passbandflatnessandrejectionofoutbandwidth,the-3dBbandwidthwaslessthan0.896dB,andthemeasuredrectanglecoefficientwas1.73,whichcanfiltertheinterferencesignalinthemediumfrequencyinBeidoucommunicationsystem.ThesoftwareADS2008wasusedforsimulationanddesignofthemodel,includingtestofrectangularcoefficient,passbandflatnessandoutbandrejection.ItisprovedthatthenewfiltercanbewellusedintheBeidoucommunicationsystem.

Beidoucommunicationsystem;fliter;passbandflatness;rectangularcoefficient;rejectionofoutbandwidth

2015-09-02

2015-10-09

林仁杰(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為通信系統(tǒng).通訊作者：張光飛(1955-)，男，教授，博士后，研究方向為微波通信.E-mail：zhanggf@fjdmt.cn

TN

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1673-4432(2016)05-0070-04