余暉冬 阮維劍 侯柳英

（1、中國人民解放軍 92145 部隊(duì)，上海 200080 2、中國人民解放軍 91335 部隊(duì)，廣東汕頭 515400）

高頻電磁信號(hào)經(jīng)過大氣傳播到海面，并穿透海面被拖曳天線接收時(shí)，從天線中所接收到的信號(hào)中，不僅有希望獲得的信號(hào)，同時(shí)也有噪聲。為了從信號(hào)源頭上減小噪聲信號(hào)對(duì)后續(xù)電路的干擾作用，就要使用濾波器。如果能夠有效地除去噪聲，只保留有用信號(hào)的頻率成分，就可以高精度的處理所獲得的信號(hào)。

該濾波器的設(shè)計(jì)主要作用就是對(duì)拖曳天線從海面上接收到的高頻電磁信號(hào)進(jìn)行濾波，以供后續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

1 S 參數(shù)的基本概念

在進(jìn)行射頻/微波電路設(shè)計(jì)時(shí)，由于波長較短，組件的尺寸就無法被忽略，元器件內(nèi)部電磁波行進(jìn)波與反射波的干涉使得電流和電壓失去了一致性，取而代之的是“分布參數(shù)”的特性阻抗，此時(shí)電路以電磁波發(fā)射與反射為基礎(chǔ)要素，即反射系數(shù)、衰減系數(shù)、傳送的時(shí)間延遲[2]。

S 參數(shù)是建立在入射、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適用微波電路分析。以元器件端口的反射信號(hào)以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來描述電路網(wǎng)絡(luò)。

二端口網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)S 參數(shù)，Sij表示能量信號(hào)從j 端口輸入，從i 端口輸出測(cè)得的能量，各參數(shù)的物理含義和特殊的網(wǎng)絡(luò)特性如下：

S11：端口2 匹配時(shí)，端口1 的反射系數(shù)；

S22：端口1 匹配時(shí)，端口2 的反射系數(shù)；

S12：端口1 匹配時(shí)，端口2 到端口1 的反向傳輸系數(shù)；

S21：端口2 匹配時(shí)，端口1 到端口2 的正向傳輸系數(shù)。

對(duì)于低噪聲濾波放大電路性能，一般只考慮S11、S21、S22以及穩(wěn)定系數(shù)K。穩(wěn)定系數(shù)K 由下式求得：

設(shè)計(jì)濾波電路的基本原則是保證其能穩(wěn)定工作。由于S12作用, 使得信號(hào)進(jìn)入輸入端后有一定比例的信號(hào)又被反射回入射端口，在該情形下會(huì)使得電路產(chǎn)生內(nèi)部反饋，進(jìn)而使得不穩(wěn)定產(chǎn)生自激。

理論上，一般要求K＞1，此時(shí)電路絕對(duì)穩(wěn)定，但一般工程中只要大于0.9 即可[2]。

2 濾波器的設(shè)計(jì)

2.1 濾波器的選擇

常見的濾波器類型有巴特沃茲型、切比雪夫帶型、橢圓函數(shù)型、高斯多項(xiàng)式型。由于該濾波器的設(shè)計(jì)目的是為了濾去通頻帶外的頻率分量，因此通頻帶邊緣應(yīng)該越陡峭越好，以盡可能地減少頻率分量的干擾；因此本次仿真選用切比雪夫型濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)[3][4]。其傳輸函數(shù)為：其中，ε 是介電常數(shù)，Ω 為頻率，Tn是時(shí)間函數(shù)。

2.2 切比雪夫?yàn)V波器的低通原型

已知濾波器帶邊衰減與波紋指標(biāo)為LAR、歸一化頻率Ωc=1、截止衰減為LAS、歸一化截止頻率為ΩS。

元件級(jí)數(shù)N 由下式給出：計(jì)算出元件級(jí)數(shù)后各元件值可通過查表等方法以確定。

切比雪夫?yàn)V波器的低通原型，就是根據(jù)技術(shù)指標(biāo)計(jì)算各個(gè)元件的參數(shù)值，按照基本電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 低通原型的頻率轉(zhuǎn)換

由低通原型濾波器經(jīng)過頻率變換，可以得到切比雪夫帶通濾波器[5]。設(shè)阻抗因子為：

其中，Z=1/Y，Y 為特性阻抗，Z 為特性感抗。

低通原型向帶通濾波器的關(guān)系變換后：

式中，ω0為中心頻率，F(xiàn)BW 為通帶寬度。γ0為0 級(jí)阻抗因子。

3 濾波器的ADS 仿真

3.1 確定指標(biāo)

結(jié)合實(shí)際的水下通信設(shè)備接收到的電磁信號(hào)確定指標(biāo)：

3.2 計(jì)算相關(guān)參數(shù)

3.3 計(jì)算元件級(jí)數(shù)

相關(guān)參數(shù)代入式中計(jì)算，得元件級(jí)數(shù)N=5。查表得到N=5時(shí)的g 值[3]。其中，g0做了歸一化處理，即g0=1。各級(jí)元件值如表1 所示。

表1 各級(jí)元件值

根據(jù)式子（5）（6）（7）（8）計(jì)算各級(jí)元件值對(duì)應(yīng)的原型器件值。得到的值如表2 所示。

表2 各級(jí)元件原型器件值

4 軟件仿真

依據(jù)計(jì)算出的原型器件值設(shè)計(jì)出的切比雪夫?yàn)V波器的電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 切比雪夫帶通濾波器電路結(jié)構(gòu)

將設(shè)計(jì)的帶通濾波器的在ADS 中進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到的頻率特性，如圖2 所示。

圖2 帶通濾波器的頻率特性

可見在350MHz～500MHz 頻帶內(nèi)S11幾乎保持為0dB,說明在該頻帶可以正常通過該濾波器，不會(huì)產(chǎn)生衰減；而在該頻帶外的頻率成分均得到了不同程度的衰減；并且在濾波器輸出端匹配的情況下，通頻帶，特別是中心頻率附近的反射系數(shù)維持在一個(gè)十分低的水平，而頻帶外的頻率成分幾乎都被反射回輸入端。通過S21、S11的雙重保證，使得本帶通濾波器能較好地完成濾波任務(wù)。