射頻和微波的廣泛應用使射頻電路設計領域得到了工業(yè)界的特別關注，新興半導體器件使得高頻電路系統(tǒng)不斷擴張，這些應用在無線通信、全球定位及雷達等行業(yè)中有目共睹。但是，射頻設計挑戰(zhàn)在通信行業(yè)存在更加普遍，46%以上的通信設計工程認為射頻設計是最大的技術挑戰(zhàn)之一。在通信產(chǎn)品設計中，射頻問題比較多地表現(xiàn)在電路匹配、接收靈敏度、器件參數(shù)一致性等問題?，F(xiàn)代射頻和微波系統(tǒng)的設計越來越復雜，對電路的指標要求也越來越高，電路的功能越來越豐富，電路的尺寸越來越小，卻要設計周期越來越短，傳統(tǒng)的設計方法已經(jīng)不能滿足微波電路設計的需求，使用微波EDA(Electronic Design Automation，電子設計自動化)軟件工具進行微波系統(tǒng)的設計已經(jīng)成為微波電路的設計的必然趨勢。ADS-Advanced Design System，是美國安捷倫(Agilent)公司所發(fā)開的電子設計自動化軟件，功能強大，仿真手段豐富多樣，并對設計結果進行成品率分析越優(yōu)化，大大提高了復雜電路的設計效率，是優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設計工具。不同于傳統(tǒng)的射頻分析設計軟件，ADS軟件不再是簡單地用表格的方式計算出射頻系統(tǒng)增益和功率預算，而是對射頻器件級進行深入的仿真分析。利用ADS軟件工程師可以精確分析系統(tǒng)中的噪聲、阻抗、互調(diào)、隔離、諧波等對系統(tǒng)工程的影響。

射頻濾波器是射頻電路中最基本也是最常用的射頻器件，可以是有微波線構成的，也可以是由電感、電容等集總參數(shù)元件構成的。理想的濾波器可以分為4種：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。按照濾波器的制作方法和材料，射頻濾波器可以分為波導濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器和微帶濾波器。在實際工程應用中，各種濾波器的設計是很復雜的，但是都可以通過將經(jīng)典的低通濾波器原型，通過不同的變換，將其轉換成要求的濾波器。經(jīng)典的低通濾波器主要有巴特沃斯、切比雪夫和橢圓函數(shù)濾波器等，本文用最簡單的電路，利用ADS仿真得到不同原型對于濾波性能的影響。

1 濾波器類型選擇實例

選擇的雙端低通濾波器模型(low—pass filter DT)，預設濾波器的參數(shù)如下，Ap(dB)=0.1，F(xiàn)p=0.2 GHz，F(xiàn)s=1.2 GHz，如圖1所示。選擇不同的濾波器類型，首先選擇的是巴特沃斯濾波器，即在Response Type中選擇Maximally Flat，之后得到濾波器的子電路圖，如圖2所示，選擇S參數(shù)仿真，得到濾波器的S21、S11、S12參數(shù)曲線(濾波器電路相對于輸入和輸出端口來說是對稱的，這種濾波器可以用在天線前端，作為收發(fā)公用的濾波器，所以曲線S21、S12參數(shù)曲線是相同的)。設置M1、M2點，滿足設計要求，即在100 MHz處的通帶內(nèi)損耗為-0.09 dB，濾波器在100 MHz的頻點處輸入反射系數(shù)為-17 dB。

其次選擇切比雪夫濾波器，即在Response Type中選擇Chebyshev，之后得到濾波器的子電路圖，選擇S參數(shù)仿真，同樣可以得到濾波器的S21、S11、S12參數(shù)曲線。在圖中設置M1、M2點，滿足設計要求，即在100MHz處的通帶內(nèi)損耗為-0.48 dB，濾波器在100 MHz的頻點處輸入反射系數(shù)為-9.86 dB。

最后選擇橢圓函數(shù)濾波器.即在Response Type中選擇Elliptic，之后得到濾波器的子電路圖，選擇S參數(shù)仿真，得到濾波器的S21、S11、S12。在圖中設置M1、M2點，滿足設計要求，即在100 MHz處的通帶內(nèi)損耗為-0.48 dB，濾波器在100 MHz的頻點處輸入反射系數(shù)為-9. 83 dB。

2 不同類型濾波器的濾波性能分析

從上節(jié)的數(shù)據(jù)中可以看出，3種不同響應類型的選擇均可以滿足濾波器的基本要求，但是各自還是有很多的不同，從類型選擇方面可以看出，巴特沃斯濾波器最大的優(yōu)點是通道內(nèi)具有較高的平坦度，但是明顯的缺陷是通帶和阻帶間的過渡特性較差，不夠陡峭，相對濾波器的理想特性較差;在陡峭方面比較好的是切比雪夫濾波器，但是換來的犧牲是通帶內(nèi)的衰減特性不平坦，呈現(xiàn)波紋特性;過渡特性較好的是橢圓函數(shù)構建的濾波器，但是此類濾波器阻帶衰減不再趨于無限大，而是呈現(xiàn)波紋特性。在模擬濾波器的設計中，需要找到一個可用電路實現(xiàn)的傳輸函數(shù)，來滿足濾波器的頻率響應曲線，濾波器的設計最關鍵的研究工作，就是找這個電路可實現(xiàn)的傳輸函數(shù)找到了一種傳輸函數(shù)，并且提出了實現(xiàn)這種函數(shù)的電路結構。但是由于傳輸函數(shù)的曲線只是近似滿足理想濾波器的要求，具體選擇何種結構，需要綜合考慮。切比雪夫濾波器滾降更加陡峭，也就是窗型系數(shù)好，但是在通帶(阻帶)內(nèi)頻率響應有等幅波動，巴特沃斯?jié)L降不夠陡峭，但是在通帶內(nèi)是最平坦的。從以上的分析可以清晰的看出，濾波器的截止陡峭度和線性相位特性是相互沖突，在具體的設計中要折中考慮。同樣的電路形式，元件參數(shù)不同就變成了不同的濾波器，同一種濾波器也可以用不同的電路形式實現(xiàn)。濾波器類型按信號處理特性需求來選擇，例如衰減率Chebyshev>Butterworth>Bessel，階躍響應是Bessel>Butterworth>Chebyshev，而Butterworth和Bessel是帶內(nèi)增益無抖動，Chebyshev I是帶內(nèi)增益有抖動，Che byshev II是帶外衰減有抖動等等，怎么選擇要和信號緊密結合，需要綜合考慮。

3 結束語

在射頻濾波器的分析和設計中，不同類型的低通濾波器原型會給之后的結果帶來不同的效果，通過對同一低通濾波器的類型選擇差異，利用先進的ADS仿真軟件，從幅頻響應特性和群時延兩個角度，展示了巴特沃斯、切比雪夫和橢圓函數(shù)3種基本類型濾波器性能分析，實現(xiàn)不同性能指標濾波器設計中類型選擇的方向。為工程師對于濾波器的設計提供了很好的方向選擇，有一定的學術價值。