0 引言

濾波器類型的選擇可根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)的帶寬等指標(biāo)和具體的應(yīng)用場(chǎng)合來選擇。相對(duì)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(jì)方法來設(shè)計(jì);相對(duì)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(jì)方法來設(shè)計(jì);而介于兩者之間的為中等帶寬濾波器。由上面的指標(biāo)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(jì)可以使通帶內(nèi)具有最大平坦的幅頻響應(yīng);而切比雪夫?yàn)V波器的好處是：帶外抑制好，但是帶內(nèi)有一定的波動(dòng);本文設(shè)計(jì)的濾波器要求帶外近端抑制良好(可以用切比雪夫?yàn)V波器或橢圓函數(shù)濾波器來實(shí)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(shí)現(xiàn)，這個(gè)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M(fèi)Hz到幾十GHz);同軸濾波器由于其微小的尺寸，制作精度很難達(dá)到;波導(dǎo)濾波器在小信號(hào)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(jì)采用：橢圓函數(shù)LC帶通濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)指標(biāo)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(jí)數(shù)N 是一個(gè)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(duì)可能用到的一些概念和公式進(jìn)行簡(jiǎn)單的說明。

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

對(duì)于帶通濾波器，起相對(duì)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(biāo)。

2 關(guān)于橢圓函數(shù)LC帶通濾波器的仿真及設(shè)計(jì)

對(duì)電路各元件值先進(jìn)行簡(jiǎn)單的假定，通過運(yùn)用ADS進(jìn)行仿真來審查，并進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)所給指標(biāo)設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行仿真。圖1 是根據(jù)所設(shè)定的原理圖進(jìn)行的仿真。從仿真圖中可以看出，該電路的元件值并不能達(dá)到所要求的指標(biāo)。首先，本設(shè)計(jì)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(dá)到所要求的指標(biāo);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(shí)現(xiàn)。

綜合上面的分析，此電路圖的元件值需要進(jìn)行一定的調(diào)整。[!--empirenews.page--]

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(zhǔn)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(duì)并不是很小，實(shí)際上可以實(shí)現(xiàn)，基本上符合制作要求，予以采用。到此本節(jié)設(shè)計(jì)仿真結(jié)束，下面進(jìn)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(jìn)行電路的制板。

此過程采用軟件Protel 99 se來設(shè)計(jì)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(jìn)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(duì)電感線圈的了解和對(duì)此線圈的假設(shè)，先繞制7圈，進(jìn)行測(cè)試和調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)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(huì)比較大。

將第一個(gè)繞制的250.2 nH 的線圈和一個(gè)0.5 pF 的電容焊制到電路板后，進(jìn)行第一次網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量。第一次測(cè)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(dāng)?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(jìn)行調(diào)試。此過程將進(jìn)行幾次，當(dāng)中心頻率落在450 MHz或十分接近450 MHz的時(shí)候，表示線圈值基本準(zhǔn)確，可以進(jìn)行下一步。

將另一個(gè)繞制的250.2 nH 的線圈和一個(gè)0.5 pF 的電容，按照之前設(shè)計(jì)的電路進(jìn)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(gè)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(gè)匝數(shù)一樣，所以還要進(jìn)行多次測(cè)量調(diào)試和修改才能達(dá)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(duì)整個(gè)濾波器進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最好的制作指標(biāo)。

5 結(jié)語

要設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，首先要分析濾波器的技術(shù)指標(biāo)，選擇合適的濾波器形式，確定濾波器的級(jí)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(duì)濾波器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與計(jì)算，最后要對(duì)濾波器進(jìn)行仿真優(yōu)化，直至達(dá)到滿意的技術(shù)指標(biāo)。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(duì)整個(gè)電路的影響。在對(duì)波形進(jìn)行調(diào)試的時(shí)候，只對(duì)線圈進(jìn)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(huì)比較大的改變開始仿真時(shí)候的值。在測(cè)試的時(shí)候，應(yīng)該對(duì)幾個(gè)比較小的電容進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整并測(cè)試，這樣才能比較好的滿足所要求的性能指標(biāo)。