一種UHF波段帶通濾波器的設(shè)計(jì)

為了掌握微波濾波器的制作原理及設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)一種UHF波段帶通濾波器的設(shè)計(jì)和制作。該設(shè)計(jì)采用了既定指標(biāo)確定濾波器的形式（橢圓函數(shù)LC帶通濾 波器），以橢圓函數(shù)為理論基礎(chǔ)，通過(guò)軟件仿真、版圖制作、加工，并通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，從而制作成功滿足指標(biāo)的UHF波段帶通濾波器。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)。

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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)于 小，很難實(shí)現(xiàn)，這個(gè)可以用軟件仿真來(lái)說(shuō)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(guò)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8~100GHz；陶瓷介質(zhì)濾波器體積大，形狀因子與品質(zhì)因數(shù)較??；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450MHz；工作帶寬為20MHz；帶內(nèi)插損為3dB；帶外抑制為-40dB。

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(shuō)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)于終端開(kāi)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)于窄帶濾波器，有：

故上面公式可簡(jiǎn)化為：

對(duì)于窄帶濾波器：

故式（4）可簡(jiǎn)化為：

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(guò)運(yùn)用ADS進(jìn)行仿真來(lái)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450MHz，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(wú)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(guò)程中比較難繞制，比較難實(shí)現(xiàn)。