基于A(yíng)DS的濾波器類(lèi)型選擇對濾波性能的影響分析

射頻和微波的廣泛應用使射頻電路設計領(lǐng)域得到了工業(yè)界的特別關(guān)注，新興半導體器件使得高頻電路系統不斷擴張，這些應用在無(wú)線(xiàn)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(shù)挑戰之一。在通信產(chǎn)品設計中，射頻問(wèn)題比較多地表現在電路匹配、接收靈敏度、器件參數一致性等問(wèn)題?，F代射頻和微波系統的設計越來(lái)越復雜，對電路的指標要求也越來(lái)越高，電路的功能越來(lái)越豐富，電路的尺寸越來(lái)越小，卻要設計周期越來(lái)越短，傳統的設計方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足微波電路設計的需求，使用微波EDA(Electronic Design Automation，電子設計自動(dòng)化)軟件工具進(jìn)行微波系統的設計已經(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(kāi)的電子設計自動(dòng)化軟件，功能強大，仿真手段豐富多樣，并對設計結果進(jìn)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、系統信號鏈路的設計工具。不同于傳統的射頻分析設計軟件，ADS軟件不再是簡(jiǎn)單地用表格的方式計算出射頻系統增益和功率預算，而是對射頻器件級進(jìn)行深入的仿真分析。利用ADS軟件工程師可以精確分析系統中的噪聲、阻抗、互調、隔離、諧波等對系統工程的影響。

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(xiàn)構成的，也可以是由電感、電容等集總參數元件構成的。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(xiàn)濾波器、帶狀線(xiàn)濾波器和微帶濾波器。在實(shí)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(guò)將經(jīng)典的低通濾波器原型，通過(guò)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濾波器等，本文用最簡(jiǎn)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(lèi)型選擇實(shí)例

選擇的雙端低通濾波器模型(low—pass filter DT)，預設濾波器的參數如下，Ap(dB)=0.1，Fp=0.2 GHz，Fs=1.2 GHz，如圖1所示。選擇不同的濾波器類(lèi)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參數仿真，得到濾波器的S21、S11、S12參數曲線(xiàn)(濾波器電路相對于輸入和輸出端口來(lái)說(shuō)是對稱(chēng)的，這種濾波器可以用在天線(xiàn)前端，作為收發(fā)公用的濾波器，所以曲線(xiàn)S21、S12參數曲線(xiàn)是相同的)。設置M1、M2點(diǎn)，滿(mǎn)足設計要求，即在100 MHz處的通帶內損耗為-0.09 dB，濾波器在100 MHz的頻點(diǎn)處輸入反射系數為-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參數仿真，同樣可以得到濾波器的S21、S11、S12參數曲線(xiàn)。在圖中設置M1、M2點(diǎn)，滿(mǎn)足設計要求，即在100MHz處的通帶內損耗為-0.48 dB，濾波器在100 MHz的頻點(diǎn)處輸入反射系數為-9.86 dB。

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

2 不同類(lèi)型濾波器的濾波性能分析

從上節的數據中可以看出，3種不同響應類(lèi)型的選擇均可以滿(mǎn)足濾波器的基本要求，但是各自還是有很多的不同，從類(lèi)型選擇方面可以看出，巴特沃斯濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)是通道內具有較高的平坦度，但是明顯的缺陷是通帶和阻帶間的過(guò)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(lái)的犧牲是通帶內的衰減特性不平坦，呈現波紋特性;過(guò)渡特性較好的是橢圓函數構建的濾波器，但是此類(lèi)濾波器阻帶衰減不再趨于無(wú)限大，而是呈現波紋特性。在模擬濾波器的設計中，需要找到一個(gè)可用電路實(shí)現的傳輸函數，來(lái)滿(mǎn)足濾波器的頻率響應曲線(xiàn)，濾波器的設計最關(guān)鍵的研究工作，就是找這個(gè)電路可實(shí)現的傳輸函數找到了一種傳輸函數，并且提出了實(shí)現這種函數的電路結構。但是由于傳輸函數的曲線(xiàn)只是近似滿(mǎn)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，也就是窗型系數好，但是在通帶(阻帶)內頻率響應有等幅波動(dòng)，巴特沃斯滾降不夠陡峭，但是在通帶內是最平坦的。從以上的分析可以清晰的看出，濾波器的截止陡峭度和線(xiàn)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(shí)現。濾波器類(lèi)型按信號處理特性需求來(lái)選擇，例如衰減率Chebyshev>Butterworth>Bessel，階躍響應是Bessel>Butterworth>Chebyshev，而B(niǎo)utterworth和Bessel是帶內增益無(wú)抖動(dòng)，Chebyshev I是帶內增益有抖動(dòng)，Che byshev II是帶外衰減有抖動(dòng)等等，怎么選擇要和信號緊密結合，需要綜合考慮。

3 結束語(yǔ)

在射頻濾波器的分析和設計中，不同類(lèi)型的低通濾波器原型會(huì )給之后的結果帶來(lái)不同的效果，通過(guò)對同一低通濾波器的類(lèi)型選擇差異，利用先進(jìn)的ADS仿真軟件，從幅頻響應特性和群時(shí)延兩個(gè)角度，展示了巴特沃斯、切比雪夫和橢圓函數3種基本類(lèi)型濾波器性能分析，實(shí)現不同性能指標濾波器設計中類(lèi)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(xué)術(shù)價(jià)值。