一種UHF波段帶通濾波器的設計

為了掌握微波濾波器的制作原理及設計方法，實(shí)現一種UHF波段帶通濾波器的設計和制作。該設計采用了既定指標確定濾波器的形式（橢圓函數LC帶通濾 波器），以橢圓函數為理論基礎，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)行調試、測試，從而制作成功滿(mǎn)足指標的UHF波段帶通濾波器。要設 計一個(gè)濾波器，首先要分析濾波器的技術(shù)指標，選擇合適的濾波器形式，確定濾波器的級數，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，對濾波器進(jìn)行合理的設計與計算，最后要對濾波器進(jìn)行仿真優(yōu)化，直至達到滿(mǎn)意的技術(shù)指標。

引言

濾波器類(lèi)型的選擇可根據濾波器設計的帶寬等指標和具體的應用場(chǎng)合來(lái)選擇。相對帶寬在20%以下的為窄帶濾波器，應選用窄帶濾波器的設計方法來(lái)設計；相對帶寬 在40%以上的為寬帶濾波器，應選用寬帶濾波器的設計方法來(lái)設計；而介于兩者之間的為中等帶寬濾波器。由上面的指標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)設計可以使通帶內具有最大平坦的幅頻響應；而切比雪夫濾波器的好處是：帶外抑制好，但是帶內有一定的波動(dòng)；本文設計的濾波器要求帶外近 端抑制良好（可以用切比雪夫濾波器或橢圓函數濾波器來(lái)實(shí)現，但是從后面的分析看要使用LC濾波器，而用LC濾波器的話(huà)，使用切比雪夫形式電路元件的值過(guò)于 小，很難實(shí)現，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 圍內應用（從幾百MHz到幾十GHz）；同軸濾波器由于其微小的尺寸，制作精度很難達到；波導濾波器在小信號電平上，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)因數較??；LC濾波器適用于本濾波器頻段，且較容易制作和調試。

綜上，本設計采用：橢圓函數LC帶通濾波器進(jìn)行設計。設計指標如下：

中心頻率為450MHz；工作帶寬為20MHz；帶內插損為3dB；帶外抑制為-40dB。

1、關(guān)于濾波器階數N的選擇

濾波器級數N是一個(gè)重要的參數，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。

先對可能用到的一些概念和公式進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

對于終端短路式濾波器其濾波器級數N 應滿(mǎn)足下面關(guān)系式：

對于終端開(kāi)路式濾波器其濾波器級數N 應滿(mǎn)足下面關(guān)系式：

對于窄帶濾波器，有：

故上面公式可簡(jiǎn)化為：

對于窄帶濾波器：

故式（4）可簡(jiǎn)化為：

對于帶通濾波器，起相對帶寬小于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(mǎn)足上面的近似指標。

2、關(guān)于橢圓函數LC帶通濾波器的仿真及設計

對電路各元件值先進(jìn)行簡(jiǎn)單的假定，通過(guò)運用ADS進(jìn)行仿真來(lái)審查，并進(jìn)行優(yōu)化。

根據所給指標設計的電路圖進(jìn)行仿真。圖1 是根據所設定的原理圖進(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到所要求的指標。首先，本設計要求中心頻率在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)法達到所要求的指標；而且帶內插損也比較大；單單從電路元件的值上 看，線(xiàn)圈的值比較小，在制作過(guò)程中比較難繞制，比較難實(shí)現。