集总参数滤波器的设计
滤波器设计
IEEE-519中的限制均是针对系统稳态运行时提出的“最差”条件，暂态过程中允许出现超过此标准的情况。
表1列出了IEEE-519对电压谐波的限制标准。
表2列出了低于6.9kV的供电系统中，在不同的短路比（短路比SCR定义为最大短路电流IS与平均设定最大负载电流IL之比）条件下，其谐波电流值和总谐波畸变系数（THD）值的限制，而偶次谐波限制在奇次谐波的25%以下。
因此，按照电力电子装置容量与电力系统短路容量之比，正确选择主电路联结形式（等效相数、脉波数）和控制方式，就十分重要.IEEE-519对电流谐波的限制值高压变频器输入谐波分析1 . 多脉动整流抑制输入谐波的基本原理该技术采用脉动宽度为60°的6脉动三相全波整流作为基本单元，使m组整流电路的交流侧电压依次移相α＝60°/ m，则可组成脉动数为p=6m的多脉动整流。
其脉动数p、组数m、移相角α及对应的谐波次数h之间的关系如表3所示。
对于12脉动整流，整流变压器为常规接法的Y/Y-12（或Δ/Δ-12）和Y/Δ-11或(Δ/Y-1)，二者交流侧副方电压互相移相30°，直流侧并联(或串联)后组成12脉动整流。
结合IEEE-519中的标准，对各脉动数整流进行比较如表5所示，可见，在不增加其他滤波装置的情况下，12脉动整流不能满足IEEE-519中的要求，在各个范围内谐波含量均超出标准。
36脉动情况要好的多，35次以下谐波及THD都能满足IEEE-519的要求，但仍然含有较大的35、37等次的谐波。
由分析可以看出，多脉动整流很好的解决了变频器输入端的谐波抑制问题，尤其对低次谐波的抑制效果明显，且输入波形近似为正弦，很好地满足了要求。
但是，同IEEE-519中的标准相比较，在不增加其他滤波装置的情况下，多脉动整流不能在各次谐波上都满足IEEE-519中的要求，高次谐波的影响仍然很明显，需要与其它滤波器配合使用。
与传统的二电平拓扑结构相比较，中点箝位式三电平逆变器更适合于中高压变频装置高电压、大容量的特点，特殊的拓扑使得器件具有2倍的正向阻断电压能力，其多层阶梯形输出电压，理论上可通过增加级数而使输出电压波形接近正弦，减少谐波，在同样输出性能指标下，三电平的开关频率将是二电平的1/5，从而使系统损耗小。
3 LC滤波器设计
LC滤波器设计设计方法：一．通过原理图设计1.新建一个工程名为Step_Filter的工程，同时在ADS（main）主窗口中设置长度单位为millimeter。
→→2.建立低通滤波器设计单机建立原理图，命名为lpf，选择元器件建立如图1的原理图如图1设置S_PARAMETERS，“Step-size”选项改为500MHz，其他默认，如图2图23仿真点击进行仿真，仿真成功后添加S（2，1），选择dB为单位，如下图所示→最后结果如图3如图3在lpf原理图中，点击，弹出“Tune Parameters”对话框，如图4如图4然后单击lpf原理图中的C1原件，勾选“C1”选项，如图5，同样的方法添加C2，L1，就会和上面图4一样了。
图5接着设置调谐值范围，在“Tune Parameters”对话框中可以改变调谐器件的参数范围。
其中，改变Min、Max中的值可以调整调谐范围；改变Step中的值可以调整调谐的步进。
拖动“Tune Parameters”对话框中的滑块，调节参数，观察S21参数的变化，如图6图6调谐得到满意结果后，单击【Updata Schematic】按钮把调谐好的值更新到原理图。
单机【Close】结束调谐二．通过滤波器设计向导设计1.滤波器设计指标设计一个4GHz的低通滤波器，指标如下A.具有最平坦响应，通带内纹波系数小于2B.截止频率为4GHzC.在8GHz处的插入损耗必须大于15dBD.输入/输出阻抗为502.滤波器电路生成（1）.在Step_Filter工程中建立一个名为Filter_micro_lpf的原理图，执行菜单命令【】→【】，弹出如图7对话框如图7选择【】，单击ok，弹出如图8对话框图8(2).单击图标，在刚建立的‘Filter_micro_lpf’原理图中出现元器件列表，如图9图9选择双端口低通滤波器模型，弹出的对话框中单击ok，并将双端口低通滤波器添加到原理图中。
(3).重新回到图8，打开【】标签页，在【】下拉列表中选择“Maximally Flat”(巴特沃兹响应)。
低通集总参数匹配网络
低通集总参数匹配网络和四分之一阻抗匹配网络
低通滤波器：
设计一个微带低通滤波器，滤波器的指标如下：通带截止频率：3GHz。
通带增益：大于-5dB，主要由滤波器的S21参数确定。
阻带增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由滤波器的S21参数确定。
通带反射系数：小于-22dB，由滤波器的S11参数确定。
在进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。
S21(S12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21(S12)随频率变化的曲线上。
S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。
滤波器主要原理图
微带线计算工具
设置完变量的原理图
变量设置窗口
微带低通滤波器原理图
S参数仿真电路设置
S21参数曲线图
S11参数曲线图四分之一阻抗匹配网络：。
电磁场与电磁波实验2集总参数滤波器设计
电磁场与电磁波实验实验报告姓名：学号：班级：上课时间：周二10-12节实验名称：集总参数滤波器设计一、实验目的通过此次实验，我们需要熟悉集总参数滤波器软件仿真过程，且通过亲自实验来熟悉 MWO2003的各种基本操作。
本次实验我们需要用到MWO2003的优化和Tune等工具，要求熟练掌握MWO 提供的这些工具的使用方法和技巧二、实验内容与要求内容：通过实验熟悉MWO2003的各种基本操作根据操作步骤完成7级集总参数滤波器设计。
记录所设计的两个总参数低通滤波器的设计结果，要求写清主要实验步骤及需要注意的问题要求：设计一低通滤波器要求如下：1、通带频率范围：0MHz～400MHz2、增益参数 S 21 ：通带内 0MHz～400MHz S 21 >-0.5dB3、阻带内 600MHZ 以上 S 21 <-50dB4、反射系数 S 11 ：通带内 0MHz～400MHz S 11 <10dB三、实验程序与结果四、实验结果分析S11就是2端口接匹配负载时，从1端口向网络内看去的反射系数S21就是2端口接匹配负载时，从1端口到2端口的传输系数S22是1端口接匹配负载时从2端口向网络内看去的反射系数S12是1端口接匹配负载时，从2端口到1端口的传输系数从实验结果可以得到在通带0MHz～400MHz S 21 >-0.5dB阻带内600MHZ以上 S 21 <-50dB反射系数S 11：通带内0MHz～400MHz S 11 <10dB得到的实验结果基本满足实验要求五、实验问题解答与体会问题：1）如果要你设计的是高通滤波器，与前面相比，需要变化哪几个步骤？2）你在优化设计过程中，哪些参量调解对优化结果影响最大？（最敏感）答：1）在添加优化目标时需要对其中两个步骤进行改变，在添加传输系数S21测量量时在低通带需要把Meas>Goal改成Meas<Goal;在高通带时需要把Meas<Goal改成Meas>Goal；在添加反射系数S11测量量时将Meas<Goal改成Meas>Goal；2）在设置变量时c1：C2变量既第四个变量的修改对优化结果的影响最大。
物联网射频识别(RFID)技术与应用-第4章教材
C
R
, RL RS RL
S
'
2019/4/29
1. 低通滤波器原型变换为低通滤波器
将低通滤波器原型的截止频率由1改变为ωc（ωc≠1），
在低通滤波器中需要用ω/ωc代替低通滤波器原型中的ω，
即
c
, 带入低通滤波器原型的串联阻抗
当频率和阻抗都变换时， 低通滤波器的元件值
j L和并联导纳jC中，可确定低通滤波器元件值： jX j jB j
BW 2 1
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0
Q
(4.16)
物联网射频识别（RFID）技术与应用
5.有载品质因数
实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，
由于外负载消耗能量，使有载品质因数下降。
无载品质因数、外部品质因数和有载品质因数关
系为
1 1 1 QL Q Qe
(4.19)
点击此处结束放映
Q
(4.10)
0 L
RLeabharlann (4.11)点击此处结束放映
物联网射频识别（RFID）技术与应用
3.输入阻抗
在谐振频率，电感的感抗和电容的容抗相互抵消，
输入阻抗为
Z in R
在其它频率，输入阻抗为复数。
(4.13)
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
4.带宽
图4.7 串联谐振电路的带宽 带宽可以由品质因数和谐振频率求得，如果品质因数越 高，则相对带宽越小。
低通滤波器原型也能变换到带通和带阻滤波器响应的情形。
•
图 低通滤波器原型变换到带通和带阻的频率变换
2019/4/29
2024版ADS设计实验教程微波滤波器的设计制作与调试
•引言•微波滤波器基本原理•ADS 软件在微波滤波器设计中的应用•微波滤波器制作工艺流程•调试技巧与常见问题解决方案•实验案例分析与讨论•总结与展望目录01引言微波滤波器概述微波滤波器是一种用于控制微波频率响应的二端口网络，广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
微波滤波器的主要功能是允许特定频率范围内的信号通过，同时抑制其他频率范围的信号，从而实现信号的选频和滤波。
微波滤波器的性能指标包括插入损耗、带宽、带内波动、带外抑制等，这些指标直接影响着通信系统的性能。
设计制作与调试重要性设计是微波滤波器制作的首要环节，良好的设计能够确保滤波器的性能指标满足系统要求。
制作是将设计转化为实物的过程，制作精度和质量直接影响着滤波器的最终性能。
调试是对制作完成的滤波器进行性能调整和优化，使其达到最佳工作状态的过程。
本教程旨在介绍微波滤波器的设计、制作与调试过程，帮助读者掌握相关知识和技能。
教程内容包括微波滤波器的基本原理、设计方法、制作流程和调试技巧等。
通过本教程的学习，读者将能够独立完成微波滤波器的设计、制作与调试，为实际工程应用打下基础。
教程目的和内容02微波滤波器基本原理低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器微波滤波器分类工作原理及性能指标工作原理性能指标常见类型微波滤波器特点集总参数滤波器分布参数滤波器陶瓷滤波器晶体滤波器03ADS软件在微波滤波器设计中的应用ADS软件简介及功能模块ADS（Advanced Design System）是一款领先的电子设计自动化软件，广泛应用于微波、射频和高速数字电路的设计、仿真与优化。
ADS软件包含多个功能模块，如原理图设计、版图设计、电磁仿真、系统级仿真等，可满足不同设计阶段的需求。
ADS软件支持多种微波滤波器类型的设计，如低通、高通、带通、带阻等，具有强大的设计能力和灵活性。
微波滤波器设计流程确定滤波器类型和性能指标根据实际需求选择合适的滤波器类型，并确定滤波器的性能指标，如中心频率、带宽、插入损耗、带外抑制等。
10.2.1 集总参数低通滤波器设计向导[共5页]
![10.2.1 集总参数低通滤波器设计向导[共5页]](https://img.taocdn.com/s3/m/b780410ead51f01dc381f1bb.png)
第10章 集总参数滤波器的仿真
231║
图10.9 从低通滤波器原型到低通、高通、带通和带阻滤波器的变换
10.2 集总参数低通滤波器的仿真
集总参数低通滤波器是由电感和电容构成的，当技术指标不同时，电感和电容的取值也不同，本节学习如何设计集总参数低通滤波器，并给出符合技术指标的集总参数低通滤波器原理图。
10.2.1 集总参数低通滤波器设计向导
ADS 自带了集总参数滤波器设计向导，利用设计向导可以方便地设计出符合技术指标的集总参数低通滤波器。
集总参数低通滤波器设计指标如下。
设计集总参数低通滤波器。
通带频率范围为0～0.1GHz 。
滤波器响应为切比雪夫Chebyshev 。
通带内波纹为0.5dB 。
在0.2GHz 时衰减大于40dB 。
特性阻抗选为50Ω。
下面介绍集总参数滤波器设计向导的使用方法。
1．创建项目
下面将创建一个集总参数滤波器项目，本章所有的设计都将保存在这个项目之中。
创建项目的步骤如下。
（1）启动ADS 软件，弹出主视窗。
（2）选择主视窗中【File 】菜单→【New Project 】，弹出【New Project 】对话框，在【New Project 】 对话框中，输入项目名称和这个项目默认的长度单位，这里项目名称定为LC _Filter ，默认的长度单位选为millimeter 。
集总参数带通滤波器设计向导_物联网：ADS射频电路仿真与实例详解_[共5页]
![集总参数带通滤波器设计向导_物联网：ADS射频电路仿真与实例详解_[共5页]](https://img.taocdn.com/s3/m/4c21463fb8f67c1cfbd6b8a7.png)
第10章 集总参数滤波器的仿真 243║
在30MHz 处，S 21的值为−0.569dB 。
在100MHz 处，S 21的值为−0.175dB 。
在
200MHz 处，S 21的值为−45.472dB 。
由图10.34可以看出，曲线满足技术指标。
图10.34 调谐后的曲线
（12）这时原理图中的电感L1、电容C2和电感L2已经更新为调谐后的值，电感L1、电容C2和电感L2值如下。
L1=89.051 1nH 。
C2=78.357 2pF 。
L2=91.453 8nH 。
10.3 集总参数带通滤波器的仿真
集总参数带通滤波器也是由电感和电容构成的，当技术指标不同时，电感和电容的取值也不同，本节学习如何设计集总参数带通滤波器，并给出符合技术指标的集总参数带通滤波器原理图。
10.3.1 集总参数带通滤波器设计向导
利用集总参数滤波器设计向导，可以方便地设计出符合技术指标的集总参数带通滤波器。
下面介绍利用集总参数滤波器设计向导设计带通滤波器的方法，带通滤波器的设计依旧保存在LC _Filter 项目之中。
集总参数带通滤波器设计指标如下。
设计集总参数带通滤波器。
带通滤波器的中心频率为150MHz 。
通带频率范围为140MHz 到160MHz 。
滤波器响应为最大平滑Maximally Flat 。
通带内最大衰减为3dB 。
在100MHz 和200MHz 时衰减大于30dB 。
特性阻抗选为50Ω。
基于ADS的集总参数带通滤波器的优化设计
基于ADS的集总参数带通滤波器的优化设计作者：杨柱朱倩倩艾治余王攀赵小平来源：《山东工业技术》2014年第14期摘要：滤波器在通信系统中应用较为广泛，利用滤波器的选频作用，可以滤除通信中的干扰噪声或测试中进行频谱分析。
本文利用ADS软件设计一款带通滤波器，并对其进行优化和瞬态仿真分析。
经过分析得出，在满足其他各项设计指标要求的前提下，优化后的滤波器选频特性得到明显提高。
关键词：带通滤波器；ADS；优化仿真；瞬时仿真1引言在现代通信系统中，滤波器的应用领域很广泛，如电视频道信号的选取，多音响装置的频谱分析器等，滤波器作为无线通信应用领域的一个重要器件，其性能指标往往直接影响到整个通信系统的优劣，伴随着移动通信、雷达、卫星通信等各通信系统的增多，电磁环境逐渐异常复杂化，从而使得通信系统中频带资源愈发短缺，导致频率间隔变得越发密集。
怎样无失真的从逐渐短缺的频带资源内获取所需的信号并抑制其他无用或有害的信号，为滤波器的设计提出了苛刻的要求。
虽然各滤波器在电子器件和技术的飞速发展的推动下层出不穷，但怎样制造小体积低成本易加工量产并满足指标要求的滤波器渐渐成为工程应用中的核心问题，集总参数滤波器以其自身优势作为首选应用在通信系统和设备中。
集总参数是指当实际电路的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长时，可以把元件的作用集总在一起，用一个或有限个理想R、L、C元件来加以描述的电路参数。
集总参数带通滤波器是指由集总参数元件构建的滤波器，其特性由构建此带通滤波器的集总参数元件值来确定。
本文阐述了利用ADS（ Advanced Design System ）软件设计带通滤波器的方法、流程以及仿真过程，结合带通滤波器的一般原理和最小二乘误差法，以期寻找一种更为通用的、频带高度利用和相邻信道低干扰的带通滤波器的设计方案，同时给出其仿真结果。
2 工作原理带通滤波器[5]是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。
ADS教程第6章
ADS教程第6章实验六、滤波器：设计指导、瞬态和矩量法仿真概述这节将说明在ADS中创建滤波器和使⽤瞬态仿真器的基本操作。
设计指导是⽤来构建⼀个集总元件滤波器，矩量法（Momentum）是⽤来测试微带滤波器。
任务●运⽤设计指导构建⼀个200MHz中频低通集总参数滤波器●构建⼀个1.9GHz射频带通微带滤波器●在微带滤波器中完成瞬态分析●⽤矩量法（Momentum）仿真微带滤波器●选学——DAC（数据通路元件）练习⽬录1.改变项⽬，开始运⾏设计指导 (96)2.放⼊⼀个LPF（低通滤波器）Smart元件并设计滤波器 (97)3. 1.9GHz微带带通滤波器 (99)4.在微带滤波器中的瞬态分析 (101)5.在电路版图（layout）中进⾏矩量法（Momentum）仿真 (104)6.选作：数据通路元件（Data Access Component）的阻抗响应 (110)步骤1.改变项⽬开始运⾏设计指导。
以下步骤将说明⼀个设计指导怎样既快速⼜准确地⽣产⼀个滤波器。
其⽅法与E-syn类似，但对期望的响应和拓扑结构有更多的选择和更强的控制。
a．进⼊ADS主窗⼝，然后点击File>open Project。
b．如果你被提⽰保存所有你当前的⽂档，选择Y es to All，然后打开你先前的任务system_prj。
c．新建⼀名为filter_lpf的原理图。
d．确认该原理图是当前你的屏幕上唯⼀打开的原理图。
现在我们将通过以下三个步骤开始该过程。
●点击命令DesignGuide >Filter。
●出现对话框后，选择Filter Control Window并点击OK。
然后找到新窗⼝Filter DesignGuide。
在下⼀步，你从⾯板放⼊⼀个smart元件之后该窗⼝将被激活。
在滤波器设计指导控制窗⼝中点击Component Palette —All图标（如xia下图所⽰）。
在你的原理图窗⼝中会⽴即出现元件⾯板。
低通滤波器
设计一个九级集总参数低通滤波器，电路结构如图所示，要求截止频率为450MHz，通带内增益大于－1dB，阻带内650M以上增益小于－50dB。
通带内反射系数要求小于－15dB。
要求优化参数Cost<0.5(最佳为5（波长线长为相对值）。
计算线长Z为2.5和3.5两处的输入阻抗、反射系数。
并画出Z为2.5时的阻抗与导纳圆图。
低通滤波器===== 设计具体要求 ======通带频率范围：0MHz-300MHz增益参数S21：通带内0MHz-300MHz S21>－0.5dB ；阻带内420MHZ以上 S21<－50dB反射系数S11：通带内0MHz-300MHz S11<－10dB ；2、为了节省成本，计划将该滤波器设计为7级结构。
你能把它设计出来吗？根据你的优化仿真结果，探讨滤波器级数与其性能的关系。
低通滤波器===== 设计具体要求 ======通带频率范围：0MHz-350MHz增益参数S21：通带内 S21>－1dB阻带内550MHZ以上 S21<－45dB反射系数S11：通带内 S11<－15dB2、简述功分器的基本技术要求及其主要特性参数。
通带频率范围：0MHz-400MHz增益参数S21：通带内0MHz-400MHz S21>－0.2dB阻带内600MHZ以上 S21<－50dB反射系数S11：通带内0MHz-400MHz S11<－10dB要求优化参数2、简述HFSS的特点及其主要应用的范围。
IVCURVEI来测量非线性器件——三极管GBJT3的特性曲线并加入调谐，分析其变化。
高通滤波器===== 设计具体要求 ======通带频率范围：550MHz以上增益参数S21：通带内S21>－2dB ；阻带内0-400MHz，S21<－50dB反射系数S11：通带内S11<－20dB；2、你会添加Marker吗？试在S21曲线上，添加一横坐标为600MHz的Marker。
开路短截线型低通滤波器的设计
摘要短截线型低通滤波器是采用短截线法设计的低通滤波器。
短截线法将集总参数滤波器变换成分布参数元件滤波器，使之能够适用于高频频段。
本文用短截线法设计低通滤波器，先是采用电容、电感等集总参数元件设计一个滤波器，再通过Richards变换和Kuroda变换，用开路、短路的串联、并联微带线分别替换掉电感和电容，将其转换成微带线滤波器。
为了在信号端和负载端达到匹配，并使滤波器容易实现，通过Kuroda变换将串联的短路微带线变换成并联的开路微带线。
再由工程上的微带线尺寸计算公式求出所用各段微带线的具体尺寸。
最后，用软件实现滤波器的设计，并给出S11和S21曲线。
用短截线法设计的微带滤波器呈现出较好的阻带特性，在一定的频率处会出现衰减的峰值点。
关键词：低通滤波器；微带线滤波器；短截线法ABSTRACTstub linear low-pass filter is the low-pass filter which is designed through stub method. Stub method is a transformative method which is used to convert the lumped parameter filters into distributed parameter elements filters，so that it can be applied for high-frequency band.This thesis is about how to design a filter through stub method. First，we use capacitance and inductance and other lumped elements to design a filter，then we replace the capacitance and inductance respectively with open circuit parallel connectional microstrip and short circuit in series microstrip to convert it into a microstrip line filter through Richarda transformation and Kuroda transformation. In order to realize matching in the signal side and load side，at the same time，to be easier to design the filter，we convert short circuit in series microstrip into open circuit parallel connectional microstrip through Kuroda transformation. Then we calculate the sizes of every paragraph of the microstrip line by using the ready engineering microstrip line’s size-calculational formula. Finally，we design the low-pass filter by using the software in the computer，at the same time，we attain the S11 and S21 curves which is asked.The microstrip line filter which is designed through stub method shows a good stopband characteristic and appears attenuational peak point at a certain frequency.Key words：low-pass filter；microstrip line filter；Stub method目录第一章绪论.........................................................................................................- 1 -1.1滤波器的概述.............................................................................................- 1 -1.2微波滤波器的分类及发展.........................................................................- 4 -第二章滤波器的设计 ......................................................................................- 7 -2.1设计要求与设计思路.................................................................................- 7 -2.2集总参数滤波电路.....................................................................................- 7 -2.3短截线滤波器的实现...............................................................................- 12 -第三章微带传输线.........................................................................................- 17 -3.1微带传输线简介.......................................................................................- 17 -3.2工程上计算微带线尺寸的方法...............................................................- 17 -第四章IE3D软件的电磁仿真.....................................................................- 20 -4.1软件简介...................................................................................................- 20 -4.2参数设置...................................................................................................- 20 -4.3 2D多边形的输入及端口的定义.............................................................- 22 -4.4 电磁仿真..................................................................................................- 23 -结束语....................................................................................................................- 25 -致谢 ............................................................................................错误！未定义书签。
人民电器 集总LC滤波器 产品说明书
阻带衰减 ≥ dB
矩形系数 ≤
接头形式
50
2
SMA/N
50
2
SMA/N
Байду номын сангаас50
2
SMA/N
50
2
SMA/N
50
2
SMA/N
50
2
SMA/N
50
2
SMA/N
50
2
SMA/N
50
2
SMA/N
50
2
SMA/N
50
2
SMA/N
37
通带频率 MHz
30 ～ 88
插入损耗 ≤ dB
1
30 ～ 108
1
65 ～ 85
1
108 ～ 174
1
108 ～ 225
1
115 ～ 135
1
100 ～ 160
1
150 ～ 200
1
225 ～ 400
1
225 ～ 512
1
340 ～ 500
1
反射 ≥ dB
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
集总 LC 滤波器
应用场景
• 军用及民用微波通信系统 • 信号选频、杂波抑制、噪声抑制
产品特点
• 采用高 Q 值集总元件实现低通、高通、带通、带阻滤波 • 大功率容量、尺寸小型化 • 低插入损耗、高带外抑制
技术指标
频率范围 相对带宽 插入损耗 阻带抑制 输入输出阻抗 回波损耗 功率容量
1~1500MHz （可定制） 3%~200% （可定制）
1dB( 典型值 ) ≥ 50dB( 典型值 )
50Ω ≥ 10dB 1W~200W （可定制）
集总参数滤波器的设计
集总参数滤波器的设计李艳莉（电子科技大学 成都学院 四川 成都 611731）摘 要： 首先介绍集总参数滤波器的设计方法，设计一个集总参数带通滤波器，中心频率为200MHz，带宽20MHz，两个端口的特征阻抗为50Ω，带内插入损耗＜3dB，带内波纹＜0.5dB，在f＜190MHz和f＞210MHz处阻带衰减＞15dB，利用ADS软件进行仿真和优化。
关键词： 集总参数；滤波器；ADS中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1110051－02微波通信电路中常用的是带通滤波器，因此本文以带通滤0 引言波器（BPF）为例研究集总参数LC滤波器的设计和优化，下面给滤波器是是一种具有频率选择特性的无源器件，从各种不出由归一化低通滤波器设计带通滤波器的具体步骤如图1所示：同频率的信号中，滤出有用信号，抑制掉无用或者有害的频率信1）设计一个归一化LPF，该滤波器的截止频率和BPF带宽号。
在无线通信应用技术领域，无源滤波器作为一个重要器件，相同；其指标往往直接影响整个通信系统的性能优劣。
而且随着移动通2）按照LPF和BPF的基本单元，进行元件和电路变换。
按信、雷达、微波毫米波通信、卫星通信、无线导航等民用、军事照对应关系将LPF的四种基本构成单元变换成对应的BPF基本单电子等各类通信系统的增加，使得电磁环境异常复杂，导致通信元[3-4]；系统中的频率资源越来越稀缺，所以通信系统频率间隔也变得越3）将设计得到的BPF电路模型建立ADS模型，仿真滤波器来越密集。
如何在日益稀缺的频率资源内，无失真地取出通信系的性能曲线，如果指标不能达到要求需要返回第一步对滤波器统所在工作频率需要的信号，抑制其他无用或有害信号，为滤波进行优化，直至指标满足要求为止。
器提出了更为严格的要求。
随着微波技术和电子器件的发展，各 2 带通滤波器的ADS仿真与性能优化种滤波器层出不穷，但是如何在满足技术指标的前提下尽可能做出体积小、成本低并易于量产的滤波器是工程应用的核心问题。
金属同轴腔滤波器设计
金属同轴腔滤波器设计金属同轴腔滤波器设计摘要近年来随着移动通信导航技术和电子对抗的快速发展对现有微波元器件的需求和性能的改进都提出了很高的要求同轴腔体带通滤波器作为微波带通滤波器中应用最广的一种滤波器具有功率容量大插入损耗低寄生通带远等特点在现代无线通信数字电视广播卫星导航遥测遥感和雷达等系统中得到了广泛的应用本文对同轴腔体带通滤波器做了详细的分析分析讨论了同轴谐振腔的电磁特性主要包括谐振频率谐振腔的耦合结构和外部品质因数等利用响应函数得到腔体之间的耦合系数应用三维全波仿真软件分析了腔体结构参数与耦合系数和耦合窗的关系最后论文给出了同轴腔滤波器设计实例测试结果性能良好符合设计指标要求关键词微波滤波器带通滤波器同轴谐振腔全波仿真分析With the rapid development of mobile communication system the quality of microwave components is becoming more and more important As a microwave band-pass filter coaxial cavity filter is widely applied in modern wireless communication and radar systems for its high power capacity low insertion loss and far spurious pass-bandBased on the research of coaxial filter the electromagnetic properties of coaxial cavity resonator are proposed in the paper including resonant frequency coupling structure and external Q of the cavities The coupling coefficient of filter can be getting by utilizing response function The width of coupling windows and in-putout-put coupling lines are acquired by full wave simulation and optimization At last a coaxial cavity filter is designed and measured which has perfect performances and is satisfied with the technical specificationsKey Words microwave filter band-pass filter coaxial resonator full wave simulation一绪论 111 前言 112 常见的滤波器形式 113 国内外发展现状 3二滤波器的基本概念521 滤波函数 522 微波滤波器参数 623 低通滤波器到带通滤波器的转换7 三同轴腔带通滤波器的设计831 滤波器的设计步骤832 滤波器的设计方法8com 前言8com 设计指标9com 参数计算933 仿真与测试10com 仿真10com 实物加工与测试12总结14参考文献15一绪论11 前言随着通信广播雷达测量遥感空间技术和电子对抗技术等的逐步发展从米波段一直到毫米波段以至更广阔的波段上微波滤波器在雷达信号处理通信等不同电路系统的传输变换处理和收发中有广泛应用[1]随着导航技术和移动通信电子对抗的快速发展同时对改善现有器件的性能和对未开发的微波元器件提出更高更严谨的需求是必要的尤其是在无线电通信频率资源日益紧张的今天不同通信系统能够获得的频率范围越来越窄从而使得对于无源器件尤其是那些前端使用毫米波微波收发信机的器件的性能优劣提出了更高层次的要求为的是前端系统降低对信号的衰减使不同的干扰信号得到抑制另外由于新工艺新材料的逐步发展以及迅速发展的半导体先进技术新的RF模块不断不出现使得研制毫米波微波RF有源电路的周期渐渐缩短且高度集成小体积的电路正在逐步发展[2]因此研制小体积高性能的无源器件减少设计无源器件的周期是目前毫米波微波通信等相关领域的重要步骤之一1915年在德国 K W Wagner 创新发明了一种以新的滤波器设计方法--瓦特纳滤波器与此同时在美国G A Canbell则开创了另一种知名的设计方法--图像参数法间隔两年LC滤波器在两国分别由两位科学家发明出来1918年第一个多路复用系统在美国问世自此以后科研人员便开始积系统而全面的对使用集总元件电容和电感的滤波器进行理论研究随着滤波器的设计理论不断的深入研究材料领域的不断发展以及工作频率的日益升高使得由原先的集总参数元件滤波器的设计逐渐扩展到分布参数元件滤波器的设计[3]1939年P D Richtmeyer报道了介电滤波器因为当时材质的温度稳定性不够高这样就导致该种滤波器不足以应用于实际直到1970年左右因为陶瓷材料有较快的发展介电滤波器在实际中应用也随即得到了较快的发展目前20世纪年代出现的高温度临界超导材料被认为很大可能应用于设计出极小尺寸和极低损耗的新颖滤波器并且现在已经在商业和军事领域使用[4]12 常见的滤波器形式在现代无线电系统中包括各种移动通信电子对抗雷达系统等的发展同时促进了微波器件的发展其中微波滤波器是现代毫米波微波通信技术中一个极其重要的部分[5]是毫米波微波系统中不可缺少的器件其性能的优劣往往会直接影响整个通信系统的质量近年来随着滤波器结构的不断发展与更新因为应用环境的不同伴随出现了各种不同结构的滤波器1 集总参数滤波器根据滤波器原型电路最简单最直接的结构是采用集总参数的电感电容元件直接搭建滤波器电路可以采用分立元件也可以采用集成电路集总参数滤波器的元件Q值较低[6]在10GHz频段的Q值大约为100-200这比较适合于低频信号的滤波由于现代移动通讯频率都比较高所以很少采用这类滤波器2 微带线带状线滤波器众所周知布参数传输线可以等效为电感或电容因此选用合理尺寸的传输线组合可以构成滤波器电路最为常用的是微带线和带状线结构可以很方便地制成印制板造成本低廉[7]在结构设计上主要有三种方式梳状线线卡线这类滤波器的特点是结构紧凑阻带宽容易制造缺点是Q值低10GHz时Q值为150-200插入损耗大滤波特性一般适用于小功率滤波场合一些小功率指标要求低的的干线放大器中有使用3 同轴腔体滤波器腔体滤波器因其通带插入损耗低阻带抑制性高承受较大功率调谐方便等特点在通信系统中也应用广泛[8]其中同轴腔体具有高Q值损耗特性电磁屏蔽和小尺寸等优异特点但是如果在10GHz以上使用时由于其物理尺寸很微小所以制作精度很难达到同轴腔形式的带通滤波器广泛应用于雷达通信等系统按照腔体结构不同一般分为标准同轴腔方腔同轴等4 波导滤波器波导型滤波器是一种经常使用的无源微波滤波器特别是在高频段大功率的天线馈电系统中波导型滤波器能够发挥巨大的作用波导腔体带通滤波器本质是一种选择频率电路应用在雷达电子战通信等设备的微波设备中它易于连接馈电装置适合应用于较高功率的情况下并且具有良好的性能在信号的电平较小时它一般都是用在8GHz到100GHz的范围内[9]这种滤波器的主要功能应用是在通频带插入损耗和失真较小的情况下使阻带的选择性能够得到足够的提供比如说在使用微波接收机时不需要的带外信号被带通滤波器滤除掉为了使前段噪声的特性得到保持在使用微波发射机时不需要的频率谱被滤波器减小使得发射机的噪声不能传递到接收机在不同的微波多工器上此种滤波器也得到应用但是它最大的缺点是其尺寸大小显然比其他可应用在微波段的谐振器大随着微波技术的迅猛发展天线系统日趋复杂对波导型滤波器的需求更大范围更广同时也对其性能提出更高要求5 介质滤波器介质滤波器分为两种一种TEM模式它和传输线型滤波器原理相同只不过尺寸更小在400NHz-5GHz频率范围内的Q值为200-800其插入损耗比较大滤波特性也比较差一般只在性能要求低的中频滤波中采用另一种为TE01δ模介质滤波器其Q值非常高10GHz的Q值可以达到10000以上900MHz时的Q值约为22000这种滤波器兼有小尺寸和低损耗的特点[10]直到现在TE01δ模介质滤波器仍然是国际学术界研究非常活跃的课题并且已经在卫星通讯移动通讯中获得了成功的应用随着技术的不断进步和工艺材料的不断改进TE01δ模介质滤波器在电气性能上远远超过了以往任何滤波器的水平在大容量移动通讯系统中为了充分利用频率资源相邻信道或收发通道频率间隔非常小如果采用传统滤波器其损耗大得难以接收如两个相邻CDMA载频的滤波合路则必须采用介质滤波合路方式才能做到既有效抑制相邻信号所谓干扰又能不增加太多的插入损耗可以预见在未来的3G系统中TE01δ模介质滤波器将会得到大量的应用在下一代移动通信的基站中对基站的重量和体积都有十分严格的控制因此必须减小滤波器的重量和体积与此同时不能降低滤波器的性能在工艺材料和微波技术发展至今的情况下制造这些微波滤波器选用高Q值低损耗具有一定介电常数的陶瓷材料加载介质谐振腔是一种必然经过理论和实践方面的长期努力和积累已经将这种介质谐振腔滤波器应用在移动通信系统中而且会有很好的前景伴着滤波器技术的不断完善其他各种新型滤波器如SAW滤波器陶瓷介质滤波器SIR滤波器微波有源器件等也开始应用于各种通信系统中[11]13 国内外发展现状20年代初出现的载波电话系统使得在电信领域内引发了一场伟大的技术革命从而迎来了电信历史的新纪元它的快速发展促成了在检出信号和特定频带提取的新兴技术的发展这种技术慢慢的发展成为现在的滤波器技术从电信早期的发展中可以看出电路中滤波器发挥着极其重要的作用而且随着通信技术不断的发展而取得进展早期耦合谐振器滤波器的综合理论基于Cohn的研究成果主要针对同步调谐的级联谐振器滤波器设计这种结构的传输零点在无限远处只能实现切比雪夫或巴特沃斯型响应并未涉及广义切比雪夫型响应1970年Atia和Wiiliams提出了可实现有限频率传输零点的耦合谐振器滤波器综合通用理论[12]根据该理论通过解析方法可以得到小于四阶的耦合谐振器滤波器耦合拓扑结构国外最早解决办法主要有以Cameron在1999年提出来的相似变换Amari在2000年提出的优化法为代表两条技术路径前者基于矩阵旋转理论通过一系列矩阵相似变换在保证耦合矩阵特征值和特征向量不变的前提下将不需要的矩阵元素消零但这种方法仅限于特定耦合拓扑结构折叠规范型后来一些学者在此基础上给出了常见的拓扑结构的耦合矩阵旋转方法该方法计算效率高精度高但是不同结构需要不同的旋转顺序和步骤并不能得到任意拓扑结构的耦合矩阵因此结合多种方法对滤波器拓扑结构进行综合已是大势所趋国内有报道采用遗传算法优化提取耦合谐振器滤波器的耦合矩阵近年来J S HongM J LancansterMing Yu等也在微波滤波器与双工器的综合方面做出非常重要的贡献[1314]七十年代初期我国的老一代微波专家甘本祓吴万春等在前人研究的基础上对微波滤波器的设计理论和方法进行了补充和完善为我国微波滤波器的研究奠定了良好的基础80年代中后期的研究相关文献报道较少90年代有见零星报道进入21世纪后这已经在国内成为研究热点中国空间技术研究院的吴须大研究员对同轴腔滤波器与微放电腔体滤波器与低气压放电等问题进行了细致的分析[15]电子科技大学的贾宝富西安电子科技大学的梁昌洪李刚等在微波滤波器双工器和多工器研制上做出了一些探索并取得了一系列的成果二滤波器的基本概念21 滤波函数理想的低通滤波器的衰减特性如图21 a 所示即在ω＝0到ω1的频率范围内衰减为零称为通带在ωω1的范围内频率衰减为∞称为阻频带Ω为角频率大小ω1称之为截止频率大小显而易见有限个元件数目的电抗网络的频率衰减特性必是一个连续函数必然不会在某一固定的频率上突变像这种理想的滤波特性是无法用有限个元件的电抗网络来实现而实际中的滤波器只能通过逼近函数来逼近理想滤波器的衰减特性所以在滤波器综合设计时第一步是要确定一个无限接近理想频率衰减特性的滤波函数然后再依据第一步得到的逼近函数综合出具体的电路结构实用中有三种滤波函数使用最广泛各对应的滤波器称为最平坦型切比雪夫型和椭圆函数型滤波器它们的衰减特性如图 21 b c d 所示理想特性 b 最大平坦型逼近c 切比雪夫型逼近d 椭圆函数型逼近图2-1 常用逼近函数最大平坦型响应最大平坦型低通原型滤波函数为2-1它有四个指标参数通带内的最大衰减用LAr表示截止频率ω1阻带内的最小衰减用LAs表示以及阻带的边频用ωs表示为了让获得的梯形电路通用于对各不相同的ω1和ωs的低通滤波器可以使用归一化的频率于是其衰减函数为 2-2综合低通滤波器过程为首先通过四个指标参数LArω1LAsωs确定常数ε和n从而可以求得需要的滤波函数再次根据第一步得到的这个函数利用前面介绍的网络综合法来确定低通滤波器原型的梯形电路各元件值和结构ε是当ω1时计算通带内的最大衰减LAr得到的即n可以通过带外最小衰减获得2-3切比雪夫型响应切比雪夫的低通原型滤波函数为2-4切比雪夫函数多项式为Tn ω在ω 01之间是余弦函数因此衰减在ω 01之间出现的时等波纹的变化在ω 1时Tn 1 1LAr达到其最大值即2-52-6LAr是波纹幅度ε是波纹的因数在通频带内最小的衰减频率为零而当ω 1时即阻带内时Tn ω是一个双曲余弦函数若在阻频带ωs上阻频带的衰减为LAs则有2-7椭圆函数响应由图21 d 可见由于椭圆函数滤波器的阻带衰减极点不全在无限远处因而用这种滤波器可得到很陡的截止率图中LAr是通带最大衰减LAs是阻带最小衰减ω1是通带带边频率ωs是阻带带边频率考虑n阶椭圆函数型低通变换器衰减特性得到2-8其中Fn是含有模为K的函数22 微波滤波器参数1带宽Bandwidth通带的3dB带宽flowfhigh2中心频率fc或f03截止频率下降沿3dB点频率4插入损耗insertion loss当滤波器与设计要求的负载连接通带中心衰减5带内波纹绝对衰减Absolute attenuation阻带中最大衰减dB6品质因数uality factor中心频率与3dB带宽之比7反射损耗Return loss23 低通滤波器到带通滤波器的转换要依据低通的滤波器设计出一个带通的滤波器它的截止频率是ω1和ω2频率需要进行较复杂的变换使低通原型滤波器的频率变量ω’与带通滤波器的频率变量ω符合下面公式2-9式中ω2是带通滤波器高端的截止频率ω1是其低端的截止频率ω0为中心频率通常令ω2-ω1称为该滤波器中的通频带ω2-ω1 ω0称为该滤波器中的相对通频带W2-10 根据母型低通滤波器换算带通滤波器电路元件变得更加复杂母型滤波器的电感应改为LC串联电路它的电感Lk和电容Ck与母型的电感保持以下关系2-11 2-12母型滤波器的电容应改为LC并联电路它的电容Ck1 和电感Lk1 与母型的电容保持以下关系2-13 和都可以从母型低通滤波器的元件表上查得三同轴腔带通滤波器的设计31 滤波器的设计步骤滤波器的设计步骤为1 确定滤波器的类型和实现方式根据技术指标要求确定滤波器的类型和实现方式包括低通高通带通还是带阻的确定使用何种逼近函数模型体实现形式选择用微带线同轴线还是用波导等实现2 确定滤波器的阶数n根据技术指标要求逼近函数模型确定滤波器的阶数n主要取决于带内插损带外抑制以及所选择的衰减逼近函数模型即元件数n是由衰减特性曲线决定的可以通过查表可以得到也可以通过一些公式计算得到3 查表得到低通滤波器原型的各元件值其余三种滤波器可以从低通滤波器原型通过函数转换得到一般滤波器都是对称设计的也就是说知道一半的元件值就可以了4 使用电路仿真软件仿真使用电路仿真软件仿真是为了优化电路各元件的值5 使用场仿真软件仿真场仿真和实际相差较小所以一般都会使用仿真软件来确定最终的设计6 实物加工与调试32 滤波器的设计方法com 前言滤波器的设计当前有两种不同的出发点一种出发点是镜象参数法这种方法是过去人们一直用来设计滤波器的经典办法此方法的好处是它理论依据很简单但在分析的过程中不会考虑到外接负载对滤波器的影响是它的缺点本文主要采用另外一种方法故镜象参数法不作详细介绍另一种出发点是综合法又称为插入损耗法此方法是近些年以来采用的很普遍的设计方法此方法的步骤是依据需求的技术参数得到插入损耗Li与频率ω的所决定的关系函数再依据这个关系函数推导出具体的相应的电路结构因此第二种方法是第一种方法的相反过程此方法应用网络理论推求出具体的电路反之镜象参数法是根据已知的电路参数拼凑出符合要求的电路结构设计准确是第二种方法的最突出优点并且设计时将外界负载时的影响已经考虑进去从而不用进行多次试探因为要用到比较难的网络理论这就使设计难度增大这是它的缺点尽管如此因为只要设计出满足指定参数要求的母型滤波器以后的设计步骤就成了简单的读图查表和使用数学方法数据将换算即可相比较镜象参数法综合法要比其更加实用com 设计指标设计指标通带频率1785-1800MHz fL--fU插入损耗≤20dB回波损耗≥15dB带外抑制1700-1755MHz 30dB1805-1830MHz≥20dB1830MHz≥30dB输入功率50W工作温度范围-3575℃接口类SMA F 特性阻抗50Ωcom 参数计算经过带通滤波器到低通原型的变换可以得到低通原型的带外抑制3-1由低通原型的带外抑制要求可以得到滤波器的级数n3-2根据技术指标由以上公式算得n 5由低通原型滤波器的级数n 求解其集总参数电路中各元件的归一化值根据公式算得元件的归一化值如表31所示表3-1 元件归一化值g0g1g2g3g4g5g610000137121146819750137121146810000由低通原型中各元件的归一化值求解同轴腔体之间各耦合系数以及端口的有载Q值根据公式由技术指标要求得到K12 K45 00067K23 K34 00051QL 13704由滤波器级数指标要求f0和耦合系数MR确定腔体物理结构以及耦合腔体开窗的尺寸33 仿真与测试com 仿真1单腔1 建立本征模求解模型图3-1 单腔模型图表3-2 单腔模型尺寸单位mm腔高腔宽腔长内圆柱半径外圆柱半径内圆柱高外圆柱高82627523759792 仿真图3-2 谐振频率与谐振柱高度关系曲线由图3-2可知当h 790mm时谐振频率f0 17925GHz 2双腔1 建立本征模求解模型图3-3 双腔模型图2 仿真图3-4 窗口宽度与耦合系数的关系曲线从图3-4得出w12 940时K12 00051w12 882时K12 00067 由仿真计算得到的数据如表3-3所示表3-3 尺寸图单位mm12腔L12W12H12X12K12w12R12r1227526830006788237223腔L23W23 H23 X23 K23 w23 R23 R23 275 2683 00051 940 37234腔L34 W34 H34 X34 K34 w34r34 275 2683 00051 940 37245腔L45 W45 H45 X45 K45 w45 R45 r45 275 26800067882372说明表3-3中LWH为单腔的长宽高X是腔与腔之间的壁厚rR分别是圆柱腔的内外半径com 实物加工与测试1 实物根据仿真结果加工制作了如图3-5所示的实物图3-5 滤波器实物图图3-5中1是滤波器输入端2是耦合窗口调谐螺钉3是腔体调谐螺钉4是固定螺钉5是滤波器输出端2根据加工的实物在网络分析仪上进行调试其测试结果如图3-6所示设计目标为通带17851800MHz内S21≥-20dB回波损耗IL≥15dB带外抑制18051830MHz≤-20dB17001755MHz或1830MHz≤-30dB实测结果为通带内S21为-12dB 回波损耗IL为18dB带外抑制18051830MHz为-25dB17001755MHz为-34dB1830MHz为-359dB经过以上分析可知实际测试结果完全符合设计目标要求总结滤波器是现代移动通信等领域不可或缺的基本器件其性能的优劣往往会直接影响整个通信系统的质量在采用各种形式的滤波器中带通滤波器是所有滤波器中使用最多最重要也是最难设计的一种滤波器本论文设计的是18GHz同轴腔带通滤波器前两章介绍了滤波器的研究现状和基本概念理论第三章详细阐述了同轴腔带通滤波器的设计步骤和方法通过参数计算得出了滤波器的阶数理论耦合系数和品质因数由Ansoft HFSS软件仿真出了和理论计算相对应的谐振频率f0和耦合窗口宽度w12等参数并由最终的仿真优化结果设计出了符合技术要求的同轴腔带通滤波器经过网络分析仪调试属于可以应用于实际的合格滤波器通过本次论文设计使我对滤波器的设计和HFSS软件的应用有了较深入的了解为以后在这方面的深入学习奠定了基础参考文献[1] 姚毅等调谐微波滤波器的腔间耦合结构研究[J]微波学报 1994 01 12-15[2] 姜宇等基于HFSS密度测量同轴谐振腔磁耦合环优化设计[J]哈尔滨商业大学学报2010 05 10-14[3] 吴微微波滤波器综合技术的研究[D]西安电子科技大学 2008211-220[4] 贾守礼同轴腔体带通滤波器的研究[D]大连海事大学 2011198-210[5] 姚毅腔体滤波器中侧面耦合孔的等效模型[J]四川轻化工学院学报1994 04 6-8[6] 薛欣同轴腔滤波器机电耦合研究及双圆极化天线设计[D]西安电子科技大201077-85[7] 杨皎皎TD-SCDMA准椭圆函数腔体带通滤波器的设计[D]西安电子科技大学 2007157-163[8] 熊莹霞可调腔体带通滤波器的研究与设计[D]华东师范大学200588-102[9] 王一凡等广义切比雪夫滤波器等效电路参数的提取[J]真空电子技术2007 01 10-13[10] 邓贤进等微波腔体滤波器的快速设计及仿真[J]微波学报2006 04 13-15[11] 郑泽国800MHZ同轴腔体双工器的研制[D]西安科技大学 201165-80[12] 吴边无线通信中微波滤波器的比较设计法与应用研究[D]西安电子科技大学20089208-214[13] 甘本袚等现代微波滤波器的结构与设计[M]上册北京科学出版社 1974[14] 甘本袚等现代微波滤波器的结构与设计[M]下册北京科学出版社 1974[15] 吴须大等同轴腔滤波器与微放电[J]空间电子技术20008 4 6-9。
基于CMOS全差分运算放大器的全集成有源滤波器的设计_解读
基于CMOS全差分运算放大器的全集成有源滤波器的设计_解读全集成有源滤波器是一种基于CMOS全差分运算放大器的滤波器设计，通过集成电路的方式实现滤波器的功能。
CMOS全差分运算放大器具有低功耗、高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特点，适合用于滤波器设计。
在全集成有源滤波器的设计中，首先需要确定滤波器的类型和性能要求，包括截止频率、通带增益、阻带衰减等。
选择合适的滤波器类型可以根据实际应用需求，常见的有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
以设计一个低通滤波器为例，设计流程如下：首先确定滤波器的截止频率。
截止频率是滤波器的特征参数之一，决定了滤波器的频率响应。
根据实际需求选择合适的截止频率。
然后确定滤波器的阶数。
滤波器的阶数决定了滤波器对信号的衰减速度。
一般而言，阶数越高，滤波器的陡峭度越高，但相应的设计复杂度也增加。
根据实际需求选择合适的阶数。
接下来根据截止频率和阶数的要求，可以利用标准滤波器设计方法进行设计。
常用的设计方法有巴特沃斯法、切比雪夫法、椭圆法等。
每种方法的特点和性能各有不同，根据实际需求选择合适的设计方法。
设计完成后，需要根据选择的CMOS全差分运算放大器，进行电路图设计和电路参数计算。
CMOS全差分运算放大器的电路图包括输入级、差动放大级和输出级等。
通过合理的设计和参数选择，实现所需的滤波器增益和频率特性。
最后，进行电路模拟和性能分析。
利用仿真工具对设计的滤波器进行电路模拟和分析，验证滤波器的性能是否符合预期要求。
如果需要，可以进行电路参数的微调和优化。
总结起来，基于CMOS全差分运算放大器的全集成有源滤波器的设计是一个系统性的工程，包括滤波器类型选择、截止频率和阶数的确定、设计方法选择、电路图设计和电路参数计算等。
通过合理的设计和参数选择，可以实现满足实际应用需求的滤波器。
微带滤波器设计
BW (60dB点) BW (3dB点)
(14) 止带（stop band 或 reject band） ：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点（如 60dB 点）的带宽
滤波器设计理论
1. 低通滤波器设计是基础
11
– 高通滤波器可用带通滤波器（当通带高 端很高时）代替 – 带阻滤波器可看成低通滤波器与高通滤 波器的组合 – 低通滤波器是带通滤波器的特例 – 低通滤波器原型可作为带通滤波器设计 基础
(4)基本串联带阻滤波器（见图5-5） 基本并联带阻滤波器
基本并联带阻滤波器 基本串联带阻滤波器
4
图5-5 (5)基本滤波器电路的串联、并联构成更复杂的多级滤波器（见 图5-6）
(a) 8个极点的低通滤波器
(b) 6个极点带通滤波器
图5-6
分布参数滤波器
(1)并联λ/4短路线构成的带通滤波器 （见图5-7）
,n
原型滤波器的元件值的归一化及其计算 22
对于两端具有电阻终端的切比雪夫滤波器，当其通带波纹为 LArdB、g0 = 1和ω'1 = 1，它的原型元件值可按以下各式计算：
β = ln⎜ coth
⎝ ⎛ L Ar ⎞ ⎟ 17.37 ⎠ ⎛β ⎞ γ = sinh ⎜ ⎟ ⎝ 2n ⎠ ⎡ (2k − 1)π ⎤ a k = sin ⎢ ⎥, k = 1,2, ⎣ 2n ⎦ ⎛ kπ ⎞ bk = γ 2 + sin 2 ⎜ ⎟, k = 1,2, ⎝ n ⎠ 2a g1 = 1 r
2
式中ρ为驻波系数
定义负载电流的相位φT为
φT = arg(I L )
则群时延（group delay）τD为 ∂φ T 1 dφ T τD = = （秒） ∂ω 2π df τ D 表示信号经过滤波器的时延。信号带宽内不同频率分量时延 不同将引起调频信号的畸变。最大可允许的畸变可以用DLP来量 度。DLP定义为在给定频带范围内器件相位与线性变化时的相位 的最大偏离
微波滤波器设计
引言滤波器是一种二端口网络。
它具有选择频率的特性，即可以让某些频率顺利通过，而对其它频率则加以阻拦，目前由于在雷达、微波、通讯等部门，多频率工作越来越普遍，对分隔频率的要求也相应提高；所以需用大量的滤波器。
再则，微波固体器件的应用对滤波器的发展也有推动作用，像参数放大器、微波固体倍频器、微波固体混频器等一类器件都是多频率工作的，都需用相应的滤波器。
更何况，随着集成电路的迅速发展，近几年来，电子电路的构成完全改变了，电子设备日趋小型化。
原来为处理模拟信号所不可缺少的LC型滤波器，在低频部分，将逐渐为有源滤波器和陶瓷滤波器所替代。
在高频部分也出现了许多新型的滤波器，例如：螺旋振子滤波器、微带滤波器、交指型滤波器等等。
虽然它们的设计方法各有自己的特殊之点，但是这些设计方法仍是以低频“综合法滤波器设计”为基础，再从中演变而成，我们要讲的波导滤波器就是一例。
通过这部分内容的学习，希望大家对复变函数在滤波器综合中的应用有所了解。
同时也向大家说明：即使初看起来一件简单事情或一个简单的器件，当你深入地去研究它时，就会有许多意想不到的问题出现，解决这些问题并把它用数学形式来表示，这就是我们的任务。
谁对事物研究得越深，谁能提出的问题就越多，或者也可以说谁能解决的问题就越多，微波滤波器的实例就能很好的说明这个情况。
我们把整个问题不断地“化整为零”，然后逐个地加以解决，最后再把它们合在一起，也就解决了大问题。
这讲义还没有对各个问题都进行详细分析，由此可知提出问题的重要性。
希望大家都来试试。
第一部分滤波器设计§1-1 滤波器的基本概念图 1图1 的虚线方框里面是一个由电抗元件L 和C 组成的两端口。
它的输入端1-1'与电源相接，其电动势为E g，内阻为R1。
二端口网络的输出端2－2' 与负载R2相接，当电源的频率为零（直流）或较低时，感抗jωL很小，负载R2两端的电压降E2比较大（当然这也就是说负载R2可以得到比较大的功率）。
滤波器系列5——短截线低通滤波器设计
——短截线低通滤波器设计
电路模型
✧设计步骤
p第1步：计算设计【向导工具】
ü设计集总参数滤波器
ü理查德变换：【电感→8短路线】，【电容→8开路线】ü科洛达关系(仅适用于低通或带阻)：串联电感⇆并联电容
ü转换为滤波器微带线原理图
p第2步：仿真验证
ü滤波器传输线原理图的建立及仿真
ü滤波器微带线原理图的建立及仿真
ü滤波器版图的生成及仿真
设计一个短截线的等波纹低通滤波器，截止频率为4GHz，3阶，阻抗为50欧。
微带基片参数如下：厚度=1.58 mm，=4.2，tanδ =0.02，铜导带厚度0.5 mil。
p第1步：
ü设计集总参数滤波器
ü理查德变换【LC to Tline】
•电感→8短路线
•电容→8开路线
ü理查德变换结果
ü科洛达关系【TLine to TLine(Kuroda)】：串联电感⇆并联电容
ü科洛达关系结果：得到滤波器传输线原理图
üLC, TLine to Microstrip：转换为滤波器微带线原理图
ü得到滤波器微带线原理图
p第2步：仿真验证
ü滤波器传输线原理图的建立与仿真
ü滤波器微带线原理图的建立与仿真
ü滤波器版图的生成与仿真。
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集总参数滤波器的设计作者：李艳莉
来源：《硅谷》2012年第21期
摘要：首先介绍集总参数滤波器的设计方法，设计一个集总参数带通滤波器，中心频率为200MHz，带宽20MHz，两个端口的特征阻抗为50Ω，带内插入损耗210MHz处阻带衰减>15dB，利用ADS软件进行仿真和优化。
关键词：集总参数；滤波器；ADS
中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1110051-02
0 引言
滤波器是是一种具有频率选择特性的无源器件，从各种不同频率的信号中，滤出有用信号，抑制掉无用或者有害的频率信号。
在无线通信应用技术领域，无源滤波器作为一个重要器件，其指标往往直接影响整个通信系统的性能优劣。
而且随着移动通信、雷达、微波毫米波通信、卫星通信、无线导航等民用、军事电子等各类通信系统的增加，使得电磁环境异常复杂，导致通信系统中的频率资源越来越稀缺，所以通信系统频率间隔也变得越来越密集。
如何在日益稀缺的频率资源内，无失真地取出通信系统所在工作频率需要的信号，抑制其他无用或有害信号，为滤波器提出了更为严格的要求。
随着微波技术和电子器件的发展，各种滤波器层出不穷，但是如何在满足技术指标的前提下尽可能做出体积小、成本低并易于量产的滤波器是工程应用的核心问题。
为了满足上述要求，在百兆微波频段内，集总参数LC滤波器作为首选应用在电子和通信设备中[1]。
1 集总参数滤波器的设计方法
按照对频率成分的过滤特性，滤波器可以分为低通、带通、高通和带阻滤波器四种类型，其中低通滤波器是其他类型滤波器设计的基础，另外三种滤波器可以通过低通滤波器变换得到。
由于不需要内在的推测关系，网络综合法已经取代了传统的镜像参数法，成为了集总参数LC滤波器的主要设计方法[2]。
其主要的设计步骤为：
1）根据技术指标确定所需原型低通滤波器（LPF）的元件个数；根据所需求的滤波特性来得到低通滤波器的结构类型，通过查表得到LPF的阶数N；
2）由LPF的阶数N得出原型低通滤波器的电路结构，然后查表得到归一化低通滤波器电路中各LC器件的值；
3）运用频率和元件变换关系反推出所需类型滤波器的电路结构及其各个元件参数值。
微波通信电路中常用的是带通滤波器，因此本文以带通滤波器（BPF）为例研究集总参数LC滤波器的设计和优化，下面给出由归一化低通滤波器设计带通滤波器的具体步骤如图1所示：
1）设计一个归一化LPF，该滤波器的截止频率和BPF带宽相同；
2）按照LPF和BPF的基本单元，进行元件和电路变换。
按照对应关系将LPF的四种基本构成单元变换成对应的BPF基本单元[3-4]；
3）将设计得到的BPF电路模型建立ADS模型，仿真滤波器的性能曲线，如果指标不能达到要求需要返回第一步对滤波器进行优化，直至指标满足要求为止。
2 带通滤波器的ADS仿真与性能优化
在实际的制作滤波器的过程中，由于理想的滤波器的特性难以实现，因此设计中都是按照某个特定函數形式来设计的，各函数形式各有突出特点，主要反映在截止特性、通带内的衰减特性和相位特性等。
其中切比雪夫型（又称等波纹滤波器）函数形式由于通带内有等波纹起伏，而且截止特性特别好，成了集总参数LC滤波器常用的电路类型。
下面通过ADS软件仿真给出集总参数LC滤波器的设计和优化过程。
2.1 滤波器指标
设计一个三阶切比雪夫型带通滤波器，中心频率为200MHz，带宽20MHz，两个端口的特征阻抗为50Ω。
具体指标为：
带内插入损耗
带内波纹
在f210MHz处阻带衰减>15dB。
2.2 ADS仿真
首先要依据归一化的低通滤波器设计出一个通带宽度等于待设计带通滤波器带宽、特征阻抗等于待设计带通滤波器特征阻抗的低通滤波器，由于待设计带通滤波器的带宽是20MHz，特征阻抗是50Ω，所以这里所要设计的低通滤波器的截止频率应为20MHz，特征阻抗是
50Ω。
带通滤波器基本电路单元中各元件的值可由经验公式计算出来[5]，得到所如图2的三阶切比雪夫型T形归一化低通滤波器ADS仿真模型。
三阶切比雪夫带通滤波器采用标称值电感电容在ADS软件中的仿真结果如图3所示：
从图3中的S21仿真曲线可以看出，设计的三阶切比雪夫滤波器在中心频率200MHz插入损耗较小，达到指标要求，但是整个设计通带内，插入损耗较大，在f220MHz处阻带衰减分别为20.797dB和17.847dB，都大于15dB，且带内波纹
2.3 三阶切比雪夫型带通滤波器的优化
仿真优化能改善射频系统的性能，必须首要改进其各个功能部件的性能指标。
软件仿真是提高工作效率的一条捷径，利用ADS对此电路进行优化，主要对反应通带和阻带的插入损耗和带内波纹的S21进行优化。
其优化仿真结果如图4。
通过图4优化仿真的结果可以看出，该滤波器优化后得到在截止频率190MHz和210MHz 处的插损都分别为0.505dB和0.520dB，和设计要求的0.5dB相差不大，基本符合设计要求，通带内波纹起伏也很小，控制在3dB以内，其整体设计结果基本都满足指标要求。
3 结束语
总结了由归一化低通滤波器设计带通滤波器的方法。
利用ADS仿真软件对滤波器进行设计、仿真、优化，并最终达到设计指标。
参考文献：
[1]薛培鼎（译），LC滤波器设计与制作，北京：科学出版社，2005.
[2]周兰飞、王璟、张玲，一种高频带通LC滤波器的设计方法[J].电讯技术，2008（06）.
[3]刘砚涛、刘玉蓓、尹伟，LC滤波器设计方法介绍及其仿真特性比较[J].电子测量技术，2010（5）.
[4]轩秀巍、董健、滕建辅，LC滤波器设计的优化解析公式[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2009（02）.。