集总参数带通滤波器
课程设计Ⅳ报告
题目集总参数带通滤波器的设计
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基于ADS的集总参数带通滤波器的设计
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
利用ADS软件设计一个集总参数带通滤波器，集总参数带通滤波器设计指标如下。
带通滤波器的中心频率为150MHz。
通带频率范围为140MHz到160MHz。
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。
引言.............................................................................................................................. - 1 - 一．创建原理图......................................................................................................... - 2 - 二．利用设计向导生成集总参数带通滤波器原理图........................................... - 2 - 三．观察原理图的仿真结果 .................................................................................... - 4 - 四．实现集总参数带通滤波器的原理图 ............................................................... - 7 - 1．创建新设计.................................................................................................... - 7 - 2．设计原理图.................................................................................................... - 7 - 3．原理图仿真与优化..................................................................................... - 11 - 参考文献.................................................................................................................... - 17 -
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。
一．创建原理图
下面将在LC_Filter项目中创建带通滤波器原理图，创建原理图的方法很多，这里创建原理图的步骤如下。
（1）选择主视窗中【File】菜单→【Open Project】，弹出【Open Project】对话框，【Open Project】。
（2）在【Open Project】对话框中选择LC_Filter_prj，然后单击对话框中的【OK】按钮，进入LC_Filter项目。
（3）在主视窗的工具栏中选择按钮，弹出一个未命名的原理图untitled1，在未命名的原理图untitled1上，选择菜单【File】→【Save Design】，弹出【Save Design As】对话框。
（4）在【Save Design As】对话框中输入文件名Filter_Bandpass1，单击"保存"，将原理图命名为Filter_Bandpass1。
二．利用设计向导生成集总参数带通滤波器原理图
（1）在原理图Filter_Bandpass1中，选择【DesignGuide】菜单→【Filter】，弹出【Filter】对话框，在对话框中选择【Filter Control Window】项。
（2）单击【Filter】对话框中的【OK】按钮，关闭【Filter】对话框，同时将弹出滤波器设计向导【Filter DesignGuide】的初始窗口。
（3）在【Filter DesignGuide】窗口中，单击工具栏中的按钮【Component Palette-All】，在Filter_Bandpass1原理图中出现【Filter DG-All】列表下的元器件面板，【Filter DG-All】元器件面板上列出了各种类型滤波器的设计向导，包括集总元器件低通、高通、带通和带阻滤波器设计向导。
（4）在【Filter DG-All】元器件面板上，选择双端口带通滤波器，插入到原理图的画图区，然后单击按钮，结束当前命令。原理图中的双端口带通滤波器如图
1所示。
图1 双端口带通滤波器原理图
（5）重新回到【Filter DesignGuide】窗口，单击窗口中的【Filter Assistant】按钮，在【Filter DesignGuide】窗口中出现滤波器设计向导，如图2所示，图2中【SmartComponent】项为DA_LCBandpassDT1,说明Filter_Bandpass1原理图中现
在出现了快捷元器件DA_LCBandpassDT1，设计向导就是用来设计原理图中的快捷元器件DA_LCBandpassDT1，同时可以看出，图2中出现了带通滤波器的曲线。
图2 滤波器设计向导中的设置选项
图2是初始状态，在图2中选择如下参量。
选择First Element为Series，也即选择滤波器的第一个元器件为串联方式。Response Type选为Maximally Flat，也即滤波器响应的方式选为最大平滑（也称为巴特沃斯滤波器）。
Fs1选为100MHz。阻带频率Fs1选为100MHz。
Fp1选为140MHz。通带频率Fp 1选为140MHz。
Fp2选为160MHz。通带频率Fp 2选为160MHz。
Fs2选为200MHz。阻带频率Fs2选为200MHz。
Ap（dB）选为3。在通带频率内，最大衰减为3 dB。
As（dB）选为30。在阻带频率上，衰减为30dB。
其余选项保持默认状态。
单击【Filter DesignGuide】窗口中的【Design】按钮，软件中的设计向导完成设计。
（6）现在观察【Filter DesignGuide】窗口，可以看到现在窗口中的曲线已经改变为图3，图3是符合指标的滤波器曲线。
图3 滤波器设计向导中符合指标的设定
由图3可以看出，在通带内滤波器的响应是平滑的，在阻带内滤波器的衰减随着频率的升高单调上升，这是巴特沃斯带通滤波器。关闭【Filter DesignGuide】窗口。
（7）现在原理图中的DA_LCBandpassDT1元器件已经有了子电路，下面观察子电路，观察子电路的步骤如下。
在原理图中选中DA_LCBandpassDT1 元器件。
然后单击原理图工具栏中的按钮，进入DA_LCBandpassDT1元器件的子电路，DA_LCB andpassDT1元器件的子电路如图1所示。
由图4可以看出，满足技术指标的滤波器阶数为3。
图4 带通滤波器子电路
（8）在原理图的工具栏中，单击按钮，由DA_LCBandpassDT1元器件子电路退出，回到图1所示的原理图中。
三．观察原理图的仿真结果
下面在带通滤波器原理图Filter_Bandpass1中设置仿真控件，来观察DA_LCBandpassDT1元器件的S参数，DA_LCBandpassDT1元器件的子电路为集总
参数带通滤波器。
（1）打开Filter_LowBandpass1原理图。
（2）在原理图Filter_Bandpass1上选择S参数仿真元器件面板，在元器件面板上选择负载终端Term，将负载终端Term两次插入到原理图中，定义负载终端Term1为输入端口，负载终端Term2为输出端口。
（3）在原理图工具栏中单击按钮，将地线（GROUND）两次插入原理图，让两个负载终端Term接地。
（4）单击工具栏中的按钮，将原理图中的负载终端Term和带通滤波器连接起来，连接方式如图5所示。
图5带有负载终端的带通滤波器原理图
（5）在S参数仿真元器件面板上，选择S参数仿真控件SP，插入到原理图画图区，对S参数仿真控件设置如下。
频率扫描类型选为线性Linear。
频率扫描的起始值设为50MHz。
频率扫描的终止值设为250MHz。
频率扫描的步长设为10MHz。
其余的参数保持默认状态。
单击S参数仿真控件设置窗口中的OK，完成对S参数仿真控件的设置，现在用于仿真的集总参数带通滤波器原理图如图6所示。
图6用于仿真的集总参数带通滤波器原理图
（6）现在可以对图6所示的原理图仿真了。在原理图工具栏中单击按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。数据显示视窗的初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式，这里选择的步骤如下。
在数据显示视窗中，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入到数据显示区。选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的S21。
在S21曲线上插入四个Marker，S21曲线如图7所示。
单击工具栏中的按钮，保存数据。
（7）由图7可以看出，S21曲线在100MHz、140MHz、160MHz和200MHz处的值如下。
在100MHz处，S21的值为-47.523dB。
在140MHz处，S21的值为-3.000dB。
在200MHz处，S21的值为-3.000dB。
在200MHz处，S21的值为-38.587dB。
S21曲线符合最大平滑响应，在四个Marker处图中的参数满足指标要求。
图7带通滤波器数据显示
四．实现集总参数带通滤波器的原理图
实际的集总参数带通滤波器，集总参数元器件之间需要有传输线连接，由于分布参数的影响，传输线会对滤波器的技术指标有影响，因此需要考虑加入传输线后滤波器的设计情况。
集总参数带通滤波器设计指标如下。
带通滤波器的中心频率为150MHz。
通带频率范围为140MHz到160MHz。
通带内最大衰减为3dB。
在100MHz时衰减大于30dB。
在200MHz时衰减大于30dB。
特性阻抗选为50Ω。
微带线基板的厚度选为1mm，基板的相对介电常数选为4.2。
连接集总参数元器件的微带线，长选为4mm，宽选为1.5mm。
连接集总参数元器件的弧形微带线，半径选为2.5mm，宽选为1.5mm。
1．创建新设计
创建一个新设计Filter_Bandpass2，这个设计依旧保存在LC_Filter项目之中。创建新设计的步骤如下。
（1）选择主视窗中【View】菜单→【Startup Directory】，然后在主视窗中的文件浏览区选择LC_Filter_prj，双击进入LC_Filter项目。
（2）在主视窗中选择【File】菜单→【New Design】，弹出【New Design】对话框，在【New Design】对话框中，输入新建的设计名称Filter_Bandpass2，并选择对话框中【Create New Design in】项中的New Schematic Window（新建原理图视窗），以及选择【Schematic Design Templates】（原理图设计模板）项中的none，然后单击【OK】按钮，新建的原理图Filter_Bandpass2自动打开。
2．设计原理图
在Filter_Bandpass2原理图上，根据图4搭建带通滤波器原理图电路。由于带通滤波器在微带线上搭建，电感和电容元器件之间需要有一定的间距，因此电感和电容之间需要由微带线连接。
（1）设置微带线参数
在原理图的元器件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】，元器件面板上出现与微带线对应的元器件图标。在微带线元器件面板上，选择MSUB插入到原理图的画图区，在画图区中双击MSub，弹出【Microstrip Substrate】设置对话框，在【Microstrip Substrate】设置对话框中对微带线参数设置如下。
H=1mm，表示微带线基板的厚度为1mm。
Er=4.2，表示微带线基板的相对介电常数为4.2。
Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。
Cond=4.1E+7，表示微带线导体的电导率为4.1E+7。
Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装高度为1.0e+033mm。
T=0.05mm，表示微带线的导体层厚度为0.05mm。
TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003。
Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为0 mm。
完成设置的微带线MSUB控件如图8所示。
（2）搭建原理图的中心连接
在微带线元器件面板上，选择MTEE插入到原理图的画图区，MTEE是微带线的T形结。双击画图区的MTEE，在弹出的设置窗口中设置W1=1.5mm、W2=1.5mm 和W3=1.5mm。
在微带线元器件面板上，选择MLIN插入到原理图的画图区，MLIN是一段长度的微带线。双击画图区的MLIN，将微带线的宽度W和长度L设置为W=1.5mm和L=4mm。
单击工具栏中的按钮，将前面的MTEE和MLIN连接起来，连接方式如图9所示。
图8 微带线参数设置
图9 1个MTEE和1个MLIN连接
（3）搭建原理图中电感和电容的串联电路
在微带线元器件面板上，选择微带线MLIN插入到原理图的画图区，插入3次MLIN微带线。双击画图区的MLIN，将3个MLIN微带线的宽度W和长度L都设置为W=1.5mm和L=4mm。
在原理图的元器件面板列表上，选择集总参数元器件【Lumped-Components】，元器件面板上出现与集总参数元器件对应的元器件图标。在集总参数元器件面板上，分别选择电感L和电容C插入到原理图的画图区。分别双击画图区的电感L 和电容C，打开电感L和电容C的设置对话框，将电感L和电容C的数值分别设置为L=397.573nH和C=2.844pF。
单击工具栏中的按钮，将前面的电感、电容和3个MLIN连接起来，连接方式如图10所示。
图10 原理图中电感和电容的串联电路
（4）搭建原理图中电感和电容的并联电路
在微带线元器件面板上，选择Mcurve插入到原理图的画图区，共插入4个Mcurve。双击画图区的Mcurve，将它们的数值都设置为W=1.5mm、Angle=90、Radius=2.5mm。
在微带线元器件面板上，选择MTEE插入到原理图的画图区，共插入2个MTEE。双击画图区的MTEE，在弹出的设置窗口中设置W1=1.5mm、W2=1.5mm 和W3=1.5mm。在工具栏中单击按钮，将地线（GROUND）插入到原理图，让一个MTEE接地。
在集总参数元器件面板上，分别选择电感L和电容C插入到原理图的画图区。分别双击画图区的电感L和电容C，打开电感L和电容C的设置对话框，将电感
L和电容C的数值分别设置为L=3.555nH和C=318.058pF。
单击工具栏中的按钮，将前面的电感、电容、T型结与微带线连接起来，连接方式如图11所示。
图11 原理图中电感和电容的并联电路
（5）搭建带通滤波器的原理图
复制一次图10，将图10的电路连接在图9电路的两边。
将图11的电路连接在图9电路的下边。
这时原理图如图12所示，这是带通滤波器的原理图。
图12 带通滤波器原理图
（6）带有终端负载的带通滤波器原理图
选择S参数仿真元器件面板，在元器件面板上选择负载终端Term，两次插入到原理图中，定义负载终端Term1为输入端口，负载终端Term2为输出端口。在原理图工具栏中单击按钮，将地线（GROUND）两次插入原理图，让负载终端Term接地。
单击工具栏中的按钮，将原理图中的两个负载终端Term和带通滤波器连接起来，连接方式如图13所示。
图13 带有终端负载的带通滤波器原理图
3．原理图仿真与优化
在仿真之前，首先设置S参数仿真控件SP，SP对原理图中的仿真参量给出取值范围，当S参数仿真控件SP确定后，就可以仿真了。
（1）在S参数仿真元器件面板上，选择S参数仿真控件SP，插入到原理图画图区，对S参数仿真控件SP设置如下。
频率扫描类型选为线性Linear。
频率扫描的起始值设为0MHz。
频率扫描的终止值设为250MHz。
频率扫描的步长设为10MHz。
其余的参数保持默认状态。
单击S参数仿真控件设置窗口中的【OK】按钮，完成对S参数仿真控件的设置，现在S参数仿真控件如图14所示。
（2）现在可以对带通滤波器的原理图仿真了。在原理图工具栏中单击按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。
（3）数据显示视窗的初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式，这里选择的步骤如下。
在数据显示视窗中，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入到数据显示区。选择矩形图的横轴为频率，纵轴为用分贝（dB）表示的S21。
S21曲线如图15所示。比较图15与图7可以看出，在原理图中添加微带线后，S21曲线发生很大变化。
单击工具栏中的保存按钮，保存数据。
图14 带通滤波器的S参数仿真控件
图15 带通滤波器数据显示
（4）图15与图7的曲线有差异，需要调整原理图。下面采用优化来改变电感和电容的取值，以期达到合格的曲线。在优化与仿真之前，首先需要设置原理图中电容和电感的优化取值范围，然后再添加优化控件和目标控件，当设置完优化控件和目标控件后，就可以仿真了。
（5）设置原理图中电感L1的优化取值范围。双击原理图中的电感L1，弹出【Inductor】窗口，在窗口中单击【Tune/Opt/Stat/DOE Setup】按钮，打开【Setup】设置窗口，在【Setup】窗口中设置如下。
选择【优化Optimization】按钮。
在Optimization Status栏选择Enabled。
在Type栏选择Continuous。
在Format栏选择min/max。
在Minimum Value栏填入100nH。
在Maximum Value栏填入800nH 。
单击两次OK完成【Setup】和【Inductor】窗口的设置。完成设置的【Inductor】和【Setup】窗口如图16所示。
(a)电感设置初始窗口(b)设置电感优化取值范围
图16 设置原理图中电感L1的优化取值范围
（6）设置原理图中电容C1的优化取值范围。双击原理图中的电容C1，弹出【Capacitor】窗口，在窗口中单击【Tune/Opt/Stat/DOE Setup】按钮，打开【Setup】设置窗口，在【Setup】窗口中设置如下。
选择【优化Optimization】按钮。
在Optimization Status栏选择Enabled。
在Type栏选择Continuous。
在Format栏选择min/max。
在Minimum Value栏填入0.5pF。
在Maximum Value栏填入8pF 。
单击两次【OK】按钮完成【Setup】和【Capacitor】窗口的设置。完成设置的【Capacitor】和【Setup】窗口如图17所示。
（7）用同样的方法设置原理图中电感L2、电感L3、电容C2和电容C3的优化取值范围，优化取值范围选为。
电感L2在Minimum Value栏填入2nH，在Maximum Value栏填入6nH。
电容C2在Minimum Value栏填入80pF ，在Maximum Value栏填入800pF。
电感L3在Minimum Value栏填入100nH，在Maximum Value栏填入800nH。
电容C3在Minimum Value栏填入0.5pF ，在Maximum Value栏填入8pF。
(a)电容设置初始窗口(b)设置电容优化取值范围
图17 设置原理图中电容C1的优化取值范围
（8）在原理图的元器件面板列表上，选择优化元器件【Optim/Stat /DOE】项，
元器件面板上出现与【Optim/Stat /DOE】对应的元器件图标。在元器件面板上，选择优化控件Optim插入到原理图的画图区，并选择目标控件Goal插入到原理图的画图区，共插入3个目标控件Goal。
（9）双击画图区的优化控件Optim，打开【Nominal Optimization】窗口，在【Nominal Optimization】窗口中设置优化控件，设置优化控件的步骤如下。
选择随机Random优化方式。
优化次数选择50次。
其余的选项保持默认状态。
设置完成的【Nominal Optimization】窗口如图18所示。
图18 设置优化控件
（10）下面设置目标控件Goal1。双击目标控件1，设置如下。
选择Expr为dB(S(2,1))。选择目标控件的期望值为用dB表示的S21。
选择Min为-3。期望值S21的最小值为-3dB。
选择RangeVar[1]为freq。变量选为频率。
选择RangeMin[1]为140MHz。频率的最小值选为140MHz。
选择RangeMax[1]为160MHz。频率的最小大选为160MHz。
其余的选项保持默认状态。
（11）用同样的方法设置目标控件2和目标控件3。
目标控件2的设置如下。
选择Expr为dB(S(2,1))。选择目标控件的期望值为用dB表示的S21。
选择Max为-30。期望值S21的最大值为-30dB。
选择RangeVar[1]为freq。变量选为频率。
选择RangeMin[1]为98MHz。频率的最小值选为98MHz。
选择RangeMax[1]为100MHz。频率的最大值选为100MHz。
其余的选项保持默认状态。
目标控件3的设置如下。
选择Expr为dB(S(2,1))。选择目标控件的期望值为用dB表示的S21。
选择Max为-30。期望值S21的最大值为-30dB。
选择RangeVar[1]为freq。变量选为频率。
选择RangeMin[1]为200MHz。频率的最小值选为200MHz。
选择RangeMax[1]为202MHz。频率的最大值选为202MHz。
其余的选项保持默认状态。
原理图中设置完成的优化控件Optim和目标控件Goal如图19所示。
图19 设置完成的优化控件和目标控件
（12）现在原理图如图20所示。
图20 用于优化的带通滤波器原理图
（13）现在可以对图20所示的原理图仿真了。在原理图工具栏中单击仿真【Simulate】图标，运行仿真，仿真过程中弹出了仿真状态窗口，记录了频率扫描范围、变量取值和仿真花费的时间等。仿真结束后，选择【Simulate】菜单→【Update Optimization Values】命令，将优化后的电感和电容值保存在原理图中，优化后的电感和电容值如下。
L1=201.489nH和C1=4.692 46pF。
L2=4.984 06nH和C2=105.544pF。
L3=218.685nH和C3=4.231 31pF。
（14）仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。在数据显示视窗用矩形图表示S21曲线，矩形图横轴为频率范围，纵轴是用分贝（dB）表示的S21。单击工具栏中的按钮，在曲线100MHz、140MHz、160MHz和200MHz处各插入个标记，插入标记的S21曲线如图21所示。
图21带通滤波器原理图优化数据
由图21可以看出，S21曲线在100MHz、140MHz、160MHz和200MHz处的值如下。
在100MHz处，S21的值为-33.700dB。
在140MHz处，S21的值为-0.688dB。
在160MHz处，S21的值为-2.398dB。
在200MHz处，S21的值为-30.133dB。
以上数据满足技术指标。
滤波器主要参数
滤波器的主要参数（Definitions）： 中心频率（CenterFrequency）： 滤波器通带的频率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f 1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。 截止频率（Cutoff Frequency）： 指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。 通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。相对损耗的参考基准为： 低通以DC处插损为基准，高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。 通带带宽（BWxdB）： 指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。f 1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。通常用X= 3、1、 0.5即BW3d B、BW1d B、BW 0.5dB表征滤波器通带带宽参数。分数带宽（fractionalbandwidth） =BW3dB/f0×100[%]，也常用来表征滤波器通带带宽。 插入损耗（InsertionLoss）：
由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征，如要求全带内插损需强调。 纹波（Ripple）： 指1dB或3dB带宽（截止频率）范围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。 带内波动（PassbandRiplpe）： 通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。 带内xx（VSWR）： 衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。理想匹配VSWR=1：1，失配时VSWR<1。对于一个实际的滤波器而言，满足VSWR<1 BWdBdiv>在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的电压幅值Vmax与波节处的电压幅值Vmin 之比。 回波损耗（Return Loss）： 端口信号输入功率与反射功率之比的分贝（dB）数，也等于|20Log10ρ|，ρ为电压反射系数。输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。 回波损耗，又称为反射损耗。是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射。 从数学角度看，回波损耗为-10 lg [(反射功率)/(入射功率)]。 回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。 阻带抑制度： 衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。通常有两种提法：
用微波仿真软件设计一个集总(或分布)参数 滤波器
绪论 微波（Microwave）是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短（即频率最高）的波段，其频率范围从300MHz（波长1m）至3000GHz（波长0.1mm）。通常又将微波段划分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个分波阶段，在通信和雷达工程上还使用拉丁字母来表示微波更细的分波段。表1给出了常用微波分波段的划分。 表1 常用微波分波段的划分 波段符号频率/GHz 波段符号频率/GHz UHF 0.3--1.12 Ka 26.5--40.0 L 1.12--1.7 Q 33.0--50.0 LS 1.7--2.6 U 40.0--60.0 S 2.6--3.95 M 50.0--75.0 C 3.95--5.85 E 60.0--90.0 XC 5.85--8.2 F 90.0--140.0 X 8.2--12.4 G 140.0--220.0 Ku 12.4--18.0 R 220.0--325.0 K 18.0--26.5 对于低于微波频率的无线电波，其波长远大于电系统的实际尺寸，可用集总参数电路的理论进行分析，即为电路分析法；频率高于微波波段的光波、X射线、γ射线等，其波长远小于电系统的实际尺寸，甚至与分子、原子的尺寸相比拟，因此可用光学理论进行分析，即为光学分析法；而微波则由于其波长与电系统的实际尺寸相当，不能用普通电子学中电路的方法研究或用光学的方法直接去研究，而必须用场的观点去研究，即由麦克斯韦尔方程组出发，结合边界条件来研究系统内部的结构，这就是场分析法。 正因为微波波长的特殊性，所以它具有以下特点。 （1)似光性 微波具有类似光一样的特性，主要表现在反射性、直接传播性及集束性等几方面，即：由于微波的波长与地球上的一般物体（如飞机、轮船、汽车等）的尺寸相比要小得多，或在同一量级，因此当微波照射到这些物体上时会产生强烈的反射，基于此特性人们发明了雷达系统；微波如同光一样在空间直线传播，如同光可聚焦成光束一样，微波也可通过天线装置形成定向辐射，从而可以定向传输或接收由空间传来的微弱信号以实现微波通信或探测。 （2）穿透性 微波照射到介质时具有穿透性，主要表现在云、雾、雪等对微波传播的影响较小，这为全天候微波通信和遥感打下了基础，同时微波能穿透生物体的特点也为微波生物医学打下了基础；另一方面，微波具有穿越电离层的透射性，实验证明：微波波段的几个分波段，如1--10GHz、20--30GHz及91GHz附近受电离层的影响较小，可以较为容易的由地面向外层空间传播，从而成为人类探索外层空间的“无线电窗口”，它为空间通信、卫星通信、卫星遥感和射电天文学的研究提供了难得的无线电通道。 （3）宽频带特性 我们知道，任何通信系统为了传递一定的信息必须占有一定的频带，为传输某信息所需的频
(完整word版)微带线带通滤波器的ADS设计
应用ADS设计微带线带通滤波器 1、微带带通微带线的基本知识 微波带通滤波器是应用广泛、结构类型繁多的微波滤波器，但适合微带结构的带通滤波器结构就不是那么多了，这是由于微带线本身的局限性，因为微带结构是个平面电路，中心导带必须制作在一个平面基片上，这样所有的具有串联短截线的滤波器都不能用微带结构来实现；其次在微带结构中短路端不易实现和精确控制，因而所有具有短路短截线和谐振器的滤波器也不太适合于微带结构。 微带线带通滤波器的电路结构的主要形式有5种： 1、电容间隙耦合滤波器 带宽较窄，在微波低端上显得太长，不够紧凑，在2GHz以上有辐射损耗。 2、平行耦合微带线带通滤波器 窄带滤波器，有5％到25％的相对带宽，能够精确设计，常为人们所乐用。但其在微波低端显得过长，结构不够紧凑；在频带较宽时耦合间隙较小，实现比较困难。 3、发夹线带通滤波器 把耦合微带线谐振器折迭成发夹形式而成。这种滤波器由于容易激起表面波，性能不够理想，故常把它与耦合谐振器混合来用，以防止表面波的直接耦合。这种滤波器的精确设计较难。
4、1/4波长短路短截线滤波器 5、半波长开路短截线滤波器 下面主要介绍平行耦合微带线带通滤波器的设计，这里只对其整个设计过程和方法进行简单的介绍。 2、平行耦合线微带带通滤波器 平行耦合线微带带通滤波器是由几节半波长谐振器组合而成的，它不要求对地连接，结构简单，易于实现，是一种应用广泛的滤波器。整个电路可以印制在很薄的介质基片上(可以簿到1mm以下)，故其横截面尺寸比波导、同轴线结构的小得多；其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟，但采用高介电常数的介质基片，使线上的波长比自由空间小了几倍，同样可以减小；此外，整个微带电路元件共用接地板，只需由导体带条构成电路图形，结构大为紧凑，从而大大减小了体积和重量。 关于平行耦合线微带带通滤波器的设计方法，已有不少资料予以介绍。但是，在设计过程中发现，到目前为止所查阅到的各种文献，还没有一种能够做到准确设计。在经典的工程设计中，为避免繁杂的运算，一般只采用简化公式并查阅图表，这就造成较大的误差。而使用电子计算机进行辅助设计时，则可以力求数学模型精确，而不追求过分的简化。基于实际设计的需要，我对于平行耦合线微带
阶有源带通滤波器设计及参数计算
滤波器是一种只传输指定频段信号，抑制其它频段信号的电路。 滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种： ①无源滤波器: 由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成 ②有源滤波器: 一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。 利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。 从功能来上有源滤波器分为： 低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、 带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、 全通滤波器（APF）。 其中前四种滤波器间互有联系，LPF与HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率时，将LPF与HPF相串联，就构成了BPF，而LPF与HPF并联，就构成BEF。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP、通带截止频率fP及阻尼系数Q等。 带通滤波器（BPF） （a）电路图(b)幅频特性 图1 压控电压源二阶带通滤波器 工作原理：这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图1（a）所示。 电路性能参数 通带增益 中心频率 通带宽度 选择性 此电路的优点是改变Rf和R4的比例就可改变频宽而不影响中心频率。 例．要求设计一个有源二阶带通滤波器，指标要求为： 通带中心频率 通带中心频率处的电压放大倍数： 带宽： 设计步骤： 1）选用图2电路。 2）该电路的传输函数： 品质因数： 通带的中心角频率： 通带中心角频率处的电压放大倍数： 取，则：
带通滤波器的设计
目录 一．设计概述 二．设计任务及要求 2.1 设计任务 2.2 设计要求 三．设计方案 3.1设计结构 3.2元件参数的理论推导 3.3仿真电路构建 3.4仿真电路分析四．所用器件 五．实验结果 5.1 实验数据记录 5.2 实验数据分析六．实验总结 6.1 遇到的主要问题 6.2 解决问题的措施 6.3 实验反思与收获 附图 参考文献
一．设计概述 根据允许的通过的频率范围，可以将滤波器分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器4种。其中，带通滤波器是指允许某一频率范围内的频率分量通过，其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。 在滤波器中，信号能够通过的范围成为通频带或通带，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围成为阻带，通带和阻带之间的界限称为截止频率。对于一个理想的带通滤波器，通带范围内则完全平坦，对传输信号基本没有增益的衰减作用，其次，通带之外的所有频率均能被完全衰减掉，通带和阻带之间存在一定的过渡带。 在带通滤波器的实际设计过程中，主要参数包括中心频率f0,频带宽度BW，上限截止频率fH和下限截止频率fL。一般情况下，为使滤波器在任意频段都具有良好的频率分辨能力，可采用固定带宽带通滤波器（如收音机的选频）。所选带宽越窄，则频率选择能力越高。但为了覆盖所要检测的整个频率范围，所需要的滤波器数量就很大。因此，在很多场合，固定带宽带通滤波器不一定做成固定中心频率的，而是利用一个参考信号，使滤波器中心频率跟随参考信号的频率而变化，其中，参考信号是由信号发生器提供的。上述可便中心频率的固定带宽带通滤波器，经常用于滤波和扫描跟踪滤波应用中。 二．设计任务及要求 1）设计任务 带通滤波器的设计方案有很多，本实验将采用高通滤波器和低通滤波器级联的设计方案实现一个带通滤波器，通过多级反馈，减少干扰信号对滤波器的影响。为了检测滤波电路的通带特性，设计一个带宽检测电路，通过发光二极管的亮灭近似检测电路的带宽范围。 设计要求 2）设计要求 （1）性能指标要求 1.输入信号：有效值为1V的电压信号。 2.输出信号中心频率f0通过开关切换，分别为500Hz 1.5KHz 3KHz 10KHz 误差10%。 3.带通滤波器带宽BW
各种滤波器
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<－15dB 2、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。添加后需请老师签字。 3、使用TXLine工具计算微带线εr＝12.9，t/h=0.1，分别计算W/h=2.5，3.0以及3.5时的特性阻高通滤波器 ===== 设计具体要求 ====== 设计一个九级集总参数高通滤波器，电路结构如图所示，要求截止频率为550MHz，通带内增益大于－1dB，阻带内0-350MHz增益小于－45dB。通带内反射系数要求小于－15dB。 2、如果要设计低通滤波器，与前面相比，有哪些步骤需要变化？并画出结构简图。 MicrowaveOffice的Optimize功能选择框中的优化算法，并画出优化算法框图。
(整理)带通滤波器设计
实验八 有源滤波器的设计 一．实验目的 1． 学习有源滤波器的设计方法。 2． 掌握有源滤波器的安装与调试方法。 3． 了解电阻、电容和Q 值对滤波器性能的影响。 二．预习要求 1． 根据滤波器的技术指标要求，选用滤波器电路，计算电路中各元件的数值。设计出 满足技术指标要求的滤波器。 2. 根据设计与计算的结果，写出设计报告。 3. 制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。 三．设计方法 有源滤波器的形式有好几种，下面只介绍具有巴特沃斯响应的二阶滤波器的设计。 巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为： n c uo u A j A 21)(??? ? ??+= ωωω ， n=1，2，3，. . . （1） 写成： n c uo u A j A 211) (??? ? ??+=ωωω （2） )(ωj A u 其中A uo 为通带内的电压放大倍数，ωC A uo 为截止角频率，n 称为滤波器的阶。从（2） 式中可知，当ω=0时，（2）式有最大值1； 0.707A uo ω=ωC 时，（2）式等于0.707，即A u 衰减了3dB ；n 取得越大，随着ω的增加，滤波器的输出电压衰减越快，滤波器的幅频特性越接近于理想特性。如图1所示。ω 当 ω>>ωC 时， n c uo u A j A ??? ? ??≈ωωω1 )( （3） 图1低通滤波器的幅频特性曲线
两边取对数，得： lg 20c uo u n A j A ωω ωlg 20)(-≈ （4） 此时阻带衰减速率为： -20ndB/十倍频或-6ndB/倍频，该式称为衰减估算式。 表1列出了归一化的、n 为1 ~ 8阶的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式。 在表1的归一化巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式中，S L = c s ω，ωC 是低通 滤波器的截止频率。 对于一阶低通滤波器，其传递函数： c c uo u s A s A ωω+= )( （5） 归一化的传递函数： 1 )(+= L uo L u s A s A （6） 对于二阶低通滤波器，其传递函数：2 22)(c c c uo u s Q s A s A ωωω++ = （7） 归一化后的传递函数： 1 1)(2 ++= L L uo L u s Q s A s A （8） 由表1可以看出，任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n 为偶数的高阶滤波器，可以由2n 节二阶滤波器级联而成；而n 为奇数的高阶滤波器可以由2 1-n 节二
滤波器的主要特性指标
电子知识 1、特征频率： ①通带截频fp=wp/(2p)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。 ②阻带截频fr=wr/(2p)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。 ③转折频率fc=wc/(2p)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。 ④固有频率f0=w0/(2p)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。 2、增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并非常数。 ①对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时的增益;高通指w→∞时的增益;带通则指中心频率处的增益。 ②对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。 ③通带增益变化量△Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果△Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。 3、阻尼系数与品质因数 阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。 阻尼系数的倒数称为品质因数，是*价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= w0/△w。式中的△w为带通或带阻滤波器的3dB带宽，w0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。 4、灵敏度 滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变
化的灵敏度记作Sxy，定义为：Sxy=(dy/y)/(dx/x)。 该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。 5、群时延函数 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性∮(w)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d∮(w)/dw*价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d∮(w)/dw越接近常数，信号相位失真越小。 IBIS模型是一种基于V/I曲线对I/O BUFFER快速准确建模方法，是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准，它提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应计算与仿真。 IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一标准IBIS文件中如何记录一个芯片驱动器和接收器不同参数，但并不说明这些被记录参数如何使用，这些参数需要由使用IBIS模型仿真工具来读取。欲使用IBIS进行实际仿真，需要先完成四件工作：获取有关芯片驱动器和接收器原始信息源；获取一种将原始数据转换为IBIS格式方法；提供用于仿真可被计算机识别布局布线信息；提供一种能够读取IBIS和布局布线格式并能够进行分析计算软件工具。 IBIS模型优点可以概括为：在I/O非线性方面能够提供准确模型，同时考虑了封装寄生参数与ESD结构；提供比结构化方法更快仿真速度；可用于系统板级或多板信号完整性分析仿真。可用IBIS模型分析信号完整性问题包括：串扰、反射、振荡、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构分析。
二阶有源滤波器参数计算
二阶有源滤波器设计 一．滤波器类型 按照在附近的频率特性，可将滤波器分为以下三种： 1.巴特沃兹响应 优点：巴特沃兹滤波器提供了最大的通带幅度响应平坦度，具有良好的综合性能，其脉冲响应优于切比雪夫，衰减速度优于贝塞尔。 缺点：阶跃响应存在一定的过冲和振荡。 2.切比雪夫响应 优点：与巴特沃兹相比，切比雪夫滤波器具有更良好的通带外衰减。 缺点：通带内纹波令人不满，阶跃响应的振铃较严重。 3.贝塞尔响应 优点：贝塞尔滤波器具有最优的阶跃响应——非常小的过冲及振铃。 缺点：与巴特沃兹相比，贝塞尔滤波器的通带外衰减较为缓慢。 （注意： 巴特沃兹及贝塞尔响应的3dB衰减位于截止频率处。 而切比雪夫响应的截止频率定义为响应下降至低于纹波带的频点频率。 对于偶数阶滤波器而言，所有纹波均高于0dB的直流响应，因此截止频点位于0dB衰减处；而对于奇数阶滤波器而言，所有纹波均低于 0dB的直流响应，因此截止频点定义为低于纹波带最大衰减点。）
二．最常用的有源极点对电路拓扑 1.MFB拓扑 也称为无限增益拓扑或Rauch拓扑； 适用于高Q值高增益电路； 其对元件值的改变敏感度较低。 2.Sallen-Key拓扑 下列情况时，使用效果更佳： 对增益精度要求较高； 采用了单位增益滤波器； 极点对Q值较低（如：Q<3）； （特例：某些高Q值高频率滤波器若采用MFB拓扑，则C1值须很小以得到合适的电阻值。而由于寄生电容干扰使得低容值将导致极大干 扰）。 （注意： MFB拓扑不能用于电流反馈型运放，而S-K拓扑电压、电流反馈型运放均可； 差分放大器只能采用MFB拓扑； S-K拓扑的运放输出阻抗随频率增加而增加，故通带外衰减能力受限，而MFB拓扑则无此问题。）
有源带通滤波器设计
二阶有源模拟带通滤波器设计 摘要 滤波器是一种具有频率选择功能的电路，它能使有用的频率信号通过。而同时抑制(或衰减)不需要传送频率范围内的信号。实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等，目前在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。 以往这种滤波电路主要采用无源元件R、L和C组成，60年代以来，集成运放获得迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗比较低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。 通常用频率响应来描述滤波器的特性。对于滤波器的幅频响应，常把能够通过信号的频率范围定义为通带，而把受阻或衰减信号的频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。 滤波器在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。按照通带和阻带的位置分布，滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。文中结合实例，介绍了设计一个二阶有源模拟带通滤波器。 设计中用RC网络和集成运放组成，组成电路选用LM324不仅可以滤波，还可以进行放大。 关键字：带通滤波器 LM324 RC网络
目录 目录 (2) 第一章设计要求 (3) 1.1基本要求 (3) 第二章方案选择及原理分析 (4) 2.1.方案选择 (4) 2.2 原理分析 (5) 第三章电路设计 (7) 3.1 实现电路 (7) 3.2参数设计 (7) 3.3电路仿真 (9) 1.仿真步骤及结果 (9) 2.结果分析 (11) 第四章电路安装与调试 (12) 4.1实验安装过程 (12) 4.2 调试过程及结果 ..................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.2.1 遇到的问题 .................................................................................................. 错误!未定义书签。 4.2.2 解决方法 ...................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.2.3 调试结果与分析 (12) 结论 (13) 参考文献 (14)
射频分布参数滤波器的仿真
实验4 分布参数滤波器的仿真 实验目的： 通过仿真理解和掌握微带滤波器的实现方法。 实验原理： 1．理查德（Richards）变换 通过理查德（Richards）变换，可以将集总元器件的电感和电容用一段终端短路或终端开路的传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元器件到分布参数元器件的变换。2．科洛达（Kuroda）规则 科洛达（Kuroda）规则是利用附加的传输线段，得到在实际上更容易实现的滤波器。例如，利用科洛达规则即可以将串联短截线变换为并联短截线，又可以将短截线在物理上分开。在科洛达规则中附加的传输线段称为单位元器件，单位 。 元器件是一段传输线，当f = f0时这段传输线长为8 3．设计步骤： 1.根据设计要求选择归一化滤波器参数 2.用λ/8传输线替换电感和电容 3.根据Kuroda规则将串联短线变换为并联短线 4.反归一化并选择等效微带线 实验内容： 1.设计一个微带短截线低通滤波器，该滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为3dB，滤波器采用3阶，系统阻抗为50Ω。 实验步骤： 微带短截线低通滤波器设计举例 下面设计一个微带短截线低通滤波器，该滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为3dB，滤波器采用3阶，系统阻抗为50Ω。设计微带短截线低通滤波器的步骤如下。 （1）滤波器为3阶、带内波纹为3dB的切比雪夫低通滤波器原型的元器件值为 集总参数低通原型电路如图11.29所示。 （2）利用理查德变换，将集总元器件变换成短截线，如图11.30（a）所示，图中短截线的特性阻抗为归一化值。 （3）增添单位元器件，然后利用科洛达规则将串联短截线变换为并联短截线，如图11.30（b）所示，图中短截线的特性阻抗为归一化值。
带通滤波器设计步骤
带通滤波器设计步骤 1、根据需求选择合适的低通滤波器原型 2、把带通滤波器带宽作为低通滤波器的截止频率，根据抑制点的频率距离带通滤波器中心频点距离的两倍作为需要抑制的频率，换算抑制频率与截止频率的比值，得出m 的值，然后根据m 值选择低通滤波器的原型参数值。 滤波器的时域特性 任何信号通过滤波器都会产生时延。Bessel filter 是特殊的滤波器在于对于通带内的所有频率而言，引入的时延都是恒定的。这就意味着相对于输入，输出信号的相位变化与工作的频率是成比例的。而其他类型的滤波器（如Butterworth, Chebyshev,inverse Chebyshev,and Causer ）在输出信号中引入的相位变化与频率不成比例。相位随频率变化的速率称之为群延迟（group delay ）。群延迟随滤波器级数的增加而增加。 模拟滤波器的归一化 归一化的滤波器是通带截止频率为w=1radian/s, 也就是1/2πHz 或约0.159Hz 。这主要是因为电抗元件在1弧度的时候，描述比较简单，XL=L, XC=1/C ，计算也可以大大简化。归一化的无源滤波器的特征阻抗为1欧姆。归一化的理由就是简化计算。 Bessel filter 特征：通带平坦，阻带具有微小的起伏。阻带的衰减相对缓慢，直到原理截止频率高次谐波点的地方。原理截止频率点的衰减具有的经验公式为n*6dB/octave ，其中，n 表示滤波器的阶数，octave 表示是频率的加倍。例如，3阶滤波器，将有18dB/octave 的衰减变化。正是由于在截止频率的缓慢变化，使得它有较好的时域响应。 Bessel 响应的本质截止频率是在与能够给出1s 延迟的点，这个点依赖于滤波器的阶数。 逆切比雪夫LPF 原型参数计算公式（Inverse Chebyshev filter parameters calculate equiations ） ) (cosh )(cosh 11Ω=--Cn n 其中 1101.0-=A Cn , A 为抑制频率点的衰减值，以dB 为单位；Ω为抑制频率与截止频率的比值 例：假设LPF 的3dB 截止频率为10Hz,在15Hz 的频点需要抑制20dB,则有： 95.91020*1.0==Cn ；Ω=15/10=1.5 1.39624.0988.2) 5.1(cosh )95.9(cosh 11===--n ,因此，滤波器的阶数至少应该为4
滤波器的主要参数
滤波器的主要参数 滤波器的主要参数（Definitions) 中心频率（Center Frequency）：滤波器通带的中心频率f0，一般取f0=（f1+ f2）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。 截止频率（Cutoff Frequency）：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。相对损耗的参考基准为：低通以DC处插损为基准，高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。 通带带宽（BWxdB）：（下图）指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征滤波器通带带宽参数。分数带宽（fractional bandwidth）=BW3dB/f0×100%，也常用来表征滤波器通带带宽。 插入损耗（Insertion Loss）：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征，如要求全带内插损需强调。 I=10lgPin/Pl
纹波（Ripple）：指1dB或3dB带宽（截止频率）范围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。 带内波动（Passband Riplpe）：通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。 带内驻波比（VSWR）：衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。理想匹配VSWR=1：1，失配时VSWR＞1。对于一个实际的滤波器而言，满足VSWR ＜1.5：1的带宽一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例与滤波器阶数和插损相关。 回波损耗（Return Loss）：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝（dB）数，也等于|20Log10ρ|，ρ为电压反射系数。输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。 阻带抑制度：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。通常有两种提法：一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB，计算方法为fs处衰减量As-IL；另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标——矩形系数（KxdB＞1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可
带通滤波电路设计
带通滤波电路设计一．设计要求 （1）信号通过频率范围 f 在100 Hz至10 kHz之间； （2）滤波电路在 1 kHz 电路的幅频衰减应当在 的幅频响应必须在± 1 kHz 时值的± 3 dB 1 dB 范围内，而在 范围内； 100 Hz至10 kHz滤波 （3）在10 Hz时幅频衰减应为26 dB ，而在100 kHz时幅频衰减应至少为16 dB 。 二．电路组成原理 由图（ 1）所示带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较， 不难发现低通与高通滤波电路相串联如图（2），可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波电路的截止角频率 W H大于高通电路的截止角频率 W L，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。 V I V O 低通高通 图（ 1） 1 W H低通截止角频率 R1C1 1 W L高通截止角频率 R2C2 必须满足W L │A│ O │A│ O │A│ O 低通 W w H 高通 W w L 带通 W W w L H 图（ 2） 三．电路方案的选择 参照教材 10.3.3 有源带通滤波电路的设计。这是一个通带频率范围为100HZ-10KHZ的带通滤波电路，在通带内我们设计为单位增益。根据题意，在频率低端f=10HZ 时，幅频响应至少衰减 26dB。在频率高端 f=100KHZ 时，幅频响应要求衰减不小于16dB。因此可以选择一个二阶高通滤波电路的截止频率fH=10KHZ,一个二阶低通滤波电路的fL=100HZ，有源器件仍选择运放 LF142，将这两个滤波电路串联如图所示，就构成了所要求的带通滤波电路。 由教材巴特沃斯低通、高通电路阶数n 与增益的关系知 A vf1 =1.586 ，因此，由两级串联的带通滤波电路的通带电压增益（Avf1 ） 2=（ 1.586 ）2=2.515, 由于所需要的通带增益为0dB, 因此在低通滤波器输入部分加了一个由电阻R1、 R2组成的分压器。 课程设计Ⅳ报告 题目集总参数带通滤波器的设计 所在院（系） 学生姓名学号 指导教师 完成地点 年月日 基于ADS的集总参数带通滤波器的设计 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 利用ADS软件设计一个集总参数带通滤波器，集总参数带通滤波器设计指标如下。 带通滤波器的中心频率为150MHz。 通带频率范围为140MHz到160MHz。 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。 引言.............................................................................................................................. - 1 - 一．创建原理图......................................................................................................... - 2 - 二．利用设计向导生成集总参数带通滤波器原理图........................................... - 2 - 三．观察原理图的仿真结果 .................................................................................... - 4 - 四．实现集总参数带通滤波器的原理图 ............................................................... - 7 - 1．创建新设计.................................................................................................... - 7 - 2．设计原理图.................................................................................................... - 7 - 3．原理图仿真与优化..................................................................................... - 11 - 参考文献.................................................................................................................... - 17 - 非常好的滤波器基础知识 滤波器是射频系统中必不可少的关键部件之一，主要是用来作频率选择----让需要的频率信号通过而反射不需要的干扰频率信号。经典的滤波器应用实例是接收机或发射机前端，如图1、图2所示： 从图1中可以看到，滤波器广泛应用在接收机中的射频、中频以及基带部分。虽然对这数字技术的发展，采用数字滤波器有取代基带部分甚至中频部分的模拟滤波器，但射频部分的滤波器任然不可替代。因此，滤波器是射频系统中必不可少的关键性部件之一。滤波器的分类有很多种方法。例如：按频率选择的特性可以分为：低通、高通、带通、带阻滤波器等； 按实现方式可以分为：LC滤波器、声表面波/体声波滤波器、螺旋滤波器、介质滤波器、腔体滤波器、高温超导滤波器、平面结构滤波器。 按不同的频率响应函数可以分为：切比雪夫、广义切比雪夫、巴特沃斯、高斯、贝塞尔函数、椭圆函数等。 对于不同的滤波器分类，主要是从不同的滤波器特性需求来描述滤波器的不同特征。 滤波器的这种众多分类方法所描述的滤波器不同的众多特征，集中体现出了实际工程应用中对滤波器的需求是需要综 合考量的，也就是说对于用户需求来做设计时，需要综合考虑用户需求。 滤波器选择时，首先需要确定的就是应该使用低通、高通、带通还是带阻的滤波器。 下面首先介绍一下按频率选择的特性分类的高通、低通、带通以及带阻的频率响应特性及其作用。 巴特沃斯切比雪夫带通滤波器 巴特沃斯切比雪夫高通滤波器 最常用的滤波器是低通跟带通。低通在混频器部分的镜像抑制、频率源部分的谐波抑制等有广泛应用。带通在接收机前端信号选择、发射机功放后杂散抑制、频率源杂散抑制等方面广泛使用。滤波器在微波射频系统中广泛应用，作为一功能性部件，必然有其对应的电性能指标用于描述系统对该部件的性能需求。对应不同的应用场合，对滤波器某些电器性能特性有不同的要求。描述滤波器电性能技术指标有： 阶数（级数） 绝对带宽/相对带宽 截止频率 驻波 带外抑制 纹波 损耗 RC 有源带通滤波器的设计 滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰 减。当干 扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。 用LC 网络组成的无源滤波器在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点，而用集成运放 和RC 网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，此外，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良 好的隔离而便于级联。由于大多数反映生理信息的光电信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因而 RC 有源滤波器普遍应用于光电弱信号检测电路中。 一.技术指标 总增益为1 ; 通带频率范围为 300Hz —3000Hz ,通带内允许的最大波动为 -1db —+1db ; 阻带边缘频率范围为 225Hz 和4000Hz 、阻带内最小衰减为 20db ; 二?设计过程 1 .采用低通-高通级联实现带通滤波器； 将带通滤波器的技术指标分成低通滤波器和高通滤波器两个独立的技术指标，分别设计出低通滤波器 和高通 滤波器，再级联即得带通滤波器。 低通滤波器的技术指标为： f PH = 3000Hz A max - 1d B G =1 f SH = 4000Hz A min = 20dB 高通滤波器的技术指标为： f pL = 300Hz A max = 1d B G = 1 f si_ - 225Hz A min - 20dB 2. 选用切比雪夫逼近方式计算阶数 (1).低通滤波器阶数 N >ch 4[J(10 0.1Amin -1)/(10 0.1Ami N 1 _ ■ 1 Ch ( f SH / f PH ) (2).高通滤波器阶数 N 2 ch'[ *. (10 0.1Amin -1)/(100.1Amax -1)] Ch^(f pL /f SL ) 3. 求滤波器的传递函数 1) .根据Ni 查表求出归一化低通滤波器传递函数 H LP (S)二 H LP (S)| S S' 2= --- 2冗PH 2) .根据Na 查表求出归一化高通滤波器传递函数 N 2 H_P (S '，去归一化得 H^s '，去归一化得 1 单谐波滤波器参数选择方法 单谐波滤波器基本参数为U CN 、Q CN 、基波容抗X C1.它们之间满足关系式： CN CN C Q U X 2 1 3= (1-1) 其中，Q CN 为三相值，电容为三角形接法。 选择参数时考虑的基本原则：①过电压要求（1.1U N ）；②过电流要求（1.3I N ）；③容量平衡。 图1-1 单谐波滤波器电路 （1）按过电压要求考虑Q CN ： CN Ch C U U U 1.11≤+ ∑ (1-2) 设母线实际运行电压上限为U 1M ，则有M L C C C U X X X U 11 11 1-= (1-3) 谐振时有211 h X X C L =,代入（1-3）有：M C U h h U 12211 -= (1-4) 假设谐波电流不放大且全部通过滤波器，滤波器处于全谐振状态，即fh fh R Z =，电容器中仅通过基波电流和h 次谐波电流，有： 1 1U R I U U HRU fh h h h = = (1-5) 因为hQ X R C fh 1 = ,其中Q 为品质因数。代入（1-5）有： Q U U hQ X U I HRU ch C h h 111= = (1-6) 因此有: Q U HRU U h ch 1= (1-7) 将（1-7）和（1-3）代入（1-2）有： ?? ????+-=Q U HRU U h h U h M CN 1122 11.11 (1-8) 因此有： 2 21233QhU HRU I U X U Q h h CN C CN CN = = (1-9) (2)按容量平衡选Q CN ： ∑+ =h C CN Q Q Q 1 (1-10) 假设滤波器只有基波电流和h 次谐波电流流过，则： C U Q CN CN 123ω= C U Q C C 12113ω= C h I C h U Q h ch ch 12 1233ωω= = 将上面三式代入（1-10）有： 2 1222 2 13??? ? ??--= M CN CN h CN U h h U h U I Q (1-11) （3）按过电流选择Q CN ： 其校验公式为：CN ch C I I I 3.122 1≤+ ∑ (1-12) 假设电容器只流过基次、h 次谐波电流 C U I c c 111ω= C h U I ch ch 1ω= 则有：()2 2 213.1CN ch c I I I =+ 因此有21 2 2 212169.1c CN ch c c x U I x U =+ 又因为CN CN c Q U x 2 13=,M c U h h U 12 2 11-= 故有： () () 222222 22 2 122 369.131CN CN CN ch CN CN M U Q U I U Q U h h =+???? ? ?-,则有： 2 12222169.13??? ? ??--= M CN ch CN CN U h h U I U Q (1-13) 最后由(1-9)、 (1-11)、(1-13)求的Q CN ，取其中较大的作为h 次单调谐滤波器电容器安装容量的下限。再由（1-1）确定电容值： 2 13CN CN U Q C ω= (1-14)集总参数带通滤波器
非常好的滤波器基础知识
有源带通滤波器设计
滤波器参数选择