高阶LC滤波器设计的仿真与实现

高阶LC滤波器设计的仿真与实现
( 海格通信产业集团 高迎帅)
摘要：本文以椭圆低通滤波器设计为例，讲述了LC滤波器设计的基本思路和方法，并仿真和工程实现的几点差异。

通过实验测试分析了产生差异的原因，并提出了几点进行高阶滤波器设计应当注意的几点细节问题。

关键词：椭圆低通滤波器、阻带衰减、辐射干扰
前 言
在射频电路设计中，滤波器是最基本的单元之一。

在我们的产品中有很多不同种类不同用途的滤波器，例如LC滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面波滤波器等等，无论是什么形式的滤波器，他们的作用是相同的，就是在保证有用信号顺利通过的同时尽可能地抑制带外无用信号。

其中，LC滤波器是应用最广泛的滤波器形式之一。

在滤波器设计中出现的问题多数是共性问题，因此在下文中，我们主要以LC滤波器中的椭圆低通滤波起来进行讨论。

滤波器的性能指标
滤波器的性能可以使用几种指标参数来衡量。

在这里，我们首先简单说明一下椭圆低通、滤波器的几种参数的定义。

下图是一个标准的椭圆滤波器的传输曲线，通常，我们使用S参数来表示无源滤波器网络的各项特性，其中S21是我们最关心的一种特性，即前向功率传输特性。

图1 滤波器参数定义
滤波器的仿真设计
关于椭圆低通滤波器的数学表示和设计公式推导就不再详细说明了。

在这里主要介绍使用工程的方法进行滤波器的方法。

在进行滤波器设计时，首先根据电路的需要订制滤波器的各项指标，如通带宽度、带内波动、阻带衰减等，然后通过查表计算或者使用相关的EDA软件进行电路参数确定。

将得出的参数输入计算机使用软件进行波形仿真，进行参数的仔细调整。

在这里，我们以接收机前端低通滤波器的设计为例。

要求参数如下：
1、通带宽度：31.5MHz
2、带内波动：≤1dB
3、带内损耗：≤1.5dB
4、阻带衰减：≥80dB
使用EDA软件FILTER进行设计，可以得到滤波器的电路参数如下：
图2 仿真设计结果
仿真波形如图一所示。

需要注意的是在以上电路参数中，电感和电容的值不一定是标准系列的值。

对于电感来说，我们可以取最相近的值，误差应小于10%，否则，滤波器的特性将会有较大的变化。

对于电感的小的偏差，可以通过微调与其形成谐振的电容的值来补偿，保证对应的谐振点F(LC)不变。

对于指标要求较高的滤波器，采用可调电感可以得到准确的设计值，但是在调试阶段必须进行仔细调整，这将占用比较多的调试时间。

在上例中，电感应当使用可调电感。

对于电容值的选取，通过并联的方法总可以以很小的误差得到需要的值。

为了简化设计，降低调试难度。

在滤波器设计阶段应当在适当范围内微调设计指标，尽可能使得出的电路参数接近标准值。

这需要设计者综合考虑可能对系统带来的负面影响，从而进行正确的折衷处理。

选取最佳的元器件
一般来说，实际的滤波器无法达到仿真的效果，但在一定条件下可以非常接近。

这个条件有两方面的限制，第一是选择最佳的器件，第二是选择最优的PCB 布线。

下面我们首先讨论器件的选择规则。

电感的选择是滤波器设计中的关键，电感器的性能直接影响滤波器的实现效果。

由于电感器的种类相对较多，在选择时必须综合考虑电路的实际使用条件。

如工作频段、体积、装配方式等等。

表一中列出了几种常用的电感器的特点。

电容的选择相对简单。

高频段一般选择陶瓷电容，材质的选择与电容值有关，电容值大于1500pF时为X7R，小于1500pF时为COG。

选用COG材质的电容损耗小，有利于指标提高。

Q值是电感器的一个重要参数，Q值越高，损耗越小。

在电感的选择上，应当在允许的条件下选择Q值高的电感。

电感种类Q值体积可调整性电磁敏感性
贴片电感较低小不可调较低
插装电感较高中不可调低
空心电感中较大较好高
磁环绕制电感高大较好较低
可调电感较高较大好较高
表1 电感参数比较
需要注意的是，电感的Q值与体积有关，对于空心电感和用磁环绕制的电感，体积越大，Q也越高；同时，Q值也是频率的函数，同样的电感量，频率越高（低于自谐振频率），Q也越大。

用磁环绕制电感，首先应当选择合适的磁环，在此环的应用手册中，厂家会给出磁环的Q值相对于频率的曲线，选择的原则就是保证在工作频段磁环具有最佳的Q值。

在上例中，我们可以选择T-30-2或者T-30-6的磁环，他们在短波范围的损耗相对较小。

PCB布线应当注意的问题
在选择了器件之后，我们就要进行印制板设计，在印制板布局上应当注意以下问题：
（1） 输入端和输出端尽量远离，防止高频信号的辐射窜扰。

（2） 器件之间的走线尽量短，特别是电感量较小时（小于500nH），电感应当尽量靠近谐振电容。

（3） 若使用没有电磁屏蔽措施的可调电感，相邻两个电感之间应当保持一定的距离，防止磁力线的相互交叠造成电感量的联动效应（调整其中
一个电感时，相邻的电感量也会发生变化）。

一般的距离应当大于电
感直径的0.7倍。

（4） 地线应当连续，最好在同一层。

如果使用带屏蔽的电感，其屏蔽外壳应当良好的与滤波器的地线连接。

（5） 在可调电感的磁芯下方最好不要铺地，防止降低电感的Q值。

（6） 如果使用空心电感，相邻的电感的放置应当保证其磁力线方向相互垂直，这样相互间的磁耦合最小。

滤波器的调试
在装配完成以后，我们需要用频谱仪对滤波器性能进行调试。

对于参数准确的滤波器几乎不需要再进行调整。

在这里，以采用可调电感为例讨论椭圆滤波器的调试方法。

由图一可以看到，在滤波器的阻带内有多个陷波点，这些点的频率对应滤波器的每一个谐振节，频率值由F(LC)决定。

因为滤波器的阻带特性是滤波器中并联和串联谐振曲线的叠加，因此，我们只需将阻带特性调好，就可以得到相应的通带特性，具体的做法就是调整相应谐振节的电感值，使陷波点的频率达到设计值。

他们之间的对应关系从仿真参数得到。

由于低频段的陷波点靠的比较近，难以调整，我们可以由高到底进行调整。

如果所设计的滤波器的阶数较低（小于9阶），在阻带衰减不是很大（小于60dB）时，比较容易进行调整。

但是对于高阶的滤波器，阻带衰减很大（大于80dB）时，带外特性将会变得很敏感，此时，陷波点的位置不明显，难以调整，而且，滤波器输入输出端阻抗特性的变化也会影响陷波点的位置，也就是说，调
整好的滤波器和其他电路串联时，阻带特性会有变化。

在这种情况下，精确调整阻带陷波点位置不但耗时耗力，而且意义不大。

此时可以进行通带特性调整，保证通带指标参数达到要求即可，不过，还要保证滤波器的第一个陷波点（频率最低的）位置正确，并且阻带衰减特性平坦。

这一点容易做到。

结束语
本文以LC椭圆低通滤波器为例讲述了滤波器的设计方法和需要注意的问题，对于其他种类的LC滤波器，这些问题都是共同的。

不过，在特殊的应用场合，例如，大功率信号滤波器的设计还要考虑器件可承受的功率，峰值电压等其他的问题。

在这里并没有详述。

设计者应当根据具体的应用情况进行全面的考虑。