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基于ADS500MHZ带通滤波器
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《高频电子线路》 专题实践报告 题目：500Mhz带通滤波器设计 500Mhz带通滤波器设计 专题相关理论基础及对应ADS仿真要点 2.1 设计目的2.1.1 了解巴特沃斯型滤波器、切比雪夫型滤波器、椭圆函数滤波器各自特性； 2.1.2 掌握运用 ADS 软件进行 500MHZ 带通滤波器优化设计； 2.1.3 了解器件品质因素对滤波器选频特性的影响； 2.1.4 掌握空心电感制作和用空心电感调试滤波器的方法。 2.2 设计任务设计一个11阶的切比雪夫带通滤波器，利用ADS仿真优化并制作所需空心电感，调试符合如下指标的带通滤波器： 通带中心频率：500MHz； 通带宽度：50MHz； 带外抑制度：大于20dB@470MHz； 带内平坦度：小于1dB。 2.3 滤波器基础知识滤波器根据电路理论可分为低通、高通、带通、及带阻四种，而归一化低通滤波器是 一个基本的结构单元，所有四类滤波器都可由此导出：按滤波器的频率响应来划分，常见 的有巴特沃斯型、切比雪夫 I 型、切比雪夫 II 型及椭圆型等。下图为巴特沃斯型、切比 雪夫 I 型、切比雪夫 II 型及椭圆型低通滤波器的特性曲线
图1 四种低通滤波器的特性曲线 巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。巴特沃斯滤波器的频率特性曲线，无论在通带内还是阻带内都是频率的单调函数。因此，当通带的边界处满足指标要求时，通带内肯定会有裕量。 切比雪夫滤波器是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。相比巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器在过渡带的衰减更快，但频率响应的幅度特性不如前者平坦。根据频率响应曲线波动位置不同，可以分为两种:在通带上频率响应幅度等波纹波动I型切比雪夫滤波器，在阻带上频率响应幅度等波纹波动的II型切比雪夫滤波器（倒数切比雪夫滤波器）。 椭圆滤波器，是在通带和阻带等波纹的一种滤波器。它比切比雪夫方式更进一步的是同时用通带和阻带的起伏为代价来换取过渡带更为陡峭的特性。相较其他类型的滤波器，椭圆滤波器在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动。 贝赛尔滤波器是具有最大平坦的群延迟（线性相位响应）的线性过滤器。贝赛尔滤波器常用在音频天桥系统中。模拟贝赛尔滤波器描绘为几乎横跨整个通频带的恒定的群延迟，因而在通频带上保持了被过滤的信号波形。 2.4 品质因素对滤波器选频特性的影响带通滤波器的传递函数为： Hjw=H0w0Q(jw)(jw)2+w0Qjw+w02 其中: 𝜔0为滤波器增益峰值化时的角频率(w0=2πf)。H0为电路增益，定义为 H0=HQ 对带通响应来说，Q有特殊意义。他是滤波器的选择性，定义为 其中，和是响应比最大值相差−3时的频率。滤波器的带宽 BW 定义为 : BW = fH - fL 此时谐振频率f0为fH和fL的几何平均值，即f0 = fHfL。这就意味着f0在对数 尺度上将出现fH和fL二者的中点 带通滤波器对不同值的响应如图 2 图2 带通滤波器峰值化和Q值 2.5 滤波器的设计指标滤波器的指标形象地描述了滤波器的频率特性响应特性。查阅资料[1]得到了滤波器的主要指标，下面是对这些指标的一些简单的描述。 绝对衰减：阻带中最大衰减(dB)。带宽：通带哀减到3dB时对应的带宽。中心频率：或。截止频率：下降沿 3dB点时的频率。每倍频程衰减：离开截止频率一个倍频程哀减(dB)。微分时延：两特定频率点群时延之差，以ns计。群时延：任何离散信号经过滤波器的时延(ns)。插入损耗：由于滤波器的使用使得系统内存在插入损耗。滤波器通带内的插人损耗包括构成滤波器的所有元件的电阻性损耗（如电感、电容、介质、导体的不理想）和滤波器的回波损耗（两端电压驻波比不为1）。插入损耗限定了工作频率，也限定了使用两端的阻抗。带内波纹：在通带内插入损耗的波动范围，带内波动越小越好。(10) 带外衰减：由于要阻止没有用的信号通过，所以在带外的衰减越大越好，一般会取截止频率与通带外形成一定壁纸的某个点的频率的衰减数值作为此项的指标。 (11) 回波损耗：信号从信号源进入滤波器时，由于输入端I=1处的失配，有部分信号在输入端口处发生反射，进入信号源，这就是回波损耗。 2.6 带通滤波器设计思路根据《数字信号处理（第四版）》相关知识，我们首先确定了BPF的设计思路。从原理上讲，通过频率变换公式，可以将模拟低通滤波器系统函数变换成希望设计的高通、带通和带阻滤波器系统函数。基于此，BPF设计的具体方法确定如下： 计算归一化的低通滤波器参数；设计低通滤波器电路；将低通滤波器参数转换成相关带通滤波器参数；按照原件转换关系进行电路变换；验证变换后的带通滤波器相关参数是否符合规定。若不符，则进行优化。 设计步骤与分步骤仿真结果 3.1 归一化低通滤波器的设计根据相关知识，我们知道巴特特沃斯滤波器的频率特性曲线，无论在通带还是阻带都是频率的单调减函数。因此，当通带边界处满足指标要求时，通带内肯定会有较大富余量。因此，更有效的设计方法应法县将逼近精确度均匀地分布在整个通带内，或者均匀分布在整个阻带内，或者同时均匀分布在两者之内。这样，就可以使滤波器阶数大大降低。这可通过选择具有等波纹特性的逼近函数来达到。 切比雪夫滤波器的幅频特性就具有这种等波纹特性。它有两种形式：幅频特性在通带内是等波纹的、在阻带内是单调下降的切比雪夫I型滤波器；幅频特性在通带内是单调下降、在阻带内是等波纹的切比雪夫Ⅱ型滤波器，具体采用何种形式的切比雪夫滤波器取决于实际用途。在本次设计中，由于后者频率截止速度不如前者快，而且需要用更多的电子元件，因此这里设计的是切比雪夫滤波I型滤波器。 切比雪夫低通原型响应表达式为： Lp=10lg{1+ε2cos2[ncos-1(Ω)]},Ω |
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