无线通信中电子电路的设计科技制作报告.docx

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无线通信中电子电路的设计科技制作报告

目录

第1章引言1

1.1课题研究背景1

第2章滤波器的种类和特点3

2.1低通滤波器的设计3

2.2切比雪夫型低通滤波器的设计4

第3章切比雪夫型带通滤波器的设计5

3.1切比雪夫型带通滤波器的设计5

3.1.1切比雪夫型3阶带通滤波器的设计6

3.1.2切比雪夫型5阶带通滤波器的设计7

第4章ADS仿真结果和分析8

4.2.1切比雪夫型3阶带通滤波器的ADS仿真结果分析8

4.2.2切比雪夫型5阶带通滤波器的ADS仿真结果分析10

4.2.3切比雪夫型3阶与5阶带通滤波器的ADS仿真结果比较11

第5章结论12

参考文献13

致谢14

摘要

随着无线通信的迅猛发展，频率资源的日益紧张，滤波器成为通信系统中的重要部件，其性能的优劣直接影响整个通信系统的质量。

同时在现代信号处理和电子应用技术领域，滤波器作为一种必不可少的组成部分，处于十分重要的位置，并日益显现出其巨大的应用价值。

所以目前滤波器是研究的热点问题。

滤波器就是能够过滤波动信号的器具。

对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到或消除一个特定频率。

滤波器分为有源滤波和无源滤波。

其中无源滤波器即为LC滤波器，是传统的谐波补偿装置，该装置不需要额外提供电源。

LC滤波器一般由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除去滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。

在本课题中主要对LC滤波器进行了研究分析并讨论了由低通滤波器到带通滤波器的设计方法。

采用切比雪夫型滤波器设计3和5阶带通滤波器（中心频率为60MHz，带宽为24MHz，特征阻抗为50Ω，通带波纹为0.01dB），并对其特性进行了比较分析，同时给出了ADS仿真结果分析。

关键词：

切比雪夫型；带通；LC滤波器设计；ADS仿真

引言

1.1课题研究背景

随着通讯技术的不断发展，作为通讯系统中的一种不可缺少的器件，近年来发展很快，滤波器是一种对频率具有选择性的复杂网络，它对某一频率范围内的信号给以很小的衰减，使这部分信号能够顺利通过，对其它频率的电信号给以很大的衰减，从而尽可能地阻止这部分信号通过[1-4]。

LC滤波器是一种历史悠久的经典滤波器。

最早是美国康贝尔（Campbell）和德国的华格耐尔（Wagner）分别发明了电气滤波器。

不久，索贝尔（Zobel）于1920-1922年从传输线理论出发，研究出了特性参数滤波器的理论基础。

它是将四端网络（即已知其特性阻抗、频率特性、相移特性的定K式、M导式或最小电感的单元节）组合成能满足所提要求的滤波器。

在1939年，美国的达林顿（Darlington）和德国的郜尔（Caure）研究了滤波器接在信号源和负载之间能量的实际传输过程，制定了另一种设计理论，工作参数设计法，按此方法设计的滤波器特性比按特性参数法设计的要好。

但长期来，在实际工程设计中仍然广泛地采用特性参数设计法，因为这种方法简单明了，便于掌握。

另外，如果对于某特定的频率要求有最大的衰减，那么应用特性参数法设计可以很容易地求出网络元件参数。

工作参数设计法由于计算复杂，在工程上没有得到广泛的应用。

60年代以来，随着计算机的发展，把常用的数据用计算机进行大量的计算，并把计算结果以表格形式列出，这样，大大简化了设计，工作参数设计法也开始广泛地应用于滤波器的工程设计[5]。

为了满足某一滤波器的特性要求，按照不同的设计方法可以获得不同的电路结构。

最好的电路结构应满足四点要求：

元件数量要少；电路中最大电感（电容）和最小电感（电容）值不过于悬殊；元件数值在特定的工作频率上应有最高的Q值；电路结构能保证所有节点对地间有电容存在。

这一点对高频（10MHz以上）的滤波器尤其重要，因为在高频，如果分布电容的影响不能消除，则要求的特性很难保证。

对于一般的LC滤波器，要求元件的Q值应满足

，否则滤波器的插入衰减将太大，而单回路直接耦合电路要求

。

所以这种电路特别适合于窄带滤波器。

在LC滤波器的发展过程中，不但理论设计上和在电路方面不断取得发展，而且在构成LC滤波器的元件方面（特别是电感）也不断取得改进。

为了缩小体积，提高指标，制造电感用的铁氧体材料也朝高μ、高Q和高稳定方向发展。

虽然LC滤波器是滤波器中最古老的形式，它正在被一些新型的滤波器所替代，但是它具有可以完成各种功能（低通、高通、带通、带阻），无源（不产生内部噪声和不耗电），成本较低，便于制作等优点。

1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年美国第一个多路复用系统的出现。

20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。

自60年代起，由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。

到70年代后期，RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，及其单片集成已被研制出来并得到应用。

80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。

90年代至现在，主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。

当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行[6-7]。

我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。

经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。

第2章滤波器的种类和特点

滤波器，就是能够过滤波动信号的器具。

在电子线路中，滤波器的作用是从具有各种不同频率成分的信号中，取出（即过滤出）具有特定频率成分的信号。

滤波器有不同的分类，一般可分为如下几种：

（1）按处理信号类型分类，滤波器可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类，其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合。

（2）按选择物理量分类，可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如PCM制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。

（3）按频率通带范围分类，可分为低通、高通、带通、带阻、全通滤波器。

根据使用的频段和元件不同，滤波器有很多种类，总的来说，滤波器可分为两大类：

无源滤波器和有源滤波器。

本章重点介绍LC无源滤波器的低通滤波器的特性及低通到带通滤波器设计方法。

2.1低通滤波器的设计

任何电子通信系统的频谱都由无限多的频率分量组成，这些分量包括各次谐波和混叠分量，所以必须使用滤波技术加以限制。

在电路中所采用的滤波器可以低通滤波器也可以是带通滤波器，带通滤波器的通带宽度由工程需要来确定。

在滤波器的设计中，通常是先综合设计低通原型滤波器，然后再由低通原型滤波器借助频率变换原理，通过网络变换得到所需要的带通滤波器。

为了简化滤波器的设计，通常将低通原型滤波器的阻抗和频率作归一化处理。

在工程计算中，查表得到的是频率和阻抗都已经归一化了的元件值，要标定成实际需要的截止频率和负载电阻时的元件值，可由如下公式算出：

（2-1）

（2-2）

（2-3）

（2-4）

以上各式中，带撇的量表示归一化元件的值，不带撇的量为实际值，

为负载电组的实际值，

为截止频率，

为归一化频率。

式（2-1）至（2-4）就是设计低通滤波器所用的综合标定公式。

最常用的低通原型滤波器有3种：

巴特沃斯型；切比雪夫型；椭圆函数型，即考尔低通响应。

若将低通原型滤波器以上特性的频率变量经过适当的变换，就可以得到一个以新的频率为变量的衰减特性，用它们可以表示带通滤波器。

在本节中主要介绍低通滤波器的特性及其设计原理。

2.2切比雪夫型低通滤波器的设计

切比雪夫型滤波器也称为等起伏滤波器或等波纹滤波器，这一称呼来源于这种滤波器的通带内衰减特性具有等波纹起伏这一显著特点。

由于允许通带内特性有起伏，因而其截止特性变陡峭了，但与之相伴的是其群延迟特性也变差了。

因而，当切比雪夫型滤波器作为A-D/D-A变换器的前置或后置滤波器，或者作为数字信号的滤波器来使用是，就不能光考虑其截止特性是否满足使用要求，而是还要考虑它是否满足实际输入信号所允许波形失真范围的要求。

第3章切比雪夫型带通滤波器的设计和ADS仿真

在滤波器的设计中，低通原型滤波器的重要性，除了通过反归一化方法，变成任何一个实际的低通滤波器外，更为重要的是，通过不同的频率变换关系式，任何一个具有高通、带通、带阻衰减特性的滤波器都能转化为低通原型滤波器。

这样，对高通、带通、带阻滤波器的设计，可以先通过频率变化确定一个满足衰减特性要求的低通原型，再由这个低通原型通过频率变换到符合该衰减特性的高通、带通或带阻滤波器的元件值。

因此，有了频率变化的方法，对高通等滤波器的综合设计，就不必再像低通滤波器那样，从头开始综合做起。

3.1切比雪夫型带通滤波器的设计

带通滤波器的设计也分两个阶段，第一阶段是设计截止频率和BPF的带宽相同的LPF，第二个步骤是进行电路和元件变换而得到BPF。

带通滤波器和高通、低通的电路形式有所不同，所以需要进行电路变换，将低通滤波器的四种基本构成单元变换成对应的BPF基本构成单元对应关系如下图所示：

图3-1LPF和BPF对应单元的变换关系

由归一化低通滤波器设计带通滤波器的具体步骤如下图3-2所示：

图3-2带通滤波器的设计方法

3.1.1切比雪夫型3阶带通滤波器的设计

基于上一章对切比雪夫型低通滤波器的讨论，本章节继续讨论由低通到带通滤波器的设计。

如图3-1LPF和BPF对应单元的变换关系，在本设计中主要采用Ⅰ型和Ⅱ型，同时对照图3-2带通滤波器的设计方法中计算BPF的步骤进行切比雪夫型带通滤波器的设计，其中

是BPF的中心角频率，即

。

例：

以特征阻抗为50

、等起伏带宽为24MHz、起伏量为0.01dB的3阶切比雪夫型LPF的设计数据为依据，设计出中心频率为60MHz、等起伏带宽为12MHz、特征阻抗为50

、起伏量为0.01dB的3阶切比雪夫型BPF。

带设计BPF的中心频率

，且由

，

得到3阶切比雪夫型BPF的设计参数如下：

，

，

3.1.2切比雪夫型5阶带通滤波器的设计

例：

以特征阻抗为50

、等起伏带宽为24MHz、起伏量为0.01dB的5阶切比雪夫型LPF的设计数据为依据，设计出中心频率为60MHz、等起伏带宽为12MHz、特征阻抗为50

、起伏量为0.01dB的5阶切比雪夫型BPF。

带设计BPF的中心频率

，且由

，

，

得到3阶切比雪夫型BPF的设计参数如下：

，

，

，

第4章ADS仿真结果和分析

在实际的制作滤波器的过程中，由于电容电感的Q值不高，加上一些寄生效应的影响，制作出来的滤波器往往和理想的滤波器有一定程度的误差，这些误差主要体现在滤波器的匹配特性不太好，带内插损过大，带外抑制能力不够理想，以及中心频率或截止频率偏移等等。

另外，计算滤波器各个参数是比较复杂的事情，借助仿真软件，可以简化滤波器的设计，同时可以研究滤波器各个单元或参数对最后结果的影响。

因此，使用仿真软件可以给滤波器的设计和制作带来方便。

ADS（AdvancedDesignSystem）是安捷伦（AgilentTechnologies）公司推出的一套电路设计软件。

AgilentTechnologies公司把HPMDS（MicrowaveDesignSystem）和HPEesofⅣ（ElectronicEngineeringSoftware）两者的精华有机地结合起来，并增加了许多新的功能，便构成了ADS软件[11-12]。

ADS是一个功能十分强大的EDA软件系统，目前已被广大电子工程设计师们所接受和喜爱。

它的应用场合主要包括以下方面：

射频和微波电路的设计（包括RFIC，RFBoard）

DSP设计

通信系统的设计

电磁矩量仿真

其一般设计过程如下：

输入电路：

将电路划分为不同的元件的组合，建立相应的数据文件。

仿真优化：

利用软件的功能，对输入的电路进行仿真或优化计算。

在计算的过程中，要正确地选取中间变量，选用正确计算方法。

显示结果：

ADS可以方便地显示仿真优化的结果，随时根据需要，查看计算结果。

为了分析设计成功与失败的原因，加快设计过程，检查设计结果是非常重要的。

工艺图的生成：

软件的工艺图的自动生成，不仅为设计者实现电路设计提供了方便的工具，而且机器生成的工艺图往往和软件的模型有着很好的一致性，可以避免一些差错。

当然，设计一个电路，仅仅在计算机上工作是不够的，还要进行最终的电路测试。

但使用一个好的CAD软件，可以最大程度地降低电路的调试测量工作量，提高设计效率。

带通滤波器是滤波器中使用最多，最重要也是最难设计的一种滤波器。

下面主要讨论带通滤波器的仿真和优化。

4.2.1切比雪夫型3阶带通滤波器的ADS仿真结果分析

基于上述方法，设计的一个3阶切比雪夫型带通滤波器，中心频率为60MHz,带宽为24MHz，特征阻抗为50Ω，滤波器的各个元件参数用ADS对其进行仿真优化，优化后的电路图如下图3-3所示。

图中红色带锯齿状的那一条曲线表示输出端口到输入端口的反射系数，蓝色的曲线表示滤波器输入端口到输出端口的传输系数。

图3-4可以看到，仿真电路输入0~0.2GHz频率的波段，所设计的3阶滤波器有效的滤掉了48~72MHz以外的波段，此滤波器在中心频率附近的插入损耗很小，匹配特性也很好。

低频处衰减很大,在0.2GHz处的衰减也达到了-40dB。

图3-3在ADS中仿真切比雪夫型3阶带通滤波器

滤波器传输特性的仿真性能如下图3-4所示：

图3-4切比雪夫型3阶带通滤波器的ADS性能仿真曲线

在实际制作此滤波器的时候，我们有两个问题需要注意。

第一个问题是上述设计图中的各个元件值并不是市售电容和电感的标称值，因此，我们需要对此电路做些调整，使电容和电感值等于标称值或是可以由标称值组合而成。

第二个问题是在计算各元件参数值的时候，我们认为电容和电感是理想元件，Q值为无穷大。

实际上，我们所用的电容和电感的Q值都是有限的，并且还存在寄生效应等问题。

4.2.2切比雪夫型5阶带通滤波器的ADS仿真结果分析

基于上述方法，设计的一个5阶切比雪夫型带通滤波器，中心频率为60MHz,带宽为24MHz，特征阻抗为50Ω，滤波器的各个元件参数用ADS对其进行仿真优化，优化后的电路图如下图3-5所示。

图中红色带锯齿状的那一条曲线表示输出端口到输入端口的反射系数，蓝色的曲线表示滤波器输入端口到输出端口的传输系数。

图3-5在ADS中仿真切比雪夫型5阶带通滤波器

滤波器传输特性的仿真性能如下图3-6所示：

图3-6可以看到，仿真电路输入0~0.2GHz频率的波段，所设计的5阶滤波器有效的滤掉了48~72MHz以外的波段，此滤波器在中心频率附近的插入损耗很小，匹配特性也很好。

低频处衰减很大,在0.2GHz处的衰减接近-90dB。

图3-6切比雪夫型5阶带通滤波器的ADS性能仿真曲线

4.2.3切比雪夫型3阶与5阶带通滤波器的ADS仿真结果比较

从电路仿真的设计参数来看，图3-3与图3-5,3阶切比雪夫型带通滤波器使用了3个电感、3个电容，电路两端有2个50

的特征阻抗；5阶的滤波器使用了5个电感、5个电容，同样电路两端有2个50

的特征阻抗。

对比图3-4与图3-6，不难发现，切比雪夫型带通滤波器阶数越高，滤波性能越好。

在60MHz处，3阶的反射系数为S（1,1）=-37.122dB,5阶的反射系数为S（1,1）=-33.058dB,3阶的反射损耗比5阶的要小，3阶电路所产生的反射损耗比5阶的要小；3阶的传输系数为S（2,1）=-0.001dB,5阶的传输系数为S（2,1）=-0.002dB，5阶的传输损耗比3阶的要小，即5阶滤波器传输能效效率要高于3阶的，电路损耗更小。

第5章结论

滤波器即对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，其功能就是得到或消除一个特定频率。

滤波器就是能够过滤波动信号的器具。

在电子线路中，滤波器的作用是从具体各种不同频率成分的信号中，取出即过滤出具有特定频率成分的信号。

对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到或消除一个特定频率。

滤波器分为有源滤波和无源滤波。

其中无源滤波器即为LC滤波器，是传统的谐波补偿装置，该装置不需要额外提供电源。

LC滤波器一般由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除去滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。

在滤波器的设计中，低通原型滤波器的重要性，除了通过反归一化方法，变成任何一个实际的低通滤波器外，更为重要的是，通过不同的频率变换关系式，任何一个具有高通、带通、带阻衰减特性的滤波器都能转化为低通原型滤波器。

这样，对高通、带通、带阻滤波器的设计，可以先通过频率变化确定一个满足衰减特性要求的低通原型，再由这个低通原型通过频率变换到符合该衰减特性的高通、带通或带阻滤波器的元件值。

因此，有了频率变化的方法，对带通等滤波器的综合设计，就不必再像低通滤波器那样，从头开始综合做起。

在本课题中主要对LC滤波器进行了研究分析并讨论了由低通滤波器到带通滤波器的设计方法。

采用切比雪夫型滤波器设计3和5阶带通滤波器（中心频率为60MHz，带宽为24MHz，特征阻抗为50Ω，通带波纹为0.01dB），并对其特性进行了比较分析，同时给出了ADS仿真结果。

本课题实现了在0到0.2GHz频段的输入波形中通过设计的48~72MHz的3阶与5阶切比雪夫型带通滤波器成功滤掉48~72MHz以外的频率，同时保证了设计电路的反射损耗较小，也满足了在f＜48MHz和f＞72MHz处阻带衰减＞25dB。

参考文献

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[硕士学位论文].湖北：

华中科技大学，2008

（2）森荣二（日）.LC滤波器设计与制作.科学出版社，2006

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人民邮电出版社，1978

（6）A.I.Zverev.HandbookofFilterSynthesis[M],JohnWileyandSons,NewYork,1967

（7）R.Saal,E.Ulbrich.OntheDesignofFilterbySynthesis[J].IRETransactionsonCircuitTheory,1958,5（4）:

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人民邮电出版社，1978

（9）吴万春，等.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京：

科学出版社，1973

（10）龚文斌,南伟.一种新型高性能LC带通滤波器的设计.电讯技术，Vol.48,No.5,May2008

（11）AdvancedDesignSystem2005User’sGuide.AgilentTechnologies

（12）宋崇刚.基于ADS的微带低通滤波器设计.大众科技，No.2,2012

（13）梁联倬.微博网络及其应用.电子工业出版社，1985

致谢

本文是在老师的细心指导和亲切关怀下完成的。

她治学严谨，学识渊博，视野广阔，为我营造了一种良好的学术氛围。

置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了明确的学术目标，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。

其严于律己，崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨。

正是由于她在百忙之中多次审阅全文，对细节进行修改，并为本文的撰写提供了许多中肯而且宝贵的意见，本文才得以成型。

在此，特向老师致以衷心的感谢，向她无可挑剔的敬业精神、严谨认真的治学态度、深厚的专业修养和平易近人的待人方式表示深深的敬意！

最后向在百忙之中评审本文的各位专家、老师表示衷心的感谢！