一種基于Ansoft Designer的濾波器設計方法

華東電子工程研究所　李國清

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一種基于Ansoft Designer的濾波器設計方法

華東電子工程研究所李國清

【摘要】對切比雪夫濾波器的特點及原理做了分析，對切比雪夫濾波器的階數(shù)計算及衰減函數(shù)做了介紹。并對Designer軟件設計濾波器的原理、方法及分析步驟作了分析。

【關鍵詞】切比雪夫濾波器；Designer；S參數(shù)

1　引言

隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，濾波器技術越來越受到重視。濾波器是接收機中鑒別有用回波和多余干擾的主要手段。在雷達接收機、頻率源以及各種民用電子設備中，濾波器是最常用的電路，放大器、混頻器、倍頻器、變頻器和振蕩器等電路都要應用濾波器。

2　設計要求

設計一個低通切比雪夫濾波器，截至頻率100MHz，400MHz處的信號衰減至少有5dB，通帶內(nèi)波紋不超過0.01dB，負載和源電阻各為50歐。

3　理論分析

切比雪夫濾波器的特點是：通帶內(nèi)有更為均衡的衰減特性，在阻帶內(nèi)的衰減具有更快的增長速率。但不足是信號的相位線性度不高。切比雪夫多項式如下：

式中n稱為切比雪夫多項式的階數(shù)。Ω為歸一化的頻率上式可以轉(zhuǎn)化為明顯的多項式形式。令：

因此：

利用三角衡等式：

得到：

可以直接得到：

依次類推，可以得到任意階的切比雪夫多項式。

對于匹配型切比雪夫濾波器，特征函數(shù)的模平方取為：

根據(jù)公式，衰減可用下邊的式子表示：

濾波器的階數(shù)可由下面的公式算出：

把設計題目給的方案的各種參數(shù)（Ω＝4，As＝0.01，Ap＝5）代入上面的公式可得：

因此我們?nèi)＝3。

4　使用ANSOFT DESIGNER進行仿真設計、優(yōu)化調(diào)試的過程

使用DESIGNER自帶的濾波器設計工具，采用三階切比雪夫低通濾波器的設計方案如圖1、圖2所示：

圖1　3階濾波器框圖

圖2　3階濾波器的s參數(shù)

同樣道理，我們也做了五階的切比雪夫低通濾波器及其對應的參數(shù)分析如圖3、圖4所示。

圖3　5階濾波器框圖

綜和以上，我們選擇3階切比雪夫低通濾波器作為最終的方案。但理論設計的FIR濾波器系數(shù)都是無限精度的，當他們有硬件實現(xiàn)時。必須要量化，這必然引起量化誤差。這也就使得理論濾波器和實際濾波器存在一些性能上的差別。

圖4　5階濾波器的s參數(shù)

在實際使用中，50.07nH 30.89pF等值的電感電容是很難做到的，因此，我們有必要進行對電感電容值進行優(yōu)化。因為電容是不可調(diào)的，經(jīng)過查手冊發(fā)現(xiàn)最接近30.89p的容值是30p，利用designer我們把濾波器中電容的值設定為30p，電感可調(diào)，把電感設置為從25 nH到75 nH，重新對電路進行敏感性分析，其中我們在50M和100M設置了兩個監(jiān)測頻率點，具體結(jié)果如圖5、圖6所示：

圖5　50M處的S21參數(shù)

從中可以看出，電感在52 nH左右時50M的信號衰減最少，38 nH時100M的信號衰減最少，但100M信號在50nH時的衰減只有0.04dB；但50M信號在38nH處的衰減達到了0.07dB；這次題目的截止頻率是100M，因此綜合考慮，我們決定用50 nH的電感。

圖6　100M處的S21參數(shù)

5　設計結(jié)果及性能評價

最終的設計結(jié)果就是一個三階的切比雪夫低通濾波器，其中Q1=50nH，Q2=30pF。其s21的傳輸性能非常好，通帶內(nèi)有更為均衡的衰減特性，在阻帶內(nèi)的衰減具有更快的增長速率，題目要求在400M處的衰減至少有5dB，理論值是43，是目標值的8倍，滿足題目的要求。

6　經(jīng)驗總結(jié)

從上面濾波器的設計過程可以看出，切比雪夫濾波器的特點還是比較明顯，即通帶內(nèi)均衡性好，階數(shù)少，需用的元器件少，電路設計簡單。Designer設計軟件操作也比較方便，結(jié)果清晰明了，是進行濾波電路設計的好工具。

參考文獻

[1]Merrill I.Skolnik[美]主編,王軍等譯著.《雷達手冊》第二版[M].電子工業(yè)出版社,2003年3月版.

[2]黃席春,高順泉.濾波器綜合法設計原理[M].人民郵電出版社,1978年第10期.

李國清（1981-），男，山東濟寧人，2003年畢業(yè)于山東大學信息科學與工程學院電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)為中國電子科技集團公司第三十八所助理工程師，主要從事雷達接收系統(tǒng)方面的研究。

A project of filter designing based on Ansoft Designer

LI Guo-qing
（East China Reserch Institute of ElectronicEngineering，Hefei230031，China）

Abstract:Analyses the features and principles of Chebyshev filter, gives a presentation of its accounting process and attenuated function. An analysis of “Designing” design principle, methods and approaches ofChebyshev filter is also given in this paper. KeyWords: Chebyshev filter；Designer；S parameter

作者簡介：