具有多传输零点的射频集总高通滤波器的设计

罗 兵，张永亮，刘建圻，钟君柳，王喜瑞

（1. 广东机电职业技术学院信息工程学院，广州 510515；2.广东好帮手电子科技股份有限公司集团研发中心，广东 佛山 528113）

具有多传输零点的射频集总高通滤波器的设计

罗 兵1，张永亮1，刘建圻1，钟君柳1，王喜瑞2

（1. 广东机电职业技术学院信息工程学院，广州 510515；2.广东好帮手电子科技股份有限公司集团研发中心，广东 佛山 528113）

简要介绍了滤波器的理论基础，并在理论计算与分析的基础上，使用射频/微波仿真软件ADS设计了一种射频高通滤波器。在带外低频引入4个传输零点，使其能有效抑制零点频率附近的杂波干扰，提高通信系统的抗干扰能力。仿真结果表明在通频带内，驻波比≤1.5，插入损耗≤0.5 dB，带外抑制≥25 dB（DC~650 MHz）。比较了理论设计与使用仿真软件设计的区别，理论计算繁琐、复杂，而仿真软件设计简单、高效、快速、调谐方便，此方法可用于其他射频滤波器的设计。

高通滤波器；ADS优化；驻波比；插入损耗；仿真分析

1 引言

射频滤波器一直是无线通信系统中不可缺少的组成部分，它能起到频带和信道选择的作用，并且能滤除谐波，抑制杂散。因此，射频滤波器一直是无线通信系统领域的研究热点[1~9]。一般来说，滤波器的设计均是采取查归一化表的方式得到需要的参数，再进行转化得到实际滤波器的设计参数，但这种方法工作量大，精度不高，理论计算较复杂。事实上，对于大多数现代滤波器的设计，射频/微波模拟软件是一个绝对必要的、评估滤波器性能的工具。美国安捷伦（Agilent）公司推出的大型EDA软件Advanced Design System（简称ADS）就是其中的佼佼者，也是国内各大学和研究所在微波电路和通信系统仿真方面使用最多的软件之一[1,2]。本文在理论设计的基础上，利用ADS软件对集总式的高通滤波器进行优化设计，节省了时间，提高了设计精度和设计效率。

2 滤波器理论

在电路中，电流信号可以认为由很多形式的小电流（电流谐波）叠加而成，有的信号是有用的，有的信号是无用甚至有害的，它可能会给整个电路带来干扰。因此，需要将电路中的一些无用信号尽可能降低，剩下有用的信号来驱动负载，滤波器便能提供这样的一个开关通道：有用的信号可以近乎无阻碍地通过，无效或者有害的信号被截断不能通过，从而提高整个电路的抗干扰能力和电路的稳定性。

按照通频带的分类方法，滤波器可分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）。按通带滤波特性可分为：最大平坦型（巴特沃思型）、等波纹型（切比雪夫型）、线性相移型（贝塞尔型）滤波器等。本文设计的滤波器为低于某个频率的信号滤除，高于某个频率的信号通过，是一种无源高通滤波器。

3 射频高通滤波器的理论设计

对于多种不同结构的滤波器，尽管它们具有不同的结构，功能均为从一系列信号中分离出设计者所需要的频率。那么，所有电路均可以用网络参数的形式来反映输入端和输出端的关系，以衰减和相移函数为基础，利用网络综合理论，可以求出集总元件低通原型电路[3,4]。根据滤波器理论，所有类型的滤波器均可映射成归一化的低通滤波器[3,4]，因此高通滤波器的设计可以先从设计归一化低通滤波器开始，然后再映射成高通滤波器，映射如图1 所示，图中纵坐标以分贝（dB）为单位，LA为衰减度，LAR为通带内最大衰减度，其中低通原型滤波器的频率变量为ω’，高通滤波器的频率变量为ω。对于低通滤波器原型，ω1’为归一化截止频率，当归一化频率大于ω1’时为阻带，反之为通带。映射到高通滤波器时，ω1为归一化截止频率，当归一化频率大于ω1时为通带，反之为阻带。

低通滤波器原型可以根据其截止频率和带内外的抑制等通过查阅相关表格得到[3]。得到低通滤波器原型的相关参数后，可以通过频率定标和阻抗定标来得到实际高通滤波器的设计参数，将设计参数使用ADS仿真软件进行初步仿真调试或直接搭建基本电路进行调试，达到设计指标要求。

图1 低通滤波器向高通滤波器的映射

3.1 阻抗定标

阻抗定标是在原型设计中，源和负载的电阻为1，设计时可以通过原型设计的阻抗与R0相乘得到。若Rs’、L’、C’和RL’是原型低通滤波器的元件值，不带撇号的符号表示阻抗定标后的值，则新的滤波器的元件值为：

3.2 频率定标

频率定标是将低通原型滤波器中衰减特性的频率变量ω’经过适当的变换，得到以新的频率ω为变量的衰减特性。为了将低通原型滤波器转换到高通滤波器响应，可将ω’=0映射到ω=∞，将ω’=∞映射到ω=0，所以从低通到高通的频率变换式应取：

这样，不但可以使低通的ω’=0点变换为高通的ω=∞点，ω’=∞变换为高通的ω=0点，而且使得ω’=ω1’点变换为ω=ω1点。因此，低通原型的通带变换为高通的通带，低通原型的阻带变换成高通的阻带。式（5）中的负号是为适应在变换过程中元件性质改变的需要。例如，低通原型中电感L’的感抗为ω’L’，变换到高通滤波器中的电抗为：

由式（6）可推得：

由此可见，低通原型中的电感，变换为高通中的电容，感抗取正号，容抗取负号。同理，低通原型中的电容C’，经过式（5）变换后应是高通中的电感L，两者关系为：

由上述理论得到从低通滤波器原型到高通滤波器的转换，则既要阻抗定标也要频率定标，那么新的元件值为：

4 高通滤波器理论设计实例

本文设计的高通滤波器指标为：

（1）截止频率为806 MHz；

（2）带内插入损耗≤0.5 dB；

（3）带外抑制≥25 dB（DC~650 MHz）

（4）带内波动≤0.1 dB；

（5）驻波比（VSWR）≤1.5；

（6）输入输出阻抗为50 Ω。

根据前面介绍的低通原型转换为高通的阻和频率定标理论，首先计算：

再根据带外抑制的要求查图得n=7，同时查表得出各元件数值为：

得出低通原型值后，由式（1）、（4）、（9）和（10）可求出实际高通滤波器的实际元件值为：

其电路图如图2所示，其仿真结果如图3、图4所示，从图3可看出驻波比达到设计指标要求，但显然从图4可看出带外抑制达不到设计指标要求。

图3 理论计算所得的驻波比

图4 理论计算所得的插入损耗

5 ADS仿真分析

采用查表或曲线拟合的方法工作量大，精度不高，因此本文使用经典的滤波器仿真软件ADS（Advanced Design System）进行高通滤波器的设计与仿真工作。

使用ADS的滤波器设计向导完成高通滤波器的初步仿真分析。如图5所示为滤波器设计向导所得的7阶切比雪夫型高通滤波器结构，图6所示为初步仿真所得的驻波比，显然达不到设计要求，图7所示为初步仿真所得的插入损耗，带外抑制已经达到指标要求。

显然，初步仿真未得到设计指标要求，需要进行电路的简单变换及调试，经过多次调谐和电路变换，最终确定电路图如图8所示，其仿真结果如图9、图10所示，驻波比和带外抑制都达到了设计要求，且使用了4个传输零点，使得带外抑制下降更陡峭，能更好地去除干扰信号。

图5 ADS滤波器设计向导所得的滤波器结构

图6 初步仿真驻波比

6 结果与讨论

本文使用了理论计算的方法和ADS仿真分析的方法实现了射频高通滤波器的设计，显然理论计算复杂、繁琐，并且需要查表，且最终结果也达不到设计指标要求，仍然需要不断调试才能达到设计目标。

然而，使用先进的射频仿真工具ADS仿真分析能很快地达到设计指标要求，并能快速优化，实现设计指标。本文设计的高通滤波器，不但实现了设计指标的要求，并使用4个传输零点，实现带外抑制的快速下降，能够更好地消除带外抑制，并且在806~1 500 MHz的常用频带范围内，驻波比≤1.2，满足了常用频段对驻波比的苛刻要求，实际制作并测试了滤波器的结果，与设计目标吻合。

图7 初步仿真所得的插入损耗

7 结束语

滤波器的设计是通信领域一直比较热门的研究技术，传统的理论设计方法已经显得耗时、费力，使用ADS等现代射频仿真工具能快速实现滤波器的设计。本文设计的射频高通滤波器具有优良的驻波比，较高的带外抑制能力，截止频率点具有更陡峭的下降速度，用于GSM900、CDMA800等通信系统，具有良好的抗干扰能力，能提高通信系统的噪声系数，改善通信系统的通信距离。

图8 最终高通滤波器电路

图9 最终高通滤波器驻波比

图10 最终高通滤波器的插入损耗

[1] 邹德慧，赖万昌，戴振麟. 一种基于ADS 优化的微带带通滤波器设计及实现[J]. 电测与仪表，2007,（6）：31-33.

[2] 杨金伟. 基于Richards变换与Kuroda规则的射频滤波器设计[J]. 台州学院学报，2006,（3）：41-46.

[3] 甘本祓，吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计[M].科学出版社，1973.

[4] 清华大学微带电路编写组. 微带电路[M]. 北京：人民邮电出版社，1976.

[5] 侯旭洁，陈星，邓世雄. C波段高阻带抑制的微带带通滤波器设计[J]. 电子测量技术，2013，36（9）：18-22.

[6] 惠欣，陈晓哲，樊晓华，等. RFID系统中的低通滤波器设计[J]. 微电子学，2013，43（5）：620-623.

[7] 曲永志，李德志，马延爽. 基于HFSS 的微调谐腔体带通滤波器设计[J]. 综合电子信息技术，2012，38（3）：62-64.

[8] 王磊，胡永辉. 一种C波段射频滤波器的设计[J]. 时间频率学报，2005，28（2）：89-94.

[9] 庞宏，金海炎. 一种小型的交叉耦合阶梯阻抗谐振器带通滤波器[J]. 压电与声光，2010，32（4）：618-621.

图12 整形后外部目检图

6 结束语

微电子技术的迅猛发展，集成电路集成度越来越高、引脚越来越多、间距越来越小，随着微电子封装技术的发展，对出厂后的引脚整形与共面性检测技术的研究及推广也势在必行。

参考文献：

[1] 薛晓洁，孙长库，叶声华. 用于BGA共面性检测的激光扫描在线测试系统[J]. 光电工程，2001, 2.

[2] 王玉龙，孙守红. 密脚间距QFP集成电路引脚成形工艺研究[J]. 电子工艺技术，2010, 11.

作者简介：

杨 城（1987—），男，本科，毕业于西北工业大学，现在湖北航天计量测试技术研究所工作。

Design of RF Lumped High-pass Filter with Multiple Transmission Zeros

LUO Bing1, ZHANG Yongliang1, LIU Jianxi1, ZHONG Junliu1, WANG Xirui2

（1.Guangdong Mechanical & Electrical College,College of Information Engineering,Guangzhou510515,China; 2.Guangdong Coagent Electronics S&T Co.,Ltd.Group R&D Center,Foshan528113,China）

The paper brief l y introduces the basic theory of fi lter, a RF high-pass fi lter is designed by using radio-frequency/microwave software which is named ADS on the basis of theoretical calculations and analysis, four additional transmission zeros are imported beyond the pass-band, which can effectively suppress the frequency interference near the zero points, and improve the anti-jamming capability of the communication system. The results of RF high-pass filter show the voltage standing wave ratio is less than 1.5, and the insertion loss is less than 0.5 dB within its pass band. Its inhibition is greater than 25 dB between DC and 650 MHz. Compared the difference between the theoretical design and the design by using simulation software, it show the theoretical calculation is tedious and complex, and use the simulation software to design is simple, high eff i cient, fast and convenient to tune. The method can be used to design other RF fi lter.

high-pass fi lter; ADS optimization; voltage standing wave ratio; insertion loss; simulation and analysis

TN713

A

1681-1070（2014）09-0028-05

罗 兵（1980—），男，工程师，主要从事高频技术、无线通信系统与微波射频器件的研究与教学。

2014-04-24