基于传输零点的广义切比雪夫型LC滤波器快速设计法

罗杰　廖成

摘 要： 通过对不同结构的广义切比雪夫型LC滤波器的传输零点特性进行分析验证，得到适用于[N]阶广义切比雪夫型LC滤波器传输零点特性的结论。基于这些结论提出一种快速设计广义切比雪夫型LC滤波器的方法，大大缩短了设计滤波器的时间。并且该方法可以在实现滤波器带外截止特性的同时，实现滤波器小型化，在科学研究和工程应用中具有重要意义。

关键词： 广义切比雪夫型LC滤波器； 传输零点； 快速设计； 小型化

中图分类号： TN713.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0129?03

Abstract： Based on the characteristic analysis of transmission zeros of generalized Chebyshev LC filters with different structures， some conclusions suitable for transmission zeros′ characteristics of N?order generalized Chebyshev LC filter were obtained. Based on the conclusions， a rapid design method of generalized Chebyshev LC filter was proposed， which can greatly shorten the design period， and can realize the filter cut?off characteristics as well as the filter miniaturization at the same time. It has an important significance in scientific research and engineering applications.

Keywords： generalized Chebyshev LC filter； transmission zero； rapid design； miniaturization

0 引 言

近年来，随着滤波器小型化的不断发展，增加阶数来提高通带外衰减的方法无疑和滤波器微型化的发展趋势是相违背的[1]。因此，引入传输零点来增大带外抑制的方法应运而生，并且受到越来越多的关注。

本文通过研究传输零点生成机制，得到在广义切比雪夫型LC滤波器中引入传输零点的方法[2?3]。并运用电磁仿真软件对不同结构的广义切比雪夫型LC滤波器进行仿真分析，验证得到适用于[N]阶广义切比雪夫型LC滤波器传输零点特性的结论。最后基于这些方法和结论提出了一种快速设计广义切比雪夫型LC滤波器的方法，这种方法为实现滤波器小型化和陡峭的带外截止特性提供了新的设计思路[4]。

1 传输零点形成机制研究

要在传输的系统中引入传输零点，就要想办法在具体的某个频率处进行信号的阻隔，让信号无法通过[5]。在滤波器中，可以通过两种方式来引入传输零点：交叉耦合方式；LC谐振电路方式。

本文采用第二种方法，即通过LC谐振电路方式来引入传输零点。

反之，若确定要产生传输点的位置，就可以通过频率和电感值来估计需要接入①处的电容[CT]的值，从而减少设计和调试滤波器的时间。其他结构的谐振电路也可以用同样的方式进行设计。

2 传输零点特性分析验证

如图1所示，在五阶广义切比雪夫型LC滤波器①或②或③处（在④⑤处主干线上也可以引入传输零点，但是不属于广义切比雪夫型LC滤波器内部结构引入传输零点，所以本文不考虑），接入不同的LC元件，可以得到不同结构的五阶广义切比雪夫型LC滤波器[6]。按照不同的接法将其分为4种结构：

结构1：在每个位置串联单个或多个电容；

结构2：在每个位置串联单个或多个电感；

结构3：在每个位置串联单个或多个电容电感的串联谐振结构；

结构4：在每个位置串联单个或多个电容电感的并联谐振结构。

对比发现，不同的接法有着不同的[S21]幅频特性曲线，但传输零点的分布数目和分布位置有着一定的规律，总结如下：

结构1中，在[a]个位置串联单个或多个电容，则在[S21]幅频特性曲线的带外低频处出现[a]个传输零点。

结构2中，在[b]个位置串联单个或多个电感，则在[S21]幅频特性曲线的带外高频处出现[b]个传输零点。

结构3中，在[c]个位置串联单个或多个电容电感的串联谐振结构，则在[S21]幅频特性曲线的带外高频处和带外低频处各出现[c]个传输零点，即共产生[2c]个传输零点。

结构4中，在[d]个位置串联单个或多个电容电感的并联谐振结构，则在[S21]幅频特性曲线中产生[d]个传输零点。且传输零点的分布位置不固定在通带外某侧，而是随电容电感的值进行分布，可以分布在带外低频处，也可以分布在带外高频处。

下面在电磁仿真软件中对不同结构的广义切比雪夫型LC滤波器实例进行仿真分析，以此验证上述结论的正确性。

基于结构1的五阶广义切比雪夫型LC滤波器幅频特性图如图2所示，其[S21]幅频特性曲线正如推导出的结论那样，有3个传输零点，分布在左侧带外低频处。

更多的实例都验证了本文提出的快速设计含传输零点的广义切比雪夫型LC滤波器的方法是正确的，并且设计出的滤波器所用的LC元件最少[7?9]。例如，若需要产生6个传输零点，采用本文提出的设计方法，仅需8个电容和8个电感，而椭圆滤波器产生相同数目的传输零点则需10个电容和10个电感。可见本文提出的设计方法在实现滤波器的带外截止特性的同时，还能实现滤波器小型化[10]。

4 结 论

本文将广义切比雪夫型LC滤波器引入传输零点的方式分为4种，通过电磁仿真软件仿真分析4种结构下的[S21]幅频特性曲线，得到适用于[N]阶广义切比雪夫型LC滤波器传输零点特性的结论。基于这些结论提出了一种快速设计广义切比雪夫型LC滤波器的方法，在知道需要引入传输零点的数目和分布位置的情况下，能迅速设计广义切比雪夫型LC滤波器的结构，大大缩短了设计滤波器的时间。并且设计出的滤波器所用的LC元件最少，在保证滤波器带外截止特性的同时，可实现滤波器的小型化，在科学研究和工程应用中有较大的价值。

参考文献

[1] 赵一凡.LTCC带通滤波器的传输零点和分布电路的研究[D].杭州：浙江工业大学，2013.

[2] 朱颖.LTCC手机前端模块GSM频段部分设计[D].武汉：华中科技大学，2007.

[3] 王一凡.广义切比雪夫滤波器设计[D].成都：电子科技大学，2007.

[4] 陈振华，徐金平.带有陷波腔的W波段高截止特性带通滤波器（英文）[J]. Journal of Southeast University （English Edition）， 2013（1）： 5?7.

[5] MILOSAVLJEVIC Z D. Design of generalized Chebyshev filters with asymmetrically located transmission zeros [J]. IEEE Tran?sactions on Microwave Theory Tech， 2005， 53（7）： 2411?2415.

[6] 杨赤如，陈晓阳，齐爱军，等.广义切比雪夫型LC滤波器的设计[J].微波学报，2013，29（3）：64?67.

[7] 武丽芳，王世山，周小林.应用于平面EMI滤波器集成 LC元件寄生电容的提取[J].电工电能新技术，2011，30（2）：35?39.

[8] 赵兰，刘伟.级联法实现宽带LC带通滤波器设计[J].无线电工程，2010，40（8）：42?45.

[9] LI J Y， CHI C H， CHANG C Y. Synthesis and design of gene?ralized Chebyshev wideband hybrid ring based bandpass filters with a controllable transmission zero pair [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2010， 58（12）： 3720?3731.

[10] 傅焕展，谢拥军，冯鹤，等.附加传输零点的层叠式LTCC带通滤波器设计[J].现代电子技术，2009，32（16）：158?160.

4 结 论

本文将广义切比雪夫型LC滤波器引入传输零点的方式分为4种，通过电磁仿真软件仿真分析4种结构下的[S21]幅频特性曲线，得到适用于[N]阶广义切比雪夫型LC滤波器传输零点特性的结论。基于这些结论提出了一种快速设计广义切比雪夫型LC滤波器的方法，在知道需要引入传输零点的数目和分布位置的情况下，能迅速设计广义切比雪夫型LC滤波器的结构，大大缩短了设计滤波器的时间。并且设计出的滤波器所用的LC元件最少，在保证滤波器带外截止特性的同时，可实现滤波器的小型化，在科学研究和工程应用中有较大的价值。

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[10] 傅焕展，谢拥军，冯鹤，等.附加传输零点的层叠式LTCC带通滤波器设计[J].现代电子技术，2009，32（16）：158?160.

4 结 论

本文将广义切比雪夫型LC滤波器引入传输零点的方式分为4种，通过电磁仿真软件仿真分析4种结构下的[S21]幅频特性曲线，得到适用于[N]阶广义切比雪夫型LC滤波器传输零点特性的结论。基于这些结论提出了一种快速设计广义切比雪夫型LC滤波器的方法，在知道需要引入传输零点的数目和分布位置的情况下，能迅速设计广义切比雪夫型LC滤波器的结构，大大缩短了设计滤波器的时间。并且设计出的滤波器所用的LC元件最少，在保证滤波器带外截止特性的同时，可实现滤波器的小型化，在科学研究和工程应用中有较大的价值。

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[10] 傅焕展，谢拥军，冯鹤，等.附加传输零点的层叠式LTCC带通滤波器设计[J].现代电子技术，2009，32（16）：158?160.