一种基于Ansoft Designer的滤波器设计方法

华东电子工程研究所　李国清



一种基于Ansoft Designer的滤波器设计方法

华东电子工程研究所李国清

【摘要】对切比雪夫滤波器的特点及原理做了分析，对切比雪夫滤波器的阶数计算及衰减函数做了介绍。并对Designer软件设计滤波器的原理、方法及分析步骤作了分析。

【关键词】切比雪夫滤波器；Designer；S参数

1　引言

随着现代电子技术的发展，滤波器技术越来越受到重视。滤波器是接收机中鉴别有用回波和多余干扰的主要手段。在雷达接收机、频率源以及各种民用电子设备中，滤波器是最常用的电路，放大器、混频器、倍频器、变频器和振荡器等电路都要应用滤波器。

2　设计要求

设计一个低通切比雪夫滤波器，截至频率100MHz，400MHz处的信号衰减至少有5dB，通带内波纹不超过0.01dB，负载和源电阻各为50欧。

3　理论分析

切比雪夫滤波器的特点是：通带内有更为均衡的衰减特性，在阻带内的衰减具有更快的增长速率。但不足是信号的相位线性度不高。切比雪夫多项式如下：

式中n称为切比雪夫多项式的阶数。Ω为归一化的频率上式可以转化为明显的多项式形式。令：

因此：

利用三角衡等式：

得到：

可以直接得到：

依次类推，可以得到任意阶的切比雪夫多项式。

对于匹配型切比雪夫滤波器，特征函数的模平方取为：

根据公式，衰减可用下边的式子表示：

滤波器的阶数可由下面的公式算出：

把设计题目给的方案的各种参数（Ω＝4，As＝0.01，Ap＝5）代入上面的公式可得：

因此我们取n＝3。

4　使用ANSOFT DESIGNER进行仿真设计、优化调试的过程

使用DESIGNER自带的滤波器设计工具，采用三阶切比雪夫低通滤波器的设计方案如图1、图2所示：

图1　3阶滤波器框图

图2　3阶滤波器的s参数

同样道理，我们也做了五阶的切比雪夫低通滤波器及其对应的参数分析如图3、图4所示。

图3　5阶滤波器框图

综和以上，我们选择3阶切比雪夫低通滤波器作为最终的方案。但理论设计的FIR滤波器系数都是无限精度的，当他们有硬件实现时。必须要量化，这必然引起量化误差。这也就使得理论滤波器和实际滤波器存在一些性能上的差别。

图4　5阶滤波器的s参数

在实际使用中，50.07nH 30.89pF等值的电感电容是很难做到的，因此，我们有必要进行对电感电容值进行优化。因为电容是不可调的，经过查手册发现最接近30.89p的容值是30p，利用designer我们把滤波器中电容的值设定为30p，电感可调，把电感设置为从25 nH到75 nH，重新对电路进行敏感性分析，其中我们在50M和100M设置了两个监测频率点，具体结果如图5、图6所示：

图5　50M处的S21参数

从中可以看出，电感在52 nH左右时50M的信号衰减最少，38 nH时100M的信号衰减最少，但100M信号在50nH时的衰减只有0.04dB；但50M信号在38nH处的衰减达到了0.07dB；这次题目的截止频率是100M，因此综合考虑，我们决定用50 nH的电感。

图6　100M处的S21参数

5　设计结果及性能评价

最终的设计结果就是一个三阶的切比雪夫低通滤波器，其中Q1=50nH，Q2=30pF。其s21的传输性能非常好，通带内有更为均衡的衰减特性，在阻带内的衰减具有更快的增长速率，题目要求在400M处的衰减至少有5dB，理论值是43，是目标值的8倍，满足题目的要求。

6　经验总结

从上面滤波器的设计过程可以看出，切比雪夫滤波器的特点还是比较明显，即通带内均衡性好，阶数少，需用的元器件少，电路设计简单。Designer设计软件操作也比较方便，结果清晰明了，是进行滤波电路设计的好工具。

参考文献

[1]Merrill I.Skolnik[美]主编,王军等译著.《雷达手册》第二版[M].电子工业出版社,2003年3月版.

[2]黄席春,高顺泉.滤波器综合法设计原理[M].人民邮电出版社,1978年第10期.

李国清（1981-），男，山东济宁人，2003年毕业于山东大学信息科学与工程学院电子信息工程专业，现为中国电子科技集团公司第三十八所助理工程师，主要从事雷达接收系统方面的研究。

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

作者简介：