5阶椭圆函数低通滤波器的仿真与应用

2021-06-19梁炯

科技创新与应用 2021年16期

关键词：理论值低通滤波器原理图

梁炯

（新疆广播电视局6501台,新疆乌鲁木齐 830000）

1 滤波器的仿真设计

1.1 滤波器的设计基础

依据归一化元件参数来设计滤波器,以归一化元件参数为基本依据,经截止频率变换和特征阻抗变换两个步骤求得待设计滤波器的构成元件参数。其中,截止频率变换就是按下式来改变归一化元件参数。

而特征阻抗变换则是通过对上面已求得的元件参数值再施以下式的变换来实现。

综合（2）（3）（5）（6）可得：

代入归一化的电感、电容参数即可计算出滤波器具体的电感、电容值。

1.2 5阶椭圆函数滤波器的设计指标与理论值计算

1.2.1 设计指标

通带频率：3.2～4.2MHz

带内波动：≤0.1dB

插入损耗：≤0.2dB

二次谐波抑制：≤-20dB

三次谐波抑制：≤-30dB

匹配负载：50Ω

1.2.2 元件理论值计算

按照设计指标的要求,选用5阶椭圆函数低通滤波器带内波动为0.011dB的归一化参数表。谐波抑制要求≤-30dB,则可选用归一化参数表中的阻带衰减为32dB以上的参数组进行设计计算。表1列出了本文选用的归一化参数。

表1 5阶椭圆函数低通滤波器的归一化参数

由于要考虑到元件误差的影响,选用元件误差等级为±5%的元件,那么要把滤波器的截止频率扩大5%,即截止频率为4.2MHz×（1+5%）=4.41MHz。把截止频率为4.41MHz、匹配负载50Ω以及表1中的参数代入公式（9）和（10）计算出的元件理论值如表2所示。

表2 5阶椭圆函数低通滤波器的元件理论值

由表2可以得出5阶椭圆函数低通滤波器的电路原理图,如图1所示。

图1 5阶椭圆函数低通滤波器电路原理图

1.3 5阶椭圆函数低通滤波器的仿真

1.3.1 ADS的初步使用

按下面的步骤打开程序,开始菜单——所有程序中——ADS2005A。在主窗口,点击图标：View Startup Directory。会显示你所定缺省目录的ADS项目文件夹。点击Create a New Project则可以新建一个设计项目,会弹出一个新建项目窗口,将项目命名为lab1。下面的下拉菜单主要是设定单位的,这里我们设为mil。点击OK建立新项目,并会出现原理图窗口,原理图保存在lab1_prj项目下的networks文件目录里。

1.3.2 5阶椭圆函数低通滤波器小信号仿真的建立

在刚才打开的原理图窗口的元件模型列表中选择Lumped-Components（集总参数元件）项,选择了集总参数元件项后在原理图窗口左边会出现可选用的元件,在原理图窗口中放入电容、电感和地并用线把它们连接起来。在元件模型列表中选择Simulation-S_Param项,在该项面板中选择S-Parameter模拟控制器、VSWR仿真器和端口Term放到原理图上,鼠标左键双击元件调整元件的参数,如图2所示。

图2 5阶椭圆函数低通滤波器仿真原理图

双击S-PARAMETERS打开配置窗口,把Start改成1MHz,Stop改成15MHz,Step-size改成10KHz选择OK配置完毕。存储原理图,取名为lpf。点击原理图窗口上方的Simulate图标,开始模拟。模拟完成后如果没有错误,会自动显示数据显示窗口,可以看到窗口左上方的名称为lpf。

在这个窗口可以以表格、圆图、等式等形式显示数据。点击Rectangular Plot图标,把一个方框放到数据显示窗口中会自动弹出选择对话框,选择要显示的S（1,2）或S（2,1）（两者的曲线一样）,参数点击Add按钮,选择dBm为单位,点击OK。

然后就会显示一个合理的5阶椭圆函数低通滤波器响应。点击Mark→New,把一个三角标志放在图上,可以用键盘和鼠标控制它的位置。

用同样的方法以等式的形式显示VSWR的数据。

按以上步骤,把元件的参数分别改变±5%重新仿真,得到的响应如图3、图4所示。

图3 元件减小5%滤波器的响应

图4 元件增大5%滤波器的响应

由图3可以看出所有元件都减小5%后滤波器的二次谐波抑制变小,但仍能满足要求。由图4可以看出所有元件都增大5%后滤波器的带内波动变大,但是仍能满足要求。所以在所用元件的误差等级都是±5%的情况下,该5阶椭圆函数低通滤波器在小信号时已经满足了要求。

1.3.3 5阶椭圆函数低通滤波器大信号仿真的建立

大信号仿真原理图如图5所示。

图5 5阶椭圆函数低通滤波器大信号仿真原理图

图5中P_AC是大信号源,把Pac设为2.5kW。AC仿真器用于交流信号的仿真,把Start设为3.2MHz,Stop设为4.2Mhz。I_Probe为电流检测器用于检测电路上的电流。点击原理框图上方的NAME图标在里面输入名称,例如V1然后用鼠标点击电路原理图上的节点,则可以把节点命名为V1,按相同的方法把节点命名为V1～V3。把仿真原理图配置好后点击仿真按钮开始模拟,在数据显示窗口中用等式把电压、电流显示出来,并在数据窗口点击Eqn图标编写视在功率的计算公式,把结果用等式显示,如表1到表5所示。

表1 滤波器干路电流

表2 流过电容的电流

表3 节点电压与电感两端的电压EqnVL1=V1-V2 EqnVL2=V2-V3

表4 电感的视在功率EqnP1=L1.i*V1 EqnP2=L4.i*V3 EqnPL1=L2.i*VL1 EqnPL2=L3.i*VL2

表5 电容的视在功率EqnPc1=Lc1.i*V1 EqnPc2=Lc2.i*VL1 EqnPc3=Lc2.i*V2 EqnPc4=Lc4.i*VL2 EqnPc5=Lc5.i*V3

元件理论值分别改变±5%,继续对滤波器进行大信号的仿真,并把三种情况下的仿真结果进行比较。如表6所示。

表6 三种元件值大信号仿真结果比较

2 5阶椭圆函数低通滤波器仿真结果的应用

由小信号仿真结果以及大信号仿真结果比较表6可知,当元件取值都偏小5%时,响应曲线满足指标要求,各个元件的视在功率基本上都变小了,所以确定元件参数时尽量使元件值比理论值小,但是不要超过5%的误差范围。

由表4可知电感的视在功率均在10KVA以上故电感用线径为3mm的镀银空心线圈。电容的选择则比较宽松,可以选择损耗小、功率容量在1KVA的电容。电容按降额使用,由表5可知C1的视在功率为3.06KVA可以用5个电容并联,C2的视在功率为1.97KVA用3个电容并联,C3的视在功率为10.6KVA用16个电容并联,C4的视在功率为4.56KVA用7个电容并联,C5的视在功率为1.76KVA用3个电容并联。

由表1和表2可以计算出连接各个元件的印制板布线的宽度。铜箔允许通过的电流是20A/mm2,假设铜箔厚度为105μm,那么允许通过18A的铜箔宽度是8.6mm。所以该处布线宽度为9mm。其他线宽均以此法计算。