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基于AWR软件的带通滤波器设计

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第一步:

确定需要设计滤波器的指标,例如如下指标:

频率范围:50MHz-250MHz;

矩形系数:2.0;

带内插入损耗:小于1dB;

带内回波损耗:大于15dB;

PS,名词解释:

频率范围:滤波器的作用是允许通带频率范围内的信号无障碍的通过,其他阻带的信号全反射。所以允许通过信号的频率范围就是带通滤波器的通带频率范围,简称频率范围。

带内插入损耗:10*log(滤波器输出端口接收到的功率/滤波器输入端口发送的功率)。可想而知,滤波器输出端的功率肯定小于滤波器输入端的输入功率,这个比值小于1,则10*log(Pout/Pin)肯定小于零,也就是负数。一般把负号略掉,直接关注正数的数值。

带内回波损耗:10*log(滤波器输入端口反射回来的功率/滤波器输入端口发送的功率)。滤波器通带内的插入损耗其实和两个因素有关,第一是构成滤波器器件的无载Q值,也就是电容电感中等效电阻的大小;第二是滤波器电路和输入输出端口的阻抗匹配情况。输入输出端口的阻抗一般固定,都是50欧姆,那么滤波器电路的输入输出端口阻抗也应该调整到50欧姆,这样就能保证输入信号不会反射,全部输入到滤波器电路中。但是在比较宽的频段内,做到完全匹配是不可能的,所以我们只能要求反射的功率在我们能够接受的范围内最好。带内插入损耗也是负数,平时忽略负号,只关注具体的数值。这个数值越大越好,越大代表反射的功率越小,例如20dB代表反射1%的功率。

矩形系数:理想滤波器的通带内信号无障碍通过,也就是通带插入损耗是10*log(Pout/Pin)=10*log(1)=0dB。阻带信号完全不能通过,也就是通带插入损耗是10*log(Pout/Pin)=10*log(无穷大)=0dB。此时滤波器的幅频响应曲线是个标准的矩形。但是实际上是不可能的,有俩原因。第一实际的电容电感等器件都不是理想的器件,除了电容电感以外,还有等效电阻,也就是有电阻性损耗,所以带内插入损耗肯定大于0dB,例如1dB;第二,此时滤波器的幅频响应曲线也不是理想的矩形,呈现梯形,因为理想滤波器的元器件数量是无穷大的,而实际当中只能采用有限的元器件。矩形系数就是通带插入损耗40dB时候的带宽/通带插入损耗3dB时候的带宽。

第二步:

打开软件,输入需要实现的指标。

首先找到wizards这个文件加,里面有个ifilter这个插件,在最下面。

然后,双击打开

随后,点击左上角的shunt stubs BPF,在这里选择带通滤波器,也就是bandpass filter.

我们这里用经典的集总元器件(lumped element)实现带通滤波器,集总元器件就是电感和电容,然后OK。

Degree

随后,输入滤波器的频率范围以及我们能够实现的电容和电感的Q值,通过改变滤波器的级数(degree)以及带内纹波(ripple)控制滤波器的矩形系数。其中级数对矩形系数的影响最大,带内纹波对带内回波损耗影响最大,但是也对矩形系数有一点影响。带内回波损耗确定了,带内纹波也就确定了,不能变。然后通过仔细的调节滤波器的级数,就可以得到矩形系数合格,并且级数最少的滤波器。

一般电容的Q值是1000,贴片电感的Q值在10左右,绕线螺旋电感的Q值可以通过那个电感计算软件计算,一般在200-800之间。电感一般是250

本例子的各项指标如下图所示:

这个设计中,假定电感的Q值为300,绕线电感。采用7级的滤波器即可实现指标。可以看到,插入损耗肯定小于1dB,回波损耗在25dB,肯定大于15dB。而3dB带宽在200MHz,40dB带宽小于400MHz,也就是矩形系数小于2。

当然也可以调节回波损耗的值,使其接近于15dB,例如在18dB左右,如图所示:

这时候在右下角可以显示实现这个滤波器性能的电感电容值,直接按照这个值搭电路即可。

如果仔细看看这个电路的电容和电感值,可以看出两者基本上都不能精确的实现,例如电容22.8Pf就不能实现,此时应该凑一下并联或者串联能够实现的电容值,例如22pf或者23pf。

然后优化电感的值。

反正电容电感的值越精确,则实现的性能越接近设计性能。

Optimizer改衰减度

改电容值,用已有的代替

点Vars

电容去勾,锁定电容值

第三步,选择电容电感,搭电路实现。

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首次发布时间:2023-06-02
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集成电路小刚
硕士 立志成为集成电路领域专家
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