基于傳輸零點的廣義切比雪夫型LC濾波器快速設計法

羅杰　廖成

摘 要： 通過對不同結構的廣義切比雪夫型LC濾波器的傳輸零點特性進行分析驗證，得到適用于[N]階廣義切比雪夫型LC濾波器傳輸零點特性的結論。基于這些結論提出一種快速設計廣義切比雪夫型LC濾波器的方法，大大縮短了設計濾波器的時間。并且該方法可以在實現濾波器帶外截止特性的同時，實現濾波器小型化，在科學研究和工程應用中具有重要意義。

關鍵詞： 廣義切比雪夫型LC濾波器； 傳輸零點； 快速設計； 小型化

中圖分類號： TN713.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

近年來，隨著濾波器小型化的不斷發展，增加階數來提高通帶外衰減的方法無疑和濾波器微型化的發展趨勢是相違背的[1]。因此，引入傳輸零點來增大帶外抑制的方法應運而生，并且受到越來越多的關注。

本文通過研究傳輸零點生成機制，得到在廣義切比雪夫型LC濾波器中引入傳輸零點的方法[2?3]。并運用電磁仿真軟件對不同結構的廣義切比雪夫型LC濾波器進行仿真分析，驗證得到適用于[N]階廣義切比雪夫型LC濾波器傳輸零點特性的結論。最后基于這些方法和結論提出了一種快速設計廣義切比雪夫型LC濾波器的方法，這種方法為實現濾波器小型化和陡峭的帶外截止特性提供了新的設計思路[4]。

1 傳輸零點形成機制研究

要在傳輸的系統中引入傳輸零點，就要想辦法在具體的某個頻率處進行信號的阻隔，讓信號無法通過[5]。在濾波器中，可以通過兩種方式來引入傳輸零點：交叉耦合方式；LC諧振電路方式。

本文采用第二種方法，即通過LC諧振電路方式來引入傳輸零點。

反之，若確定要產生傳輸點的位置，就可以通過頻率和電感值來估計需要接入①處的電容[CT]的值，從而減少設計和調試濾波器的時間。其他結構的諧振電路也可以用同樣的方式進行設計。

2 傳輸零點特性分析驗證

如圖1所示，在五階廣義切比雪夫型LC濾波器①或②或③處（在④⑤處主干線上也可以引入傳輸零點，但是不屬于廣義切比雪夫型LC濾波器內部結構引入傳輸零點，所以本文不考慮），接入不同的LC元件，可以得到不同結構的五階廣義切比雪夫型LC濾波器[6]。按照不同的接法將其分為4種結構：

結構1：在每個位置串聯單個或多個電容；

結構2：在每個位置串聯單個或多個電感；

結構3：在每個位置串聯單個或多個電容電感的串聯諧振結構；

結構4：在每個位置串聯單個或多個電容電感的并聯諧振結構。

對比發現，不同的接法有著不同的[S21]幅頻特性曲線，但傳輸零點的分布數目和分布位置有著一定的規律，總結如下：

結構1中，在[a]個位置串聯單個或多個電容，則在[S21]幅頻特性曲線的帶外低頻處出現[a]個傳輸零點。

結構2中，在[b]個位置串聯單個或多個電感，則在[S21]幅頻特性曲線的帶外高頻處出現[b]個傳輸零點。

結構3中，在[c]個位置串聯單個或多個電容電感的串聯諧振結構，則在[S21]幅頻特性曲線的帶外高頻處和帶外低頻處各出現[c]個傳輸零點，即共產生[2c]個傳輸零點。

結構4中，在[d]個位置串聯單個或多個電容電感的并聯諧振結構，則在[S21]幅頻特性曲線中產生[d]個傳輸零點。且傳輸零點的分布位置不固定在通帶外某側，而是隨電容電感的值進行分布，可以分布在帶外低頻處，也可以分布在帶外高頻處。

下面在電磁仿真軟件中對不同結構的廣義切比雪夫型LC濾波器實例進行仿真分析，以此驗證上述結論的正確性。

基于結構1的五階廣義切比雪夫型LC濾波器幅頻特性圖如圖2所示，其[S21]幅頻特性曲線正如推導出的結論那樣，有3個傳輸零點，分布在左側帶外低頻處。

更多的實例都驗證了本文提出的快速設計含傳輸零點的廣義切比雪夫型LC濾波器的方法是正確的，并且設計出的濾波器所用的LC元件最少[7?9]。例如，若需要產生6個傳輸零點，采用本文提出的設計方法，僅需8個電容和8個電感，而橢圓濾波器產生相同數目的傳輸零點則需10個電容和10個電感。可見本文提出的設計方法在實現濾波器的帶外截止特性的同時，還能實現濾波器小型化[10]。

4 結 論

本文將廣義切比雪夫型LC濾波器引入傳輸零點的方式分為4種，通過電磁仿真軟件仿真分析4種結構下的[S21]幅頻特性曲線，得到適用于[N]階廣義切比雪夫型LC濾波器傳輸零點特性的結論。基于這些結論提出了一種快速設計廣義切比雪夫型LC濾波器的方法，在知道需要引入傳輸零點的數目和分布位置的情況下，能迅速設計廣義切比雪夫型LC濾波器的結構，大大縮短了設計濾波器的時間。并且設計出的濾波器所用的LC元件最少，在保證濾波器帶外截止特性的同時，可實現濾波器的小型化，在科學研究和工程應用中有較大的價值。

參考文獻

[1] 趙一凡.LTCC帶通濾波器的傳輸零點和分布電路的研究[D].杭州：浙江工業大學，2013.

[2] 朱穎.LTCC手機前端模塊GSM頻段部分設計[D].武漢：華中科技大學，2007.

[3] 王一凡.廣義切比雪夫濾波器設計[D].成都：電子科技大學，2007.

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[7] 武麗芳，王世山，周小林.應用于平面EMI濾波器集成 LC元件寄生電容的提取[J].電工電能新技術，2011，30（2）：35?39.

[8] 趙蘭，劉偉.級聯法實現寬帶LC帶通濾波器設計[J].無線電工程，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] 傅煥展，謝擁軍，馮鶴，等.附加傳輸零點的層疊式LTCC帶通濾波器設計[J].現代電子技術，2009，32（16）：158?160.

4 結 論

本文將廣義切比雪夫型LC濾波器引入傳輸零點的方式分為4種，通過電磁仿真軟件仿真分析4種結構下的[S21]幅頻特性曲線，得到適用于[N]階廣義切比雪夫型LC濾波器傳輸零點特性的結論。基于這些結論提出了一種快速設計廣義切比雪夫型LC濾波器的方法，在知道需要引入傳輸零點的數目和分布位置的情況下，能迅速設計廣義切比雪夫型LC濾波器的結構，大大縮短了設計濾波器的時間。并且設計出的濾波器所用的LC元件最少，在保證濾波器帶外截止特性的同時，可實現濾波器的小型化，在科學研究和工程應用中有較大的價值。

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4 結 論

本文將廣義切比雪夫型LC濾波器引入傳輸零點的方式分為4種，通過電磁仿真軟件仿真分析4種結構下的[S21]幅頻特性曲線，得到適用于[N]階廣義切比雪夫型LC濾波器傳輸零點特性的結論。基于這些結論提出了一種快速設計廣義切比雪夫型LC濾波器的方法，在知道需要引入傳輸零點的數目和分布位置的情況下，能迅速設計廣義切比雪夫型LC濾波器的結構，大大縮短了設計濾波器的時間。并且設計出的濾波器所用的LC元件最少，在保證濾波器帶外截止特性的同時，可實現濾波器的小型化，在科學研究和工程應用中有較大的價值。

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