基于ADS的濾波器類型選擇對濾波性能的影響分析

朱齊媛，陳新原

（嶺南師范學院 信息科學與技術學院，廣東 湛江 524048）

射頻和微波的廣泛應用使射頻電路設計領域得到了工業界的特別關注，新興半導體器件使得高頻電路系統不斷擴張，這些應用在無線通信、全球定位及雷達等行業中有目共睹。但是，射頻設計挑戰在通信行業存在更加普遍，46%以上的通信設計工程認為射頻設計是最大的技術挑戰之一。在通信產品設計中，射頻問題比較多地表現在電路匹配、接收靈敏度、器件參數一致性等問題。現代射頻和微波系統的設計越來越復雜，對電路的指標要求也越來越高，電路的功能越來越豐富，電路的尺寸越來越小，卻要設計周期越來越短，傳統的設計方法已經不能滿足微波電路設計的需求，使用微波EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）軟件工具進行微波系統的設計已經成為微波電路的設計的必然趨勢。ADS—Advanced Design System，是美國安捷倫（Agilent）公司所發開的電子設計自動化軟件，功能強大，仿真手段豐富多樣，并對設計結果進行成品率分析越優化，大大提高了復雜電路的設計效率，是優秀的微波電路、系統信號鏈路的設計工具[1-3]。不同于傳統的射頻分析設計軟件，ADS軟件不再是簡單地用表格的方式計算出射頻系統增益和功率預算，而是對射頻器件級進行深入的仿真分析。利用ADS軟件工程師可以精確分析系統中的噪聲、阻抗、互調、隔離、諧波等對系統工程的影響。

射頻濾波器是射頻電路中最基本也是最常用的射頻器件，可以是有微波線構成的，也可以是由電感、電容等集總參數元件構成的[4]。理想的濾波器可以分為4種：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。按照濾波器的制作方法和材料，射頻濾波器可以分為波導濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器和微帶濾波器。在實際工程應用中，各種濾波器的設計是很復雜的，但是都可以通過將經典的低通濾波器原型，通過不同的變換，將其轉換成要求的濾波器。經典的低通濾波器主要有巴特沃斯、切比雪夫和橢圓函數濾波器等[5]，本文用最簡單的電路，利用ADS仿真得到不同原型對于濾波性能的影響。

1 濾波器類型選擇實例

選擇的雙端低通濾波器模型（low-pass filter DT），預設濾波器的參數如下，Ap（dB）=0.1，Fp=0.2 GHz，Fs=1.2 GHz，如圖 1所示。選擇不同的濾波器類型，首先選擇的是巴特沃斯濾波器，即在Response Type中選擇Maximally Flat，之后得到濾波器的子電路圖，如圖2所示，選擇S參數仿真，得到濾波器的S21、S11、S12參數曲線（濾波器電路相對于輸入和輸出端口來說是對稱的，這種濾波器可以用在天線前端，作為收發公用的濾波器，所以曲線S21、S12參數曲線是相同的）。設置M1、M2點，滿足設計要求，即在100 MHz處的通帶內損耗為-0.09 dB，濾波器在100 MHz的頻點處輸入反射系數為-17 dB。

圖1 雙端低通濾波器模型Fig.1 Double end of the lowpass filter

圖2 巴特沃斯濾波器子電路Fig.2 Butterworth filter circuit

其次選擇切比雪夫濾波器，即在Response Type中選擇Chebyshev，之后得到濾波器的子電路圖，選擇S參數仿真，同樣可以得到濾波器的 S21、S11、S12參數曲線。在圖中設置 M1、M2點，滿足設計要求，即在100 MHz處的通帶內損耗為-0.48 dB，濾波器在100 MHz的頻點處輸入反射系數為-9.86 dB。

最后選擇橢圓函數濾波器，即在Response Type中選擇Elliptic，之后得到濾波器的子電路圖，選擇S參數仿真，得到濾波器的 S21、S11、S12。在圖中設置 M1、M2點，滿足設計要求，即在100 MHz處的通帶內損耗為-0.48 dB，濾波器在100 MHz的頻點處輸入反射系數為-9.83 dB。

圖3 響應類型為切比雪夫Fig.3 Response type for the Chebyshev

圖4 切比雪夫濾波器S21、S11參數曲線Fig.4 Chebyshev filter S21、S11 curves

2 不同類型濾波器的濾波性能分析

從上節的數據中可以看出，3種不同響應類型的選擇均可以滿足濾波器的基本要求，但是各自還是有很多的不同，從類型選擇方面可以看出，巴特沃斯濾波器最大的優點是通道內具有較高的平坦度，但是明顯的缺陷是通帶和阻帶間的過渡特性較差，不夠陡峭，相對濾波器的理想特性較差；在陡峭方面比較好的是切比雪夫濾波器，但是換來的犧牲是通帶內的衰減特性不平坦，呈現波紋特性；過渡特性較好的是橢圓函數構建的濾波器，但是此類濾波器阻帶衰減不再趨于無限大，而是呈現波紋特性[6]。在模擬濾波器的設計中，需要找到一個可用電路實現的傳輸函數，來滿足濾波器的頻率響應曲線，濾波器的設計最關鍵的研究工作，就是找這個電路可實現的傳輸函數找到了一種傳輸函數，并且提出了實現這種函數的電路結構。但是由于傳輸函數的曲線只是近似滿足理想濾波器的要求，具體選擇何種結構，需要綜合考慮。切比雪夫濾波器滾降更加陡峭，也就是窗型系數好，但是在通帶（阻帶）內頻率響應有等幅波動，巴特沃斯滾降不夠陡峭，但是在通帶內是最平坦的。從以上的分析可以清晰的看出，濾波器的截止陡峭度和線性相位特性是相互沖突，在具體的設計中要折中考慮。同樣的電路形式，元件參數不同就變成了不同的濾波器，同一種濾波器也可以用不同的電路形式實現。濾波器類型按信號處理特性需求來選擇，例如衰減率Chebyshev>Butterworth>Bessel，階躍響應是 Bessel>Butterworth>Chebyshev，而Butterworth和 Bessel是帶內增益無抖動，Chebyshev I是帶內增益有抖動，Chebyshev II是帶外衰減有抖動等等，怎么選擇要和信號緊密結合，需要綜合考慮。

3 結束語

在射頻濾波器的分析和設計中，不同類型的低通濾波器原型會給之后的結果帶來不同的效果，通過對同一低通濾波器的類型選擇差異，利用先進的ADS仿真軟件，從幅頻響應特性和群時延兩個角度，展示了巴特沃斯、切比雪夫和橢圓函數3種基本類型濾波器性能分析，實現不同性能指標濾波器設計中類型選擇的方向。為工程師對于濾波器的設計提供了很好的方向選擇，有一定的學術價值。

[1]陳艷華，李朝暉，夏瑋.ADS應用詳解——射頻電路設計與仿真[M].北京：人們郵電出版社，2009.

[2]馮新宇，車向前，穆秀春.ADS2009射頻電路設計與仿真[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3]南敬昌，馮永生，劉元安.基于ADS線性射頻放大器設計與仿真[J].計算機仿真，2007（5）:302-305.NAN Jing-chang，FENG Yong-sheng，LIU Yuan-an.Design and simulation of linear small-signal transistor’s 1.5 GHz amplifier[J].Computer Simulation，2007（5）:302-305.

[4]Balalem A，Ali A R，Amari S，et al.Ealization of a triplemode bandpass filter using a square-loop resonator[J].in IEEE MTT-SInt.Dig.， Jun，2009:849-852.

[5]KunnthphongSrisathit， ApisakWorapishet， WanlopSurakampontorn.Design of triple-mode ring resonator for wideband microstrip bandpass filters[J].IEEE Trans.Microwave Theoryand Techniques，2010，58（11）:2867-2877.

[6]Garcia-Garcia J，Bonache J，Martin F.Application of electromagneticbandgaps to the design of ultra-wide bandpass filters withgood out-of-band performance[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，2006，54（12）:4136-4140.