一種LC低通濾波器設計方法研究

貴州航天計量測試技術研究所 許友坤 高 峯 張 揚 李 睿

本文基于在射頻頻段的電感、電容、PCB引線及過孔的寄生參數，建立了LC低通濾波器電路模型，并根據模型優化出易于工程實現的LC濾波器。濾波器實測數據與仿真數據具有較高的吻合度，證明了濾波器設計方法的準確性，也為其他射頻電路的設計提供了參考。

1 概述

低通濾波器作為選頻器件，可以用來抑制干擾信號和諧波信號，由于結構簡單、成本低，LC濾波器廣泛應用于微波測試系統、通信系統和雷達系統等領域（寧俊松,羅正祥,羊愷,等.寬阻帶平面低通濾波器的設計.電子學報,2008;劉寶強,王祖麟.80MHZ 射頻LC低通濾波器的設計與實現.數字技術與應用,2014）。

然而，在射頻頻段，電容、電感等構成LC濾波器的基本元件，因存在寄生參數，導致由這些基本元件構成的電路偏離預期設計。在射頻電路設計中，有時因未考慮元件寄生參數的影響，往往導致電路需要通過大量的調試來達到預期的設計目標，難以實現電路的準確設計。

本文基于電容、電感、PCB引線和過孔的寄生參數，構建了LC低通濾波器模型，實現了截止頻率為500MHz的LC低通濾波器的準確設計。

2 高頻寄生效應

元器件在低頻的狀態下，一般可看作理想的器件，即電感和電容均視為純電感和純電容。但在較高頻率的條件下，器件的特性已偏離其理想特性，需考慮其寄生效應的影響（楊玉崗,許平靜.EMI濾波器高頻寄生參數分析.電源技術,2010）。實際的電感器具有電損耗特性，Q值是有限的，因此存在一定的電阻；另一方面，由于引線端頭的影響，還存在一定寄生電容。因此，實際電感的等效電路如圖1所示（楊繼深.電磁兼容技術之產品研發與認證.電子工業出版社,2007）。類似地，實際的電容器除了電容量，還有電感和電阻分量，其等效電路如圖2所示。

圖1 實際電感的等效電路

圖2 實際電容的等效電路

以PCB為載體來制作濾波器時，還需考慮PCB引線和接地過孔所引起的寄生參數（電感）的影響。工程實現中PCB引線及過孔示意圖如圖3所示。

圖3 PCB引線及過孔示意圖

PCB引線的電感滿足：

其中，L1為PCB引線的電感，單位為nH；l和W分別為引線的長度和寬度，單位為cm。

PCB接地過孔的電感可由如下公式計算（王貴虎,王東虎.LC濾波器工程設計中的考慮事項.電子產品可靠性與環境試驗,2012）：

其中，L2為過孔的寄生電感，單位為nH；h和d分別為過孔的長度和直徑，單位為in。

3 LC低通濾波器設計

根據某組件電路的需求，需設計一個截止頻率為500MHz、1GHz處抑制度大于45dB的低通濾波器，擬采用7階切比雪夫的LC低通濾波器實現上述指標。在ADS中建立如圖4所示的切比雪夫低通濾波器原型電路。

圖4 理想LC濾波器原型電路圖

圖6 濾波器仿真曲線圖

根據所采用的電感和電容資料，可以計算出電感和電容的寄生參數。將理想濾波器原型電路圖中的電感和電容分別用對應的等效電路代替。同時，考慮實際工程實現中的PCB引線和過孔對應的等效電感。此外，理論計算得到的部分電感和電容值并不是工程應用中各元器件的優選值，因而需要通過其他方式等效得到需要的元件值。如9.4pF的電容，可以用優選值系列中兩個4.7pF電容并聯實現。通過進一步優化仿真，得到濾波器等效電路圖和仿真曲線分別如圖5和圖6所示。

4 濾波器實物測試

根據上節中優化得到的濾波器結構，完成濾波器的制作。采用矢量網絡分析儀對濾波器參數進行測試，測試起始頻率為40MHz，截止頻率為1.5GHz，濾波器的S參數測試曲線如圖7所示。

圖7 濾波器S參數測試曲線圖

圖5 濾波器等效電路圖

由圖6可知，在500MHz處的插入損耗約為2.69dB，1GHz處的抑制度約為83dB；由圖7可得，500MHz處的插入損耗約為2.76dB，1GHz處的抑制度約為87dB。因此，基于電感、電容、PCB引線和過孔的寄生參數后設計得到的濾波器實測結果與電路仿真結果具有較高的吻合度，證明了該種設計方法的準確性。

5 結論

本文介紹了一種LC低通濾波器設計方法，基于在射頻頻段電感、電容、PCB引線及過孔存在的寄生參數，優化得到易于工程實現的濾波器電路模型，并完成電路仿真與實物測試。結果表明實測數據與仿真數據具有較高的吻合度，證明了濾波器設計方法的準確性。同時，該方法也為其他射頻電路的設計提供了參考。

參考：寧俊松，羅正祥，羊愷等，寬阻帶平面低通濾波器的設計：電子學報，2008；劉寶強，王祖麟，80MHZ射頻LC低通濾波器的設計與實現：數字技術與應用，2014；楊玉崗，許平靜，EMI濾波器高頻寄生參數分析：電源技術，2010；楊繼深，電磁兼容技術之產品研發與認：電子工業出版社，2007；王貴虎，王東虎，LC濾波器工程設計中的考慮事項：電子產品可靠性與環境試驗，2012。