本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低通濾波器的設(shè)計方法，可用于射頻無線通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著IC整合度越來越高的趨勢，片上系統(tǒng)芯片SOC及系統(tǒng)封裝模塊SIP在通信系統(tǒng)上的應(yīng)用比例日漸升高，在此情況下無源元件在系統(tǒng)中所占的面積相對提高，因此在如何縮小無源元件大小的同時提高元件性能已成為一種核心技術(shù)。

低通濾波器是射頻前端部分一個重要的無源器件。一個好的低通濾波器不僅應(yīng)該具有帶內(nèi)低損耗和帶外高抑制的傳輸特性，而且應(yīng)該具有陡峭的頻率截止特性和盡可能小的體積，特別是隨著電子整機(jī)系統(tǒng)向小型化、輕型化方向發(fā)展的今天。

現(xiàn)有的濾波器設(shè)計方法中，主要采用的是鏡像參數(shù)法和插入損耗法，其中：

鏡像參數(shù)法，是根據(jù)濾波網(wǎng)絡(luò)的具體電路，用分析的方法推算出濾波器的特性，然后在將這些具體電路拼湊起來滿足所需的技術(shù)要求，該方法的優(yōu)點是理論依據(jù)簡單，缺點是在分析過程中沒有考慮外接負(fù)載的影響，故在具體的設(shè)計要求提出后，需要反復(fù)試探才能得到設(shè)計結(jié)果，設(shè)計頗費時間。

插入損耗法，是根據(jù)所提出的技術(shù)要求，應(yīng)用插入損耗與頻率的函數(shù)關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)理論綜合出具體的電路結(jié)構(gòu)，該方法設(shè)計準(zhǔn)確，而且設(shè)計是已經(jīng)考慮到外接負(fù)載的影響，無需經(jīng)過多次試探，是近年來廣泛應(yīng)用的設(shè)計方法。例如由陶益玉、孫國寧所申請的“低通濾波器及其設(shè)計方法”(專利申請?zhí)枮?01510823725.5)，該方法首先根據(jù)低通濾波器設(shè)計輸入的條件，確定各元件的實際取值，然后基于各元件的實際取值完成各元件的建模構(gòu)成整體的濾波器結(jié)構(gòu)，最后通過不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)來達(dá)到低通濾波器特性要求的設(shè)計方法，依據(jù)該方法設(shè)計的低通濾波器存在阻帶衰減過于緩慢、邊緣幅度振蕩以及通帶幅度波動的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明是在分析低通濾波器原型電路的基礎(chǔ)上，引入缺陷地結(jié)構(gòu)DGS，提出一種基于DGS的低通濾波器設(shè)計方法，以增大低通濾波器的帶外抑制，提高頻率選擇性，縮小器件面積。

為實現(xiàn)上述目的，本方法包括以下步驟：

S0、根據(jù)低通濾波器的輸入條件確定設(shè)計指標(biāo)，該指標(biāo)包括截止頻率ω_c、帶內(nèi)波紋幅度α_p、特征阻抗z_o以及阻帶衰減度α_s；

S1、根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，通過查詢低通濾波器原型數(shù)值表確定低通濾波器節(jié)數(shù)及各元件的歸一化值；

S2、把各元件的歸一化數(shù)值、截止頻率ω_c及特征阻抗z_o代入反歸一化公式中，得出各元件值，建立低通濾波電路；

S3、計算缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中的電感和電容，將電感和電容并行連接構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，使該并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)曲線與低通濾波電路中電感的頻率響應(yīng)曲線相同，再用缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中的電感和電容構(gòu)成的并行諧振電路替換掉低通濾波電路中的各節(jié)電感；

S4、計算傳輸線中的寄生電容，使該傳輸線中的寄生電容頻率響應(yīng)曲線與低通濾波電路中電容的頻率響應(yīng)曲線相同，再用該傳輸線中的寄生電容替換掉低通濾波電路中的各節(jié)電容，完成整體低通濾波器設(shè)計。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明由于只需根據(jù)設(shè)計指標(biāo)建立低通濾波電路，再用缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路替換掉低通濾波電路中的電感及用傳輸線中的寄生電容替換掉低通濾波電路中的電容即可完成低通濾波器的設(shè)計，因而使得低通濾波器的設(shè)計更加簡便，耗時更短。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實現(xiàn)流程圖；

圖2本發(fā)明中建立的低通濾波電路圖；

圖3是本發(fā)明獲得的基于缺陷地結(jié)構(gòu)DGS的低通濾波電路圖；

圖4是對本發(fā)明實施例設(shè)計的基于缺陷地結(jié)構(gòu)DGS的低通濾波電路性能仿真圖。

具體實施方式

為了對方法的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖進(jìn)行清楚、完整地描述本方法的具體實施方式。

參照圖1，本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下：

步驟1，根據(jù)低通濾波器的輸入條件確定設(shè)計指標(biāo)。

因為在電路和電子系統(tǒng)中，需要對頻率有選擇地通過，把需要的信號提取出來，并抑制不需要的信號，所以需求對信號進(jìn)行濾波處理，這就要求在設(shè)計之初要考慮設(shè)計指標(biāo)，使其設(shè)計指標(biāo)能提供足夠的衰減特性。通常，濾波器的設(shè)計指標(biāo)包括截止頻率ω_c、帶內(nèi)波紋幅度α_p、特征阻抗z_o以及阻帶衰減度α_s；

在本實施例中，確定的輸入條件為：通帶頻率小于2.5GHz，通帶的插入損耗小于1.5dB，大于3.8GHz時帶外抑制大于25dB，阻帶內(nèi)存在傳輸零點，諧振頻率為4.5GHz介質(zhì)材料選擇低溫共燒陶瓷Ferro-A6M，其介電常數(shù)為5.9，，介質(zhì)基板厚度為35mil，根據(jù)上述輸入條件確定低通濾波器的設(shè)計指標(biāo)分別為：

截止頻率ω_c＝2.8GHz；帶內(nèi)波紋幅度α_p≤0.1dB；

特征阻抗z_o＝50Ω；阻帶衰減度α_s≥25dB。

步驟2，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，確定低通濾波器節(jié)數(shù)及各元件的歸一化數(shù)值。

根據(jù)步驟1中的設(shè)計指標(biāo)，通過查詢低通濾波器原型數(shù)值表得到低通濾波器的節(jié)數(shù)N＝5及各節(jié)元件的歸一化數(shù)值分別為：g1＝0.7563，g2＝1.3049，g3＝1.5773，g4＝1.3049，g5＝0.7563。

步驟3，通過反歸一化公式得出各元件值，建立低通濾波電路。

反歸一化公式表示如下：

$L=\frac{g\·z_o}{{\mathrm{\ω}}_c},$

$C=\frac{g}{{\mathrm{\ω}}_c\·z_o},$

其中ω_c為截止頻率，z_o為特征阻抗，g為元件歸一化值，L為低通濾波電路中電感，C為低通濾波電路中電容；

把步驟2中得到的各節(jié)元件歸一化數(shù)值、截止頻率ω_c及特征阻抗z_o代入到上述反歸一化公式中，得到濾波電路各節(jié)元件的數(shù)值分別為：

一節(jié)電感為L1＝2.5443nH，二節(jié)電容為C2＝1.7552pF，三節(jié)電感為L3＝5.3041nH，四節(jié)電容為C4＝1.7552pF，五節(jié)電感為L5＝2.5443nH；

利用上述得到各節(jié)的電感和電容值建立低通濾波電路，如圖2所示。

圖2所示的低通濾波電路中包含三個電感L1，L3，L5和兩個電容C2，C4，其中一節(jié)電感L1、三節(jié)電感L3、五節(jié)電感L5依次串聯(lián)連接，且一節(jié)電感L1位于首部，其一端接輸入端口，另一端接三節(jié)電感L3；五節(jié)電感L5位于尾部，其一端接三節(jié)電感L3，另一端與輸出端口相接；二節(jié)電容C2其一端與一節(jié)電感L1和三節(jié)電感L3的公共端相連接，另一端接地；四節(jié)電容C4其一端與三節(jié)電感L3和五節(jié)電感L5的公共端相連接，另一端接地。

步驟4，用缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路替換掉低通濾波電路中的各節(jié)電感。

將步驟3中得到的低通濾波電路中的電感L代入缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路公式得出缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中電感Lk和電容Ck：

缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路公式表示如下：

$Ck=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{2Z_o\·({{\mathrm{\ω}}_o}^2-{{\mathrm{\ω}}_c}^2)}+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_o}^2\·L},---\<1\>$

$Lk=\frac{1}{L^{-1}+{{\mathrm{\ω}}_c}^2\·Ck},---\<2\>$

其中，Lk為缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中的電感，Ck為缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中的電容，ω_o為諧振頻率，L為低通濾波電路中的電感。

4a)將低通濾波電路一節(jié)電感L1代入到上述式<1>和式<2>得到第一節(jié)缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中的電感Lk1和電容Ck1，分別為：Lk1＝2.2832nH，Ck1＝0.2026pF；將該電感Lk1和電容Ck1并行連接構(gòu)成第一節(jié)并聯(lián)諧振電路，并用該第一節(jié)并聯(lián)諧振電路替換掉低通濾波電路中的一節(jié)電感L1；

4b)將低通濾波電路三節(jié)電感L3代入到上述式<1>和式<2>得到第二個缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中的電感Lk3和電容Ck3，分別為：Lk3＝4.2862nH，Ck3＝0.2026pF；將該電感Lk3和電容Ck3并行連接構(gòu)成第二節(jié)并聯(lián)諧振電路，并用該第二節(jié)并聯(lián)諧振電路替換掉低通濾波電路中的三節(jié)電感L3；

4c)將低通濾波電路五節(jié)電感L5代入到上述式<1>和式<2>得到第三個缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中的電感Lk5和電容Ck5，分別為：Lk5＝2.2832nH，Ck5＝0.2026pF；將該電感Lk5和電容Ck5并行連接構(gòu)成第三節(jié)并聯(lián)諧振電路，并用該第三節(jié)并聯(lián)諧振電路替換掉低通濾波電路中的五節(jié)電感L5。

步驟5，用傳輸線中的寄生電容C_r替換掉低通濾波電路中的各節(jié)電容，完成整體低通濾波電路的設(shè)計。

將步驟3中得到的低通濾波電路中的電容C代入傳輸線公式得出傳輸線的寄生電容C_r：

傳輸線公式表示如下：

$C_r=\mathrm{\&epsiv;}\frac{W\&CenterDot;i}{d},---\&lt;3\&gt;$

其中C_r為傳輸線的寄生電容，ε為介質(zhì)材料相對介電常數(shù)，d為介質(zhì)材料厚度，W＝2·W_zo為微帶線寬度，為微帶線長度，W_zo為特征阻抗是50Ω的微帶線寬度，λ_g為有效波長，C為低通濾波器中的電容。

5a)將低通濾波電路中的二節(jié)電容C2代入到上述式<3>得到第一節(jié)寄生電容：C_r2＝1.6483pF，并用該第一節(jié)寄生電容C_r2替換掉低通濾波電路中的二節(jié)電容C2；

5b)將低通濾波電路中的四節(jié)電容C4代入到上述式<3>得到第二節(jié)寄生電容：C_r4＝1.6483pF，并用該第二節(jié)寄生電容C_r4替換掉低通濾波電路中的四節(jié)電容C4；

至此完成整體低通濾波電路參數(shù)的設(shè)計，得到如圖3所示的最終低通濾波電路，即圖3所示的低通濾波電路中包含三個電感Lk1，Lk3，Lk5，三個電容Ck1，Ck3，Ck5和兩個寄生電容C_r2，C_r4。其中：

第一節(jié)缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中的電感Lk1和電容Ck1并行連接，構(gòu)成第一節(jié)并聯(lián)諧振電路；第二節(jié)缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中的電感Lk3和電容Ck3并行連接，構(gòu)成第二節(jié)并聯(lián)諧振電路；第三節(jié)缺陷地結(jié)構(gòu)DGS電路中的電感Lk5和電容Ck5并行連接，構(gòu)成第三節(jié)并聯(lián)諧振電路。

該第一節(jié)并聯(lián)諧振電路、第二節(jié)并聯(lián)諧振電路、第三節(jié)并聯(lián)諧振電路依次串聯(lián)連接，且第一節(jié)并聯(lián)諧振電路位于首部，其一端接輸入端口，另一端接第二節(jié)并聯(lián)諧振電路；第三節(jié)并聯(lián)諧振電路位于尾部，其一端接第二節(jié)并聯(lián)諧振電路，另一端接輸出端口；第一節(jié)寄生電容C_r2其一端與第一節(jié)并聯(lián)諧振電路和第三節(jié)并聯(lián)諧振電路的公共端相連接，另一端接地；第二節(jié)寄生電容C_r4其一端與第二節(jié)并聯(lián)諧振電路和第三節(jié)并聯(lián)諧振電路的公共端相連接，另一端接地。

本實例的性能結(jié)果可結(jié)合仿真結(jié)果作進(jìn)一步說明：

仿真內(nèi)容：利用商業(yè)仿真軟件ANSYS_16.0對本發(fā)明的低通濾波器電路的性能進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示：

從圖4可見，本發(fā)明的低通濾波器通帶頻率為0～2.5GHz，通帶內(nèi)插入損耗小于1dB，阻帶內(nèi)高于3.69GHz時抑制大于25dB，可滿足手機(jī)、藍(lán)牙系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等射頻無線通訊的要求。

以上描述僅是本發(fā)明的一個具體實例，不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解本發(fā)明內(nèi)容后，都可能在不背離本發(fā)明內(nèi)容的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明內(nèi)容的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。