窄帶LC帶通濾波器的設計與實現

２０１１年８月

艦船電子對抗

Ａｕｇ．２０１１

第３４卷第４期

ＳＨＩＰＢ（）ＡＲＤ ＥＬＥＣ１、Ｒ（）ＮＩＣ Ｃ（）ＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥ

Ｖｏ１．３４ ＮＯ．４

窄帶ＬＣ帶通濾波器的設計與實現

王 勇，盧中華

（船舶重 集團公司７２３所，揚州２２５００１）

摘要：為適應現代艦載電子戰設備對低頻濾波器的嚴格要求，通過對傳統帶通濾波器的結構進行適當的網絡變換，

得到了一種可靠的電路結構。該結構將原有集總參數帶通網絡的電路元件參數值轉化成常見量值，同時最大程度

地吸收了集總元件的寄生參數，使濾波器的性能更加穩定。測試結果表明：采用該結構的濾波器具有很窄的帶寬、

較高的阻帶抑制度以及優良的電壓反射系數等性能。

關鍵詞：窄帶；帶通濾波器；電感一電容濾波器

中圖分類號：ＴＮ７１３．５ 文獻標識碼：Ｂ 文章編號：ＣＮ３２—１４１３（２０１１）０４—０１１５—０３

Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｒｒｏｗ Ｂａｎｄ ＬＣ Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ

ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ，ＬＵ Ｚｈｏｎｇ—ｈｕａ

（Ｔｈｅ ７２３ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＳＩＣ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ ２２５００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＬＣ ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｉＳ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔＯ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｓｔｒｉｃｔ ｒｅ—

ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｗａｒｆａｒｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｔｏ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｉｌｔｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ

ｐｒｏｐｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ

ｖａｌｕｅ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｌｕｍｐｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｉｎｔｏ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｔｈｉｓ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｒｅ ａｂｓｏｒｂｅｄ ｆａｒｔｈｅｓｔ，

ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｙ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃ—

ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｓｔｏｐ—ｂａｎｄ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｆｌｅｃ—

ｔａｎｃｅ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ；ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ；ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ—ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒ

０ 引 言

礎上，通過試驗摸索，采用了一種新型電路的結構形

式。該電路結構既克服了巴特沃思函數濾波器阻帶

濾波器是現代通信工程中最常用的器件，它對 抑制差的缺點，又克服了傳統諧振器耦合式帶通對

信號具有頻率選擇性，在通信系統中通過、阻斷、分 片式電容、電感元件值精度要求高、高頻應用不易實

開或合成某些頻率的信號，被廣泛地應用于各種電 現和調試的缺點。本文通過精心設計和調試，成功

信設備和控制系統中。隨著現代電子戰偵察設備對 地實現了一個中心頻率在１ ０００ ＭＨｚ、帶寬為

虛假信號的處理能力不斷增強，對采用濾波器濾除 ２０ ＭＨｚ的窄帶帶通濾波器。

變頻系統雜散也提出了越來越高的要求。一般的濾

波器在相對帶寬小于５ 時稱為極窄帶濾波器，其

１ 電路結構

設計和實現相對于寬帶濾波器較難，主要是集成片

通常在頻率較低時，用集總參數實現傳統諧振

式電容、電感元件的寄生效應起了很大的作用。

器耦合式帶通是比較容易的。然而隨著頻率的升

為適應現代艦載電子戰設備，濾波器應具有體 高，實現諧振器耦合式帶通濾波器就會變得困難。

積小、低插入損耗、高矩形系數、耐惡劣環境等的裝

一

方面是因為寄生參數影響很大，窄帶濾波器的通

機嚴格要求。在綜合了傳統ＬＣ濾波器優缺點的基

帶包絡不容易形成，并且會造成通帶內的插入損耗

收稿日期：２０１ｌ一４—１７

ｌｌ６ 艦船電子對抗 第３４卷

濾波器的歸一化原型，利用文獻［１］中相關公式可以

計算出電路結構中各元器件數值。通過耦合元件的

數值來說明對電路結構進行網絡變換的必要性。利

用公式（１）計算出四階電容耦合諧振式帶通濾波器

的結構中耦合元件的數值：

，

”

一 ’

式中：△／為濾波器帶寬；－廠 為中心頻率；Ｌ為電感

Ｔ

阜丁牟丁牟丁牟丁

工

ｌ翊】 Ｉ Ｃ窄帶帶通濾波器電路結構示意網

值；ｇ 為諧振單元的歸一化值。

由式（１）得出，耦合元件Ｃ一 的數值與工作頻

率／’。的３次方成反比，頻率越高，耦合電容的取值

越小。適當地減小電感Ｌ的值可以改善這個矛盾，

但是Ｌ受Ｑ值的要求也不能過小。

２．１ ７ｃ—Ｔ網絡變換

２ 電路結構的網絡變換

根據設計要求的阻帶抑制度，選用的四階電容

耦合諧振式帶通濾波器的結構如圖２所示。

ｃ１２ Ｊ （

為了實現高的工作頻率，可以將各諧振電容拆

分成２個部分，其中的一個部分被用來構成丌型網

絡，然后再對級間耦合電路進行 一Ｔ的網絡變換，

使所有耦合電容元件的容值增大，變換過程如圖３

所示。圖中：

ｃ 一 ！ （２）

Ｌ ３

ｃ 一 ± ± （３）

圖２ 四階電容耦合諧振式帶通濾波器

Ｌ，Ｉ

（４） ｃ 一 ；

根據濾波器設計理論和四階巴特沃思函數低通

圖３ 一Ｔ的網絡變換過程

變換后各元件的數值可由式（２）～（４）求得。耦

合電路的 一Ｔ網絡變換不僅解決了傳統電路結構

免寄生參數對整個濾波器性能的影響。

２．２諾頓變換

中耦合單元電容過小無法實現的問題；而且將耦合

單元調整元件由串聯臂移到并聯臂，也方便了電路

調試。

通過計算，發現在高頻應用時，經過７【一Ｔ網絡

變換后，電路中部分諧振單元元件值偏小，甚至有些

電容值小于０．５ ｐＦ，可以考慮通過增加待設計網絡

的端口阻抗來提高網絡元件的數值。增加端口阻抗

最有效的一種方式就是在網絡輸入、輸出端口插入

變壓器，將網絡特征阻抗變為』＼， 倍，如圖４所示。

各諧振電容劃出參與丌一Ｔ網絡變換的部分要

適當。Ｃ。（或Ｃ ）過小，轉換后得到耦合單元電容

過小；過大，則剩余的諧振單元電容不夠大。原則

上要求轉換后得到的各部分電容大于１．５ ｐＦ，這樣

可以適當地利用片式電容、電感的寄生參數，盡量避

第４期 王勇等：窄帶Ｉ Ｃ帶通濾波器的設計與實現 １１７

罔４ 利用變壓器實現阻抗變換

使用變壓器實現阻抗匹配既能優化插入損耗，

又能減少電感線圈值的差別。但是，仿真時提取的

變壓器模型是理想的，是具有無限寬頻率特性的器

件，實際中并不存在。實際中的變壓器由于磁芯材

料的頻率特性和損耗，線匝之間的雜散電容、線匝導 偏移１００ ＭＨｚ處的抑制度大于６０ ｄＢｃ。圖６即為

線的電阻等的影響，與理想變壓器特性有很大的

區別。

諾頓變換提供了一種很好的解決方法，將由

１個電容器和１個變壓器構成的電路，變換成３個

電容器構成的電路。利用這種變換，能夠只需使用

電容器就完成阻抗變換。與變壓器相比，電容器的

好處在于它在相當高的頻率范圍內工作特性都是理

想的。變換過程如圖５所示。變換后得到的各電容

值可以由式（５）～（７）求解出：

ｃ 一 ｃ （５）

Ｃ ＝ Ｃ （６）

ｃ。一 ｃ （７）

一

圖５諾頓變換示意圖

３ 電路的實現

傳統的四階電容耦合諧振式帶通濾波器經過

丌一Ｔ網絡變換與諾頓變換后便得到了圖１所示的電

路結構。按上述電路結構，首先通過計算元器件初

值，然后借助微波設計軟件ＡＤＳ對電路進行反復仿

真調試，可以得到滿足設計要求的電感和電容元件

數值。

根據上述結果，利用片式電容和線圈電感實現

了工作頻率１ ０００ ＭＨｚ的窄帶帶通濾波器。濾波

器的帶寬為２０ ＭＨｚ，中心頻率差損小于３ ｄＢ，頻率

帶通濾波器的性能測試曲線。

圖６帶通濾波器的性能測試曲線

４結束語

高性能濾波器是現代艦載電子戰設備中非常重

要的器件，其濾波性能的好壞關系到整個系統的性

能，其設計以及實現方法具有較大的工程實用價值。

本文介紹的窄帶帶通濾波器的設計方法簡單，結構

穩定，希望能對相關Ｉ Ｃ濾波器的設計和實現起到