CN106326542A - 基于dgs的低通滤波器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于缺陷地结构DGS的低通滤波器设计方法，主要解决现有低通滤波器设计方法中设计耗费时间长，且设计出的低通滤波器阻带衰减缓慢、边缘幅度振荡及通带幅度波动的问题。其实现方案是：1、根据低通滤波器的输入条件确定设计指标；2、根据设计指标，确定低通滤波器节数及各元件的归一化数值；3、通过反归一化公式得出各元件值，建立低通滤波电路；4、用缺陷地结构DGS电路中的电感和电容构成的并行谐振电路替换掉低通滤波电路中的各节电感；5、用传输线中的寄生电容替换掉低通滤波电路中的各节电容，完成整体低通滤波器设计。本发明具有设计更加简便，耗时更短的优点，可广泛用于射频无线通信系统。

Description

基于DGS的低通滤波器设计方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及一种低通滤波器的设计方法，可用于射频无线通信系统。

背景技术

随着IC整合度越来越高的趋势，片上系统芯片SOC及系统封装模块SIP在通信系统上的应用比例日渐升高，在此情况下无源元件在系统中所占的面积相对提高，因此在如何缩小无源元件大小的同时提高元件性能已成为一种核心技术。

低通滤波器是射频前端部分一个重要的无源器件。一个好的低通滤波器不仅应该具有带内低损耗和带外高抑制的传输特性，而且应该具有陡峭的频率截止特性和尽可能小的体积，特别是随着电子整机系统向小型化、轻型化方向发展的今天。

现有的滤波器设计方法中，主要采用的是镜像参数法和插入损耗法，其中：

镜像参数法，是根据滤波网络的具体电路，用分析的方法推算出滤波器的特性，然后在将这些具体电路拼凑起来满足所需的技术要求，该方法的优点是理论依据简单，缺点是在分析过程中没有考虑外接负载的影响，故在具体的设计要求提出后，需要反复试探才能得到设计结果，设计颇费时间。

插入损耗法，是根据所提出的技术要求，应用插入损耗与频率的函数关系和网络理论综合出具体的电路结构，该方法设计准确，而且设计是已经考虑到外接负载的影响，无需经过多次试探，是近年来广泛应用的设计方法。例如由陶益玉、孙国宁所申请的“低通滤波器及其设计方法”(专利申请号为201510823725.5)，该方法首先根据低通滤波器设计输入的条件，确定各元件的实际取值，然后基于各元件的实际取值完成各元件的建模构成整体的滤波器结构，最后通过不断调整结构来达到低通滤波器特性要求的设计方法，依据该方法设计的低通滤波器存在阻带衰减过于缓慢、边缘幅度振荡以及通带幅度波动的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明是在分析低通滤波器原型电路的基础上，引入缺陷地结构DGS，提出一种基于DGS的低通滤波器设计方法，以增大低通滤波器的带外抑制，提高频率选择性，缩小器件面积。

为实现上述目的，本方法包括以下步骤：

S0、根据低通滤波器的输入条件确定设计指标，该指标包括截止频率ω_c、带内波纹幅度α_p、特征阻抗z_o以及阻带衰减度α_s；

S1、根据设计指标，通过查询低通滤波器原型数值表确定低通滤波器节数及各元件的归一化值；

S2、把各元件的归一化数值、截止频率ω_c及特征阻抗z_o代入反归一化公式中，得出各元件值，建立低通滤波电路；

S3、计算缺陷地结构DGS电路中的电感和电容，将电感和电容并行连接构成并联谐振电路，使该并联谐振电路的频率响应曲线与低通滤波电路中电感的频率响应曲线相同，再用缺陷地结构DGS电路中的电感和电容构成的并行谐振电路替换掉低通滤波电路中的各节电感；

S4、计算传输线中的寄生电容，使该传输线中的寄生电容频率响应曲线与低通滤波电路中电容的频率响应曲线相同，再用该传输线中的寄生电容替换掉低通滤波电路中的各节电容，完成整体低通滤波器设计。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明由于只需根据设计指标建立低通滤波电路，再用缺陷地结构DGS电路替换掉低通滤波电路中的电感及用传输线中的寄生电容替换掉低通滤波电路中的电容即可完成低通滤波器的设计，因而使得低通滤波器的设计更加简便，耗时更短。

附图说明

图1是本发明实现流程图；

图2本发明中建立的低通滤波电路图；

图3是本发明获得的基于缺陷地结构DGS的低通滤波电路图；

图4是对本发明实施例设计的基于缺陷地结构DGS的低通滤波电路性能仿真图。

具体实施方式

为了对方法的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图进行清楚、完整地描述本方法的具体实施方式。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，根据低通滤波器的输入条件确定设计指标。

因为在电路和电子系统中，需要对频率有选择地通过，把需要的信号提取出来，并抑制不需要的信号，所以需求对信号进行滤波处理，这就要求在设计之初要考虑设计指标，使其设计指标能提供足够的衰减特性。通常，滤波器的设计指标包括截止频率ω_c、带内波纹幅度α_p、特征阻抗z_o以及阻带衰减度α_s；

在本实施例中，确定的输入条件为：通带频率小于2.5GHz，通带的插入损耗小于1.5dB，大于3.8GHz时带外抑制大于25dB，阻带内存在传输零点，谐振频率为4.5GHz介质材料选择低温共烧陶瓷Ferro-A6M，其介电常数为5.9，，介质基板厚度为35mil，根据上述输入条件确定低通滤波器的设计指标分别为：

截止频率ω_c＝2.8GHz；带内波纹幅度α_p≤0.1dB；

特征阻抗z_o＝50Ω；阻带衰减度α_s≥25dB。

步骤2，根据设计指标，确定低通滤波器节数及各元件的归一化数值。

根据步骤1中的设计指标，通过查询低通滤波器原型数值表得到低通滤波器的节数N＝5及各节元件的归一化数值分别为：g1＝0.7563，g2＝1.3049，g3＝1.5773，g4＝1.3049，g5＝0.7563。

步骤3，通过反归一化公式得出各元件值，建立低通滤波电路。

反归一化公式表示如下：

$L=\frac{g\·z_o}{{\mathrm{\ω}}_c},$

$C=\frac{g}{{\mathrm{\ω}}_c\·z_o},$

其中ω_c为截止频率，z_o为特征阻抗，g为元件归一化值，L为低通滤波电路中电感，C为低通滤波电路中电容；

把步骤2中得到的各节元件归一化数值、截止频率ω_c及特征阻抗z_o代入到上述反归一化公式中，得到滤波电路各节元件的数值分别为：

一节电感为L1＝2.5443nH，二节电容为C2＝1.7552pF，三节电感为L3＝5.3041nH，四节电容为C4＝1.7552pF，五节电感为L5＝2.5443nH；

利用上述得到各节的电感和电容值建立低通滤波电路，如图2所示。

图2所示的低通滤波电路中包含三个电感L1，L3，L5和两个电容C2，C4，其中一节电感L1、三节电感L3、五节电感L5依次串联连接，且一节电感L1位于首部，其一端接输入端口，另一端接三节电感L3；五节电感L5位于尾部，其一端接三节电感L3，另一端与输出端口相接；二节电容C2其一端与一节电感L1和三节电感L3的公共端相连接，另一端接地；四节电容C4其一端与三节电感L3和五节电感L5的公共端相连接，另一端接地。

步骤4，用缺陷地结构DGS电路替换掉低通滤波电路中的各节电感。

将步骤3中得到的低通滤波电路中的电感L代入缺陷地结构DGS电路公式得出缺陷地结构DGS电路中电感Lk和电容Ck：

缺陷地结构DGS电路公式表示如下：

$Ck=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c}{2Z_o\&CenterDot;({{\mathrm{\&omega;}}_o}^2-{{\mathrm{\&omega;}}_c}^2)}+\frac{1}{{{\mathrm{\&omega;}}_o}^2\&CenterDot;L},---<1>$

$Lk=\frac{1}{L^{-1}+{{\mathrm{\&omega;}}_c}^2\&CenterDot;Ck},---<2>$

其中，Lk为缺陷地结构DGS电路中的电感，Ck为缺陷地结构DGS电路中的电容，ω_o为谐振频率，L为低通滤波电路中的电感。

4a)将低通滤波电路一节电感L1代入到上述式<1>和式<2>得到第一节缺陷地结构DGS电路中的电感Lk1和电容Ck1，分别为：Lk1＝2.2832nH，Ck1＝0.2026pF；将该电感Lk1和电容Ck1并行连接构成第一节并联谐振电路，并用该第一节并联谐振电路替换掉低通滤波电路中的一节电感L1；

4b)将低通滤波电路三节电感L3代入到上述式<1>和式<2>得到第二个缺陷地结构DGS电路中的电感Lk3和电容Ck3，分别为：Lk3＝4.2862nH，Ck3＝0.2026pF；将该电感Lk3和电容Ck3并行连接构成第二节并联谐振电路，并用该第二节并联谐振电路替换掉低通滤波电路中的三节电感L3；

4c)将低通滤波电路五节电感L5代入到上述式<1>和式<2>得到第三个缺陷地结构DGS电路中的电感Lk5和电容Ck5，分别为：Lk5＝2.2832nH，Ck5＝0.2026pF；将该电感Lk5和电容Ck5并行连接构成第三节并联谐振电路，并用该第三节并联谐振电路替换掉低通滤波电路中的五节电感L5。

步骤5，用传输线中的寄生电容C_r替换掉低通滤波电路中的各节电容，完成整体低通滤波电路的设计。

将步骤3中得到的低通滤波电路中的电容C代入传输线公式得出传输线的寄生电容C_r：

传输线公式表示如下：

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

其中C_r为传输线的寄生电容，ε为介质材料相对介电常数，d为介质材料厚度，W＝2·W_zo为微带线宽度，为微带线长度，W_zo为特征阻抗是50Ω的微带线宽度，λ_g为有效波长，C为低通滤波器中的电容。

5a)将低通滤波电路中的二节电容C2代入到上述式<3>得到第一节寄生电容：C_r2＝1.6483pF，并用该第一节寄生电容C_r2替换掉低通滤波电路中的二节电容C2；

5b)将低通滤波电路中的四节电容C4代入到上述式<3>得到第二节寄生电容：C_r4＝1.6483pF，并用该第二节寄生电容C_r4替换掉低通滤波电路中的四节电容C4；

至此完成整体低通滤波电路参数的设计，得到如图3所示的最终低通滤波电路，即图3所示的低通滤波电路中包含三个电感Lk1，Lk3，Lk5，三个电容Ck1，Ck3，Ck5和两个寄生电容C_r2，C_r4。其中：

第一节缺陷地结构DGS电路中的电感Lk1和电容Ck1并行连接，构成第一节并联谐振电路；第二节缺陷地结构DGS电路中的电感Lk3和电容Ck3并行连接，构成第二节并联谐振电路；第三节缺陷地结构DGS电路中的电感Lk5和电容Ck5并行连接，构成第三节并联谐振电路。

该第一节并联谐振电路、第二节并联谐振电路、第三节并联谐振电路依次串联连接，且第一节并联谐振电路位于首部，其一端接输入端口，另一端接第二节并联谐振电路；第三节并联谐振电路位于尾部，其一端接第二节并联谐振电路，另一端接输出端口；第一节寄生电容C_r2其一端与第一节并联谐振电路和第三节并联谐振电路的公共端相连接，另一端接地；第二节寄生电容C_r4其一端与第二节并联谐振电路和第三节并联谐振电路的公共端相连接，另一端接地。

本实例的性能结果可结合仿真结果作进一步说明：

仿真内容：利用商业仿真软件ANSYS_16.0对本发明的低通滤波器电路的性能进行仿真，结果如图4所示：

从图4可见，本发明的低通滤波器通带频率为0～2.5GHz，通带内插入损耗小于1dB，阻带内高于3.69GHz时抑制大于25dB，可满足手机、蓝牙系统、无线局域网等射频无线通讯的要求。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容后，都可能在不背离本发明内容的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明内容的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.基于缺陷地结构DGS的低通滤波器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S0、根据低通滤波器的输入条件确定设计指标，该指标包括截止频率ω_c、带内波纹幅度α_p、特征阻抗z_o以及阻带衰减度α_s；

S1、根据设计指标，通过查询低通滤波器原型数值表确定低通滤波器节数及各元件的归一化值；

S2、把各元件的归一化数值、截止频率ω_c及特征阻抗z_o代入反归一化公式中，得出各元件值，建立低通滤波电路；

S3、计算缺陷地结构DGS电路中的电感和电容，将电感和电容并行连接构成并联谐振电路，使该并联谐振电路的频率响应曲线与低通滤波电路中电感的频率响应曲线相同，再用该并行谐振电路替换掉低通滤波电路中的各节电感；

S4、计算传输线中的寄生电容，使该传输线中的寄生电容频率响应曲线与低通滤波电路中电容的频率响应曲线相同，再用该传输线中的寄生电容替换掉低通滤波电路中的各节电容，完成整体低通滤波器设计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中的反归一化公式，表示如下：

其中ω_c为截止频率，z_o为特征阻抗，g为元件归一化值，L为低通滤波电路中电感，C为低通滤波电路中电容。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中计算缺陷地结构DGS电路中的电感和电容，通过下式计算：

其中，Lk为缺陷地结构DGS电路中的电感，Ck为缺陷地结构DGS电路中的电容，ω_o为缺陷地结构DGS电路的谐振频率，L为低通滤波电路中电感。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中计算传输线电路中的寄生电容，通过下式计算：

其中C_r为传输线中的寄生电容，ε为介质材料相对介电常数，d为介质材料厚度，W＝2·W_zo为传输线宽度，为传输线长度，W_zo为特征阻抗是50Ω的传输线宽度，λ_g为有效波长，C为低通滤波器电容值。