LC滤波器工程设计中的考虑事项

王贵虎，王东虎

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.湖北广兴通信科技有限公司，湖北 荆州 434007）

0 引言

射频电磁波的频谱非常宽广，而滤波器就是一种为了阻止某些频率通过并抑制不需要的频率的器件。为了从众多的频段中选择某一频段的电磁波用来传输和接收信号，可以通过非调谐或调谐无源滤波器（LC滤波器）来实现。在工程设计中，用镜像参数设计[1]和归一化参数[2]设计LC滤波器都很简单。由于LC滤波器可通过级联来增加边缘的陡峭度，所需的元器件仅为电感和电容，通过线圈绕制的电感又可调节带宽和插入损耗，造价低，加上免费的滤波器设计软件相当普及，对于射频工程师而言，设计LC滤波器可以说易如反掌。但在实际的制作与测试中，却发现其特性距离设计值甚远。本文根据自身制作经验和滤波器理论，提出了几点考虑事项。

1 LC滤波器工程设计时的适用场合

在工程上，LC滤波器可以利用的频率范围是1kHz～1.5GHz。由于分布式电感和电容能降低所设计的频率并使其响应变坏，所以当频率升高时，使得滤波器的实现难度增加了。它适合于精确的波形系数场合，对于窄带，需要陡峭的边缘滤波波形，LC滤波器是不合适的。

一般在100～1000MHz之间的频率范围内，如果要设计体积小，加工容易，能实现较窄的相对带宽（0.1%～20%），插入损耗低的滤波器，就需要通过螺旋滤波器[3]来实现高选择性，此时的电感L用带有螺旋骨架的线圈绕制而成。

2 LC滤波器工程设计时的几点考虑

2.1 LC滤波器工程设计时几款常用的软件推荐

LC滤波器设计软件的种类繁多，早已步入寻常百姓人家，本文从使用简单、方便的角度来推荐几款免费设计软件。

a）AADE公司的Filter Design

它可以帮助工程师简单、快速地设计几乎是任何类型的集总参数的低通、高通、带通和带阻滤波器，同时也可以显示滤波器的插入损耗、回波损耗、群延迟和输入阻抗等。使用该滤波器设计软件时，当频率升高，内部的寄生耦合电抗和分布电抗就将破坏它的设计精度。由于寄生效应自然地降低了滤波器的中心频率，所以设计的频率比实际需要的频率要高一些。

b） RF-Filter.exe 软件

该软件使用非常简单，仅需选择所需用的函数类型、阶数、源阻抗和负载阻抗等参数就可设计出所需参数和仿真波形。用该软件设计一个输入输出阻抗为50Ω、7阶巴特沃斯、截止频率为200MHz的低通滤波器时的仿真波形和电路，用归一化参数计算和仿真设计的参数几乎完全一致，如图1所示。

c） Filter Solutions 10.0滤波器设计软件

该软件如图2所示。

作为一名加入《葡萄酒》杂志才一年的新成员，去年曾作为参赛酒商参与金樽奖的评选，今年以组办方的身份去了解我所认知的金樽奖，对于David所提到的评价感受颇深。对于进口酒商，如何接地气地去挑选，推广符合消费者需求的葡萄酒，金樽奖给出了很好的指导。而且今年由5位MW/MS以及中国葡萄酒研究专家组成的评审主席团，也给予了酒商及消费者信心，得奖的酒都是优质且符合中国人口味的。

d） Helical.exe螺旋滤波器设计软件

该软件如图3所示。用该软件设计时输入输出阻抗需要匹配，如果参数设置不合理时，就可以拒绝进入主界面，该款软件适合于窄带滤波器设计。

2.2 进行LC滤波器工程设计时，考虑PCB的事项

a）频率越高时，较薄的介质层将增加插入损耗，增加介质层的厚度将减少这些损耗，但与此同时会增加电路板的穿孔电感或者会产生我们所不期待的信号传输模式。介电常数Er较高时将会增加介质中的损耗，而且也会稍微增加导体中的损耗。当LC滤波器需要尽可能小的插入损耗时，虽然选择较厚的PCB板会减少损耗，但也增加了穿地电感，介电常数Er应较小些。

上面提到的穿透孔产生的穿地电感可由如下公式计算：

式（1）中：L——穿透孔的电感，单位为nH；

d——穿透孔的直径，单位为in。

这个公式说明了穿透孔的直径越小、穿透孔的长度越长则穿地电感越大。所以通过PCB板设计滤波器时，要使穿地电感越小则PCB越薄，滤波器的高频衰减特性越好。所以选择PCB板的厚度时必须考虑插入损耗和穿地电感的折衷。同时通过该公式可以算出穿地电感的实际值，在设计LC滤波器参数时，可以使穿地电感看成是线圈电感的一部分，使串联到电容器的电感值选得小一些。

b）LC滤波器通过PCB板工程制作时，所有元器件的引线必须最短以减少损耗和引线电感。传输的微带线保持50Ω的恒定阻抗，以减少失配损耗及由不连续阻抗引起的反射。在1GHz时，即使1cm的短线，也会有约10nH的电感，形成一个几乎很纯正的电感器。滤波器的微带线中的所有弯曲都应该斜接或者变成圆弧状，以防止辐射到相邻的电路中。一般地线通过最短的路线，通常是通过一个穿透孔接到PCB的接地板，主要是为了降低返回路径的对地电感。同时从PCB顶端的接地板到底端的接地板，应该以1/4波长或者更小长度的间隔，有规律地设置穿透孔。整个PCB的设计尽可能地减小实际的尺寸以减少损耗和辐射。元件应该交叉配置在微带线的两侧，以改善高频域的隔离程度。电容器接地旁边要有穿透孔，空余的地方尽可能地配置上引线孔。LC带通滤波器的制作要选用寄生电感量小的电容器，使含有寄生电感的LC谐振电路的谐振频率重合在几何中心的频率上。

c）进行LC滤波器的工程设计时，必须要考虑到PCB线、元器件和导线之间的耦合。可通过使用屏蔽、减少载流环路的区域、印刷板引线成直角和传输RF电流的印刷板引线互相保持一定的距离来减轻这些不好的能量耦合。当RF信号遇到LC滤波器的耦合电容时，为了减少阻抗变化范围和降低电压驻波比VSWR，元器件应该与微带线具有相同的宽度，并且焊接的轮廓应该平滑以便不干扰信号流。

2.3 进行LC滤波器工程参数设计时的考虑事项

a）如果滤波器要隔直流信号，那么应在输入端加一个很大的电容，使得在最低频率上的电抗小于1Ω。如果该LC滤波器是高通滤波器，为阻止直流信号，就应该在输入端接一个串联电容，而不是并联一个电感。

b）如果要设计精度更高的滤波器就要采用更加复杂、准确的现代滤波器理论技术或者更昂贵软件程序来考虑寄生效应的影响。对于低要求应用场合和极点数少的情况下，仅通过软件仿真设计就足够了。频率大于30MHz时，表面安装的元件导致的分布式电抗会使滤波器的中心频率显著地降低，必须考虑寄生响应的影响。可通过减少绕组直径和圈数来减少电感器的匝间电容，可通过更小的元器件来减轻所有元器件的接地电容，可使用以电感相交成直角的方式来减轻电感的相互耦合，可通过使用一个并联的电容器来减轻引线内的固定电感，减小电容器的寄生电感，通过上述方式可减轻寄生响应的影响。

c）LC滤波器在高频率设计时，选用高Q值的电感可以减少插入损耗和降低边缘的圆滑程度。电容器要选用自感量小的元件，如果电容的容许误差较差或者温度特性差就会使得通带特性、中心频率、回波损耗发生变化。可采用将一个电容分为两个只有一半容量的电容器后再并联的办法，从理论上说，电感量可以减少一半，阻带衰减量实际上可改善约10dB。

d）根据衰减频率部分，考虑到费用、插入损耗、群延迟变化和物理尺寸的要求，滤波器应该设计成最小阶数。在没有放大器连接之前，若将设计好的滤波器级联，就会导致交互感应。

2.4 进行LC滤波器工程设计时考虑的滤波器函数选型事项

如果需要通带内有最大的平坦响应，对元件的变化不是很敏感的话，则可选用巴特沃斯滤波器，没有特殊要求时优先推荐巴特沃斯滤波器。切比雪夫滤波器在通带内有等波纹起伏的纹波，但截止特性特别好，高的群延迟变化，可通过增加滤波器的通带来抑制群延迟变化。贝塞尔滤波器通带内延时特性最平坦，小的群延迟变化，相位特型好，对要求输出信号波形不能失真的场合非常有用，但截止特性很差，对元件的要求很高。高斯型滤波器常用于频谱分析仪带宽的滤波器中。椭圆函数型滤波器通带内有起伏，阻带内有零点，截止特性最好，但对器件要求严格。勒让德型截止特性比巴特沃斯型好，并且可以用小的器件值来实现。在工程实际设计中依据不同的特点和通带的频率响应、带宽、元件敏感程度和分布电抗以及元件获取真实的参数能力等选取不同类型的函数。

3 结束语

本文在LC滤波器理论基础和自身设计制作的经验上，提出了工程设计中LC滤波器软件选用、PCB板、设计参数和滤波器函数选型的几点考虑事项，希望能对工程研发人员有所帮助。

[1]SAYRE C W[美].无线通信设备与系统设计大全 [M].第1版.北京：人民邮电出版社，2004：219-350.

[2]森荣二 [日].LC滤波器设计与制作 [M].薛培鼎，译.第6版.北京：科学出版社出版，2010：1-10.

[3]成都电讯工程学院七系.LC滤波器和螺旋滤波器的设计[M].第1版.北京：人民邮电出版社，1978：131-133.