北斗高矩形系数LC滤波器设计与仿真

林仁杰，张光飞

(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350001)



北斗高矩形系数LC滤波器设计与仿真

林仁杰，张光飞

(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350001)

针对目前北斗通信系统中设计临频干扰和传统滤波器存在的工作频率、带宽、带内平坦度和矩形系数等指标不理想的缺陷，设计了一种新式滤波器模型.该模型具有较好的矩形系数、带内平坦度和带外抑制能力，-3dB带宽内波动小于0.896dB，实测矩形系数为1.73，能够很好去除北斗通信系统模拟中频中的干扰信号.利用ADS2008仿真软件进行了模型的仿真，制作实物测试滤波器的矩形系数、带内平坦度及带外抑制能力.结果表明，该滤波器可用于北斗通信系统.

北斗通信系统；滤波器；带内平坦度；矩形系数；带外抑制

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，其下行中心频率工作在2.491 75GHz，信号调制后的带宽为8.16MHz，工作在WiFi频率和LET频率之间，其边带与WiFi系统的边缘频率仅有7MHz之差，与LET系统的边缘频率仅有58MHz之差，极易受WiFi系统和LET系统的同频干扰，这将导致接收机进行扩频调制解扩后的序列误码率极高[1]，系统性能严重下降.解决干扰的办法是将射频信号混频到中低频时通过中频滤波器去除带外干扰.因此，北斗系统对于中频滤波器设计的矩形系数要求极高.大部分传统滤波器模型通过仿真后，在实际制作过程中都会由于电容和电感器件的分布参数和品质因数的影响，导致实际制作出来的滤波器矩形系数不能达到设计的要求值，而且很难做到带内平坦.而声表面滤波器的体积往往随着频率的下降而急剧增大，且最低频率一般都达百兆赫兹，因此，也不适用于中心频率仅为12.24MHz的北斗系统中频滤波[2-3].另外一种实现中频滤波的方法是有耗滤波器[4-9].因此，本文提出了一种新的有耗LC滤波器模型，采用带分布参数的实际元器件模型进行仿真并制作实物以测试性能.

1 LC串并联的幅频特性

1.1LC串联谐振

LC串联谐振在谐振点上幅值最高，理论上并联谐振在谐振点上插损为0，往两边幅频特性关于中心频率呈轴对称.但是由于实际电容和电感器件品质因数及分布参数的影响，信号在谐振点上会有一定的插损，且在中心频率两边具有明显的不对称性.品质因数即Q值是谐振电路损耗的量度，较低的损耗意味着谐振电路的Q值要比较高[10].例如以150nH电感和470pF电容构成的LC串联谐振电路为例，通过ADS对实际电容和电感模型进行S参数仿真，绘制出幅频特性曲线如图1,可见实际的电容电感由于带了分布参数，与理想LC模型相比，导致实际串联谐振的幅频特性无法达到完全对称，且对谐振点外的抑制并不理想.

1.2LC并联谐振、LC串联抑制和LC并联抑制

用同样的电容和电感模型，分别对LC并联谐振、LC串联抑制和LC并联抑制做S参数仿真，如图2.由图2可见，以上4种滤波选频电路中，LC串联谐振和LC并联谐振主要起着带通滤波的作用，其中LC串联谐振中心频率插损极小，但是对谐振点外的频率抑制也较小.这种选频回路适合在电路中充当平坦度微调的作用.而LC并联谐振中心频率的插损较大，而其对谐振点外的频率抑制也相对较好，这种选频回路适合在电路中充当主要选频的作用.LC串联抑制和LC并联抑制主要起着带阻滤波的作用，它们对中心谐振点频率的抑制都较高，这两种电路结构在LC滤波器模型设计中适合充当边带抑制，可以提高滤波器带外的抑制，从而提高滤波器的矩形系数.

2 新式滤波器模型

2.1 滤波器模型结构

首先设计LC串联谐振和LC并联谐振回路，决定中心频率并微调带内平坦度，此模型采用2个LC串联谐振和1个LC并联谐振来调整中频频率,如图3.然后设计带外抑制，考虑到LC串联抑制远远高于LC并联抑制，因此用3级LC并联抑制来抑制低频增益，用2级LC串联抑制来抑制高频增益，从而达到相对平衡.由于北斗RD中频频率只有12.24MHz，在LC并联抑制中，为了达到较好的抑制效果，需要用来调谐的电感较大，考虑到实际贴片电感值，采用2个LC串联来代替1个较大的电感值.滤波器总体模型如图4所示.

2.2ADS2008仿真

将该滤波器模型放入ADS2008仿真软件，并调用村田模型库进行带分布参数仿真，仿真频率在1～60MHz，频率step设置为0.01MHz，对S参数进行仿真，并观察传输增益系数S21的值(如图5所示).仿真结果如表1所示.

由表1的仿真结果可知，该滤波器模型在信号扩频带宽内波动小于0.622dB，与传统滤波器相比可以做到带内平坦，由-20dB通频带带宽与-3dB通频带带宽的比值可以得出矩形系数为1.79，带外抑制好，适合用于具有强临频干扰的北斗卫星导航系统中的北斗一代中频滤波器.

表1 滤波器模型仿真结果

3 实际滤波器测试结果

为了使实际制作的滤波器能够更好地逼近仿真，PCB布板时应尽量遵循PCBlayout3W原则，以减小边缘辐射效应和走线分布参数的影响，滤波器模型版图如图6所示.按照以上板子布局，可以减少由布局产生的分布参数的影响.而由元器件本身的分布参数对滤波器性能指标的影响已在仿真中采用相同型号的电容和电感模型给予考虑，实际制作出的滤波器如图7所示.

本实物制作采用网络分析仪进行指标测试.首先，设置网络分析仪的工作频率为1～60MHz，并在该频段对仪器进行自动校准.其次，接入实际的滤波器，并设置测试参数为S21参数.然后在测试的曲线中标记出中频频率，-3dB增益点和-20dB增益点用于观察带宽和矩形系数.最后记录数据计算出矩形系数.实际制作滤波器利用网络分析仪进行仿真，测试结果数据记录如表2.

表2 滤波器模型实际测试结果

4 结论

1)实际滤波器的测试效果与仿真结果基本吻合，其中实测的信号带宽内平坦度和矩形系数都会略优于仿真结果.

2)此滤波器模型比传统的滤波器模型有较好的带内平坦度，-3dB带宽内波动小于0.896dB.实测矩形系数1.73能够很好实现带外抑制功能.该模型能很好地适用于北斗一代卫星导航系统的中频滤波.

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[10]姜守明.交叉耦合滤波器设计[D].西安:西安电子科技大学,2010.

(责任编辑 雨 松)

Design and Simulation of High Rectangular Coefficient LC Beidou Filter

LIN Renjie，ZHANG Guangfei

(CollegeofPhysicsandInformationEngineering，FuzhouUniversity，Fuzhou350001,China)

AnewfiltermodelwaspresentedtoaddresstheproblemsofadjacentfrequencyinterferenceintheBeidousatellitecommunicationsystemandpoorperformanceinworkingfrequency,bandwidth,passbandflatnessandrectangularcoefficientofthetraditionalfilter.Ithasgoodperformanceonrectangularcoefficient,passbandflatnessandrejectionofoutbandwidth,the-3dBbandwidthwaslessthan0.896dB,andthemeasuredrectanglecoefficientwas1.73,whichcanfiltertheinterferencesignalinthemediumfrequencyinBeidoucommunicationsystem.ThesoftwareADS2008wasusedforsimulationanddesignofthemodel,includingtestofrectangularcoefficient,passbandflatnessandoutbandrejection.ItisprovedthatthenewfiltercanbewellusedintheBeidoucommunicationsystem.

Beidoucommunicationsystem;fliter;passbandflatness;rectangularcoefficient;rejectionofoutbandwidth

2015-09-02

2015-10-09

林仁杰(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为通信系统.通讯作者：张光飞(1955-)，男，教授，博士后，研究方向为微波通信.E-mail：zhanggf@fjdmt.cn

TN

A

1673-4432(2016)05-0070-04