窄带LC带通滤波器的设计与实现

２０１１年８月

舰船电子对抗

Ａｕｇ．２０１１

第３４卷第４期

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

Ｖｏ１．３４ ＮＯ．４

窄带ＬＣ带通滤波器的设计与实现

王 勇，卢中华

（船舶重 集团公司７２３所，扬州２２５００１）

摘要：为适应现代舰载电子战设备对低频滤波器的严格要求，通过对传统带通滤波器的结构进行适当的网络变换，

得到了一种可靠的电路结构。该结构将原有集总参数带通网络的电路元件参数值转化成常见量值，同时最大程度

地吸收了集总元件的寄生参数，使滤波器的性能更加稳定。测试结果表明：采用该结构的滤波器具有很窄的带宽、

较高的阻带抑制度以及优良的电压反射系数等性能。

关键词：窄带；带通滤波器；电感一电容滤波器

中图分类号：ＴＮ７１３．５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：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

础上，通过试验摸索，采用了一种新型电路的结构形

式。该电路结构既克服了巴特沃思函数滤波器阻带

滤波器是现代通信工程中最常用的器件，它对 抑制差的缺点，又克服了传统谐振器耦合式带通对

信号具有频率选择性，在通信系统中通过、阻断、分 片式电容、电感元件值精度要求高、高频应用不易实

开或合成某些频率的信号，被广泛地应用于各种电 现和调试的缺点。本文通过精心设计和调试，成功

信设备和控制系统中。随着现代电子战侦察设备对 地实现了一个中心频率在１ ０００ ＭＨｚ、带宽为

虚假信号的处理能力不断增强，对采用滤波器滤除 ２０ ＭＨｚ的窄带带通滤波器。

变频系统杂散也提出了越来越高的要求。一般的滤

波器在相对带宽小于５ 时称为极窄带滤波器，其

１ 电路结构

设计和实现相对于宽带滤波器较难，主要是集成片

通常在频率较低时，用集总参数实现传统谐振

式电容、电感元件的寄生效应起了很大的作用。

器耦合式带通是比较容易的。然而随着频率的升

为适应现代舰载电子战设备，滤波器应具有体 高，实现谐振器耦合式带通滤波器就会变得困难。

积小、低插入损耗、高矩形系数、耐恶劣环境等的装

一

方面是因为寄生参数影响很大，窄带滤波器的通

机严格要求。在综合了传统ＬＣ滤波器优缺点的基

带包络不容易形成，并且会造成通带内的插入损耗

收稿日期：２０１ｌ一４—１７

ｌｌ６ 舰船电子对抗 第３４卷

滤波器的归一化原型，利用文献［１］中相关公式可以

计算出电路结构中各元器件数值。通过耦合元件的

数值来说明对电路结构进行网络变换的必要性。利

用公式（１）计算出四阶电容耦合谐振式带通滤波器

的结构中耦合元件的数值：

，

”

一 ’

式中：△／为滤波器带宽；－厂 为中心频率；Ｌ为电感

Ｔ

阜丁牟丁牟丁牟丁

工

ｌ翊】 Ｉ Ｃ窄带带通滤波器电路结构示意网

值；ｇ 为谐振单元的归一化值。

由式（１）得出，耦合元件Ｃ一 的数值与工作频

率／’。的３次方成反比，频率越高，耦合电容的取值

越小。适当地减小电感Ｌ的值可以改善这个矛盾，

但是Ｌ受Ｑ值的要求也不能过小。

２．１ ７ｃ—Ｔ网络变换

２ 电路结构的网络变换

根据设计要求的阻带抑制度，选用的四阶电容

耦合谐振式带通滤波器的结构如图２所示。

ｃ１２ Ｊ （

为了实现高的工作频率，可以将各谐振电容拆

分成２个部分，其中的一个部分被用来构成丌型网

络，然后再对级间耦合电路进行 一Ｔ的网络变换，

使所有耦合电容元件的容值增大，变换过程如图３

所示。图中：

ｃ 一 ！ （２）

Ｌ ３

ｃ 一 ± ± （３）

图２ 四阶电容耦合谐振式带通滤波器

Ｌ，Ｉ

（４） ｃ 一 ；

根据滤波器设计理论和四阶巴特沃思函数低通

图３ 一Ｔ的网络变换过程

变换后各元件的数值可由式（２）～（４）求得。耦

合电路的 一Ｔ网络变换不仅解决了传统电路结构

免寄生参数对整个滤波器性能的影响。

２．２诺顿变换

中耦合单元电容过小无法实现的问题；而且将耦合

单元调整元件由串联臂移到并联臂，也方便了电路

调试。

通过计算，发现在高频应用时，经过７【一Ｔ网络

变换后，电路中部分谐振单元元件值偏小，甚至有些

电容值小于０．５ ｐＦ，可以考虑通过增加待设计网络

的端口阻抗来提高网络元件的数值。增加端口阻抗

最有效的一种方式就是在网络输入、输出端口插入

变压器，将网络特征阻抗变为』＼， 倍，如图４所示。

各谐振电容划出参与丌一Ｔ网络变换的部分要

适当。Ｃ。（或Ｃ ）过小，转换后得到耦合单元电容

过小；过大，则剩余的谐振单元电容不够大。原则

上要求转换后得到的各部分电容大于１．５ ｐＦ，这样

可以适当地利用片式电容、电感的寄生参数，尽量避

第４期 王勇等：窄带Ｉ Ｃ带通滤波器的设计与实现 １１７

罔４ 利用变压器实现阻抗变换

使用变压器实现阻抗匹配既能优化插入损耗，

又能减少电感线圈值的差别。但是，仿真时提取的

变压器模型是理想的，是具有无限宽频率特性的器

件，实际中并不存在。实际中的变压器由于磁芯材

料的频率特性和损耗，线匝之间的杂散电容、线匝导 偏移１００ ＭＨｚ处的抑制度大于６０ ｄＢｃ。图６即为

线的电阻等的影响，与理想变压器特性有很大的

区别。

诺顿变换提供了一种很好的解决方法，将由

１个电容器和１个变压器构成的电路，变换成３个

电容器构成的电路。利用这种变换，能够只需使用

电容器就完成阻抗变换。与变压器相比，电容器的

好处在于它在相当高的频率范围内工作特性都是理

想的。变换过程如图５所示。变换后得到的各电容

值可以由式（５）～（７）求解出：

ｃ 一 ｃ （５）

Ｃ ＝ Ｃ （６）

ｃ。一 ｃ （７）

一

图５诺顿变换示意图

３ 电路的实现

传统的四阶电容耦合谐振式带通滤波器经过

丌一Ｔ网络变换与诺顿变换后便得到了图１所示的电

路结构。按上述电路结构，首先通过计算元器件初

值，然后借助微波设计软件ＡＤＳ对电路进行反复仿

真调试，可以得到满足设计要求的电感和电容元件

数值。

根据上述结果，利用片式电容和线圈电感实现

了工作频率１ ０００ ＭＨｚ的窄带带通滤波器。滤波

器的带宽为２０ ＭＨｚ，中心频率差损小于３ ｄＢ，频率

带通滤波器的性能测试曲线。

图６带通滤波器的性能测试曲线

４结束语

高性能滤波器是现代舰载电子战设备中非常重

要的器件，其滤波性能的好坏关系到整个系统的性

能，其设计以及实现方法具有较大的工程实用价值。

本文介绍的窄带带通滤波器的设计方法简单，结构

稳定，希望能对相关Ｉ Ｃ滤波器的设计和实现起到