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1、华中科技大学 硕士学位论文 集总参数LC滤波器设计与应用研究 姓名：潘博文 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：马洪 20081101 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 用国内外现有的高速高精度数模转换器芯片或射频信号发生器产生的模拟信号 的动态范围往往不能满足特殊应用系统的要求。为了提高输出模拟信号的动态范围 和信噪比，可以利用滤波器对其杂谐波进行抑制。 本文首先总结了设计集总参数 LC 滤波器的不同方法，并按照这些方法，利用 ADS 软件进行仿真和优化，在短波射频频段设计和制作了多路带通滤波器，以
2、抑制 信号源输出信号的带外杂谐波。本文同时设计了多路低通滤波器和带通滤波器的级 联电路，以进一步提高带通滤波器的阻带抑制性能。 基于 LC 带通滤波器的频域特性来进行滤波器调试是一件非常复杂繁琐的工作。 本文研究了利用滤波器的时域反射特性、在网络分析仪中调试耦合谐振式带通滤波 器的方法，并通过 Matlab 仿真和网络分析仪的实测结果，验证了这种时域调试方法 的正确性。这种调试技术可望大大提高带通滤波器的调试效率。 论文最后介绍了集总参数 LC 滤波器在高性能数据采集存储系统中的应用问题， 特别是通过 ADS 的谐波平衡仿真技术分析和验证了 LC 滤波器在实际信号激励下出 现的非线性失真现象，
3、以及由此而引起的 LC 滤波器带外抑制性能的降低问题。这部 分工作是迄今为止很少见诸公开报道的，其研究结论有助于选取合适的磁性材料以 便设计大动态的线绕电感器。 关键词关键词：滤波器设计 ADS 仿真 时域调试 网络分析仪 非线性失真 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The SFDR of analog signal which is directly produced by the high-speed and high-accuracy analog-digital converter or the ra
4、diofrequency signal generator is always far from what is required for some special applications. To increase the SFDR and the SNR of the output signal, we could use the filters to suppress the spurious spectrum. Firstly, the thesis summarizes the different methods of designing the lumped parameter L
5、C filter, and uses the software of ADS to simulate and optimize it. The thesis designs several band-pass filters to suppress the harmonics out of the pass band and spurs of the signal generator, and also designs several low-pass filters to connect the band-pass filters to increase the filters suppre
6、ssing performance. It is a complicated work to tune LC band-pass filter in the frequency domain. However, the thesis makes a research about how to use the time domain waveform of the filters reflection to tune the coupled resonator band pass filter in the S-parameter network analyzer. The method of
7、tuning the filter in the time domain proves to be reliable and is supported by the Matlab simulation and the analysis of the test results. Therefore, it is possible to improve the efficiency of tuning the band-pass filters greatly. Finally, the thesis introduces the application of the lumped paramet
8、er LC filters in the high performance data acquisition and storage system. The thesis also analyzes and validates the nonlinear of the LC filter which is encouraged by actual signal with the technology of the harmonic balance simulation of the ADS software. The nonlinear of the filter can give rise
9、to the deterioration of the suppressing performance of the filter, and the conclusion of this research is helpful to choose the appropriate ferrite cores to design large dynamic inductors. Keyword: filter design, ADS, tuning in time domain, S-parameter network analyzer, the nonlinear distortion. 独创性
10、声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数
11、据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 在未来多种体制共存的异构移动通信系统、军用通信与频谱侦察监测系统、主/ 被动雷达等许多应用场合中，都要求软件无线电平台具备大接收带宽、高动态范围、 高接收灵敏度等性能，要求接收机能在大信号或强干扰共存的情
12、况下检测出微弱有 用信号。这些应用面临的挑战在于提升模拟接收前端、模数转换与数字信号处理单 元等的性能。 用国内外现有的高速高精度数模转换器芯片直接产生的模拟信号在动态范围上 无法满足课题来源项目的要求(动态范围要求在短波射频频段高于 100dB)1，从而导 致本项目中数据采集存储系统以及其它系统的精度的降低。因此，需要设计和制作 多路带通滤波器，以抑制模拟信号带外的谐波和杂散，同时降低信号的本底噪声， 从而为提高后级电路的动态范围打下坚实的基础。 本项目需要设计 10 路 LC 带通滤波器，频率覆盖 1.530MHz，因此需要进行大 量的调试工作。传统的调试方法往往从滤波器的频域特性出发，对
13、滤波器的各个单 元进行反复调试，以得到所需带通响应、低反射损耗和小的带内波动的滤波器。然 而，由于滤波器内部各元件的相互作用，我们很难确定哪个单元需要进行调谐。在 频域上调谐滤波器是一件非常复杂繁琐的工作，即使是经验丰富的工程师，也需要 花费大量的时间对每个元件进行调谐。 基于反射响应的时域分析的调谐方法可以区别出滤波器每一个谐振电路的响 应，这使得单独调试每一个谐振滤波器成为可能。滤波器的反射响应的时域响应曲 线与滤波器的谐振单元的谐振频率以及耦合系数有着密切的关系。因此，由于调试 耦合谐振结构所带来的任何影响在时域中均可以及时判断和并且根据网络分析仪观 察的波形找到原因，方便调试23。 华
14、 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 滤波器设计技术及发展滤波器设计技术及发展 在现代信号处理和点子应用技术领域，滤波器作为一种必不可少的组成部分处 在了一个十分重要的位置，并日益显示出其巨大的应用价值。 早期见到的滤波器都是一些具有选频特性的电路或系统。如串联或并联谐振回 路。串联谐振时，回路中的电流达到最大值，且与电压同相。而并联谐振时，回路 两端的电压达到最大值，且与电流同相。利用这一特点，可以为我们选出所需要的 特定频率的信号，而不是该频率的信号将被滤除。串、并联谐振回路的同频带较窄， 且衰减特性也不够陡峭。随着邮电通讯
15、的发展，对滤波器又提出了进一步的要求。 希望滤波器的话音衰减最小，相互间的连接阻抗匹配。这一客观要求导致了多种滤 波器的设计理论。最先出现的是定 K 式滤波，即型网络两个支路上的阻抗 Z1和 Z2满足如下关系：Z1Z2=K2，并且引出了特性阻抗的概念。然而定 K 式滤波器也有 它的不足之处，它在通带之内特性阻抗不太平稳，在阻带之内的衰减也不够陡峭。 m 式滤波器可以帮助解决定 K 型滤波器的问题。m 式滤波器在阻带的有限频率 处有衰减极点，因此可以使阻带衰减特性更加陡峭。同时，m 式滤波器一端可以与 定 K 型滤波器有效匹配，而另一端的特性阻抗随频率的变化较小，因而可以有效地 用来改善定 K
16、型滤波器的性能。 这些滤波器的设计方法可统称为经典滤波器的设计理论，其中心内容是利用影 象参数法来设计无源集总参数滤波器。随着滤波器技术的发展，出现了采用可实现 的转移函数来对滤波器的技术指标进行近似的现代滤波器设计理论，比如巴特沃斯 近似和切比雪夫近似。巴特沃斯近似就是把所有零点全部放到零频处，而把所有极 点放到无穷大频率处，其主要特点是在原点有最平坦的衰减曲线。而切比雪夫近似 是把零点散置于通带内，因此使通带内的曲线等幅波动。 微电子学的突破导致集成电路的问世使得各种有源滤波器应运而生。用线性运 算放大器构成的 RC 有源滤波器在低频段尤其在极低的亚音频范围可以做得体积小、 重量轻、性能好、价格便宜。这是用 LC 元件构成的滤波器所无法达到的。近年来， 随着集成电路技术的进一步发展，已将滤波器集成于单一芯片。而目前应用普遍的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 集成滤波器是开关电容滤波器 SCF。它是一种采用 MO
