松贵年1 李劼2 林青山3
1.青海省中波台管理中心 2.云南省广播电视局迪庆实验台 3.广州众翔信息科技有限公司
摘要:谐波滤波器是广播发射机必不可少的组成部分，主要是用于滤除由于频率合成以及功率放大器的非线性放大时产生的二次、三次以及多次谐波的干扰。谐波滤波器常用的电路形式为低通滤波器，函数类型可以选择切比雪夫或者椭圆函数。本文介绍了通过ADS软件仿真计算进行大功率切比雪夫函数低通滤波器设计的方法与器件选型，具有很强的工程设计指导意义。
关键词：ADS 切比雪夫 低通 滤波器 大功率 仿真
1前言
ADS －Advanced DesignSystem，由美国Agilent公司推出的微波电路和通信系统仿真软件，是当今业界最流行的微波射频电路、通信系统RFIC设计软件；也是国内高校、科研院所和大型IT公司使用最多的软件之一。其功能非常强大，仿真手段丰富多样，可实现包括时域与频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波射频电路、系统信号链路的设计工具。本文主要介绍了用ADS2005A对大功率9阶切比雪夫函数低通滤波器进行小信号与大信号的仿真计算。
2滤波器的仿真设计
2.1滤波器的设计基础
依据归一化元件参数来设计滤波器，以归一化元件参数为基本依据，经截止频率变换和特征阻抗变换两个步骤求得待设计滤波器的构成元件参数。其中，截止频率变换就是按下式来改变归一化元件参数。
.png)
.png)
2.2 9阶切比雪夫函数低通滤波器的设计指标与理论值计算
2.2.1 设计指标
通带频率：5.5～9MHz
带内波动：≤0.1dB
插入损耗：≤0.2dB
二次谐波抑制：≤-18dB
三次谐波抑制：≤-60dB
匹配负载：50Ω
2.2.2 元件理论值计算
按照设计指标的要求，选用带内波动为0.01dB 9阶切比雪夫函数低通滤波器的归一化参数表,这样即使在滤波器输出端负载失配的情况下，也能正常工作。下表列出了本文选用的归一化参数。
.png)
把截止频率为9MHz、匹配负载50Ω以及表1中的参数代入公式（9）和（10）计算出的元件理论值如下表。
.png)
2.3 9阶切比雪夫函数低通滤波器的仿真
2.3.1 9阶切比雪夫函数低通滤波器小信号仿真的建立
.png)
双击S－PARAMETERS打开配置窗口，如图2所示：
.png)
把Start（起始频率）改成5MHz，Stop（结束频率）改成30MHz，Step－size（仿真步进）改成1KHz选择OK配置完毕。存储原理图，取名为lpf。点击原理图窗口上方的Simulate图标，开始仿真。仿真完成后如果没有错误，会自动显示数据显示窗口，可以看到窗口左上方的名称为lpf。
在这个窗口可以以表格、圆图、等式、数字等形式显示数据。点击Rectangular Plot图标，把一个方框放到数据显示窗口中会自动弹出选择对话框选择要显示的S（1，2）或S（2，1）（两者的曲线一样）参数点击Add按钮，选择dB为单位，点击OK。然后就会显示一个合理的9阶切比雪夫函数低通滤波器响应。点击Mark—>New，把一个三角标志放在图上，可以用键盘和鼠标控制它的位置。如图3所示：
.png)
由仿真结果可知，在5.5MHz至9MHz的通频带范围内仿真计算的带内波动为0.009dB,插入损耗为0.01dB，二次谐波≤-18.8dB，三次谐波≤-62.5dB,满足设计指标要求。
用同样的方法以数字的形式显示VSWR的数据，如下表所示：
.png)
2.3.2 9阶切比雪夫函数低通滤波器大信号仿真的建立
大信号仿真原理图如图4所示：
.png)
图4中P_AC是大信号源，把Pac设为2500 W。AC仿真器用于交流信号的仿真，把Start设为5.5MHz，Stop设为9Mhz。I_Probe为电流检测器用于检测电路上的电流。点击原理框图上方的NAME图标在里面输入名称，例如V1然后用鼠标点击电路原理图上的节点，则可以把节点命名为V1，按相同的方法把节点命名为V1～V5如图4所示。按上图把仿真原理图配置好后点击仿真按钮开始模拟，在数据显示窗口中用等式把电压、电流显示出来，并在数据窗口点击Eqn图标编写电感两端电压的计算公式，把结果用等式显示，如表4～7所示：
.png)
.png)
2.3.3 驻波比2.0时的大信号仿真计算
在实际使用过程中，谐波滤波器的输出端负载存在变化，一般要求在负载驻波比为2.0的情况下能正常工作，在负载为纯阻的情况下电阻范围为25Ω至100欧姆之间时驻波比小于等于2.0。
2.3.3.1 负载为25Ω时的大信号仿真计算
负载为25Ω时的大信号仿真原理图如图5所示。
.png)
各个元件的电流、节点电压计算如表8～11所示。
.png)
.png)
2.3.3.2 负载为100Ω时的大信号仿真计算
负载为100Ω时的大信号仿真原理图如图6所示。
.png)
各个元件的电流、节点电压的计算如表12～15所示。
.png)
.png)
由表4～表15可以看出元件的电流、电压都有最大值的频率点，可以计算出此时的视在功率，各元件在25Ω、50Ω、100Ω负载时的视在功率值如表16所示。
.png)
在元件选型时主要考虑元件的总功率容量大于仿真计算的最大视在功率值即可。仿真计算的各元件最大视在功率值如表17所示。
.png)
在印制板布线时，各元件之间的连线主要考虑各节点的最大电流值，如表18所示。
.png)
3 9阶切比雪夫函数低通滤波器仿真结果的应用
表17可知电感的视在功率均在10KVA以上，由表4、8、12可知，通过电感的最大电流为21.6A，铜允许通过的电流是20A/mm2，故电感用线径为3mm的镀银空心线圈能满足要求。
电容的选择则比较宽松，可以选择损耗小、功率容量在10KVA的电容。电容按降额使用，由表17可知C1的视在功率为6.5KVA可以用1个电容，C2的视在功率为34.86KVA用4个电容并联，C3的视在功率为32.99KVA用4个电容并联，C4的视在功率为33.7KVA用4个电容并联，C5的视在功率为18.6KVA用2个电容并联。
由表18可以计算出连接各个元件的印制板布线的宽度。铜箔允许通过的电流是20A/mm2,假设铜箔厚度为105μm，那么允许通过40A的铜箔宽度是19.05mm，所以该处布线宽度为20mm。其他线宽均以此法计算，计算出线宽后，根据电流大小自主决定布线宽度余量。
4. 结束语
用ADS对滤波器进行仿真可以很快捷、准确的得出非常有用的数据，为滤波器的设计提供了重要的依据。目前，该设计方法已用于2kW短波发射机的谐波滤波器设计，并通过了大量的实验验证了该方法的正确性。
参考文献
[1]Ludwig R,Bretchk P.射频电路设计：理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2005.
[2]成都电讯工程学院.LC滤波器和螺旋滤波器的设计[M].北京：人民邮电出版社，1978.
[3]陈艳华，李朝晖，夏玮.ADS详解——射频电路设计与方针[M].北京：人民邮电出版社，2008