滤波器设计论文范例(3篇)

滤波器设计论文范文

关键词：LC滤波器大功率陶瓷基板电容

中图分类号：TN622文献标识码：A文章编号：1007-9416（2014）05-0086-02

在现代通信和电子对抗系统中，由于大功率发射机不可避免地会寄生一定功率的谐波信号，大功率滤波器用于接在发射机的输出端对谐波信号进行抑制，从而改善各分系统之间的电磁兼容性，提高系统的整体性能。因为大功率滤波器对系统性能的影响起着举足轻重的作用，所以研制一种损耗低、抑制性能好的大功率滤波器相当有必要。

本文所设计滤波器带宽225MHz-500MHz，带内损耗小于0.2dB，回波损耗优于20dB，160MHz-710MHz之外抑制优于20dB，125MHz-880MHz之外优于40dB。当然要想提高抑制增加滤波器节数是有效的方法，但是节数越多体积越大，本文所选为7节滤波器。

1带通滤波器的仿真设计

滤波器设计的理论知识已众所周知，本文不再过多讨论。利用AnsoftDesigner的理论模型设计225MHz-500MHz带通滤波器。带通滤波器的原理图如图1。

在电路设计中插入器件画出电路图，并引入变量对电感和电容值进行调谐，最后仿真结果如图2。

得出仿真的电感和电容值后，按公式（1）、（2）计算出实际线圈和陶瓷基板的大小。

其中是平板表面积，代表平板间距，是真空中电导率值为8.85418×F/m，为相对真空中的介电常数；当

2板材温升的简单计算

温升的计算方法有热阻法、热容法、散热面积法等多种方法，本文采用热阻法简单计算一下基板的温升。

温升（℃），热阻（℃/），功耗（），为平板的厚度（），为平板垂直于热流方向的截面积（），为平板材料的热导率（）。

滤波器的承受功率是2000瓦，损耗小于0.2dB，AL2O3陶瓷的热传导率是29.3，聚四氟乙烯的热传导率是0.27。假设以热损耗是100瓦，按公式（3）、（4）进行计算，AL2O3陶瓷基板的温升在5℃左右，而聚四氟乙烯板的温升在500℃左右。当然，散热方式包括传导和辐射，即使50%的热量通过辐射的方式散出去，聚四氟乙烯板的温升也有250℃左右，对于此滤波器来说聚四氟乙烯板是绝对不适用的。本文只是粗略估算一下板材的温升，计算并不是很准确。

3带通滤波器的测试

调试完成后的带通滤波器实物图如图3。

带通滤波器用矢量网络分析仪测试通带、抑制、回波的小信号，结果如图4。

此滤波器不仅进行了常温功率试验，在高低温-10℃和+55℃时承受2000瓦功率工作状态依然稳定。

4设计中的一些细节

带通滤波器在设计时选用了理想模型，电感和电容按理论值所制作出的滤波器频率会稍有偏差，需要对电感和电容做细微的调整。

绕制电感线圈时，铜线如果选用太细散热效果不好，选用太粗滤波器的体积较大，在设计中要选用适当粗细的铜线。

电容在选择时，通路电容按就近档容值选用ATC10E型高耐压值陶瓷电容，对地电容选用AL2O3陶瓷基板电容，以利于滤波器散热。

陶瓷基板在焊接到金属底板上时，如果两种材质的热膨胀系数相差较大，最好选用中间膨胀系数材质的金属做垫板，以提高环境适应性。

5结语

本文所设计的LC大功率滤波器在损耗、回波、抑制、功率容量等各方面的指标都比较好，大幅提高了LC滤波器的功率容量。而且本设计方案适用于所有使用LC滤波器的频段，能够很好的满足大功率发射机的工程使用需求。

参考文献

[1]JosephF.White.射频与微波工程实践导论[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]ReinholdLudwig，PavelBretchko.射频电路设计-理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

滤波器设计论文范文

中图分类号:TN713文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)15-0114-03

OptimizedDesignofBroadbandLCBand-passFilterandItsMatlabSimulation

LIANGHong-yu,CHENDong-mei,HUYu

(SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

Abstract:Broadbandfilterisanessentialcircuitunitinbroadcommunicationsystem,whichhasanimportantsignificanceforthedesignandoptimizationofthebroadbandfilter.Akindofoptimizeddesignmethodforbroadbandfilterispresentedinthepaper.Inthisdesign,thetypeKandthetypemderivedfilteroftheimageparametersmethodwereoptimizedandcombinedtodesignaLCband-passfilter(BPF),thenitsLCparameterswasmodifiedthroughMatlabsimulationtoobtainthebestfilteringcapability.ThebroadbandLCfilterdesignedinthispaperhasperfectapplicationinanactualproject.Keywords:broad-bandfilter;imageparametersmethod;optimizeddesign;typeK

0引言

滤波器作为通信技术的重要组成部分,其宽带技术的发展也越来越受到人们的关注[1-2]。目前滤波器的设计主要有两种方法:即网络综合设计法和影象参数设计法[3]。在滤波器设计中,由于影像参数设计法容易直接的控制电路结构,所以它是滤波器设计理论的基础。当然,目前影像参数法并不是滤波器设计的主流,目前仍在大量的使用[3-4]。

本文提出了一种宽带LC带通滤波器的影像参数法优化设计方案,即结合采用影像参数法的定K式和m导出式,分别设计相应的低通、高通滤波器,将其级联后得到初步的宽带带通滤波器;然后利用Matlab进行仿真调试,对比设计要求和滤波器响应特性,反复调整滤波器LC参数,以获得最好的滤波性能。由于这种滤波器通频带相当宽,这要得到好的传输特性以及理想的终端匹配,设计难度较大。这对于宽带滤波器的设计具有一定的现实意义。

1LC滤波器影像参数法

影像参数法是从传输线理论出发的经典方法,又叫特性参数或对象参数设计法[3]。按此法设计的滤波器有定K式、m导出式等。

1.1定K式滤波器

所谓定K式是指这类滤波器的梯形结构中,其串联臂阻抗Z1和并联臂阻抗Z2的积是一不随频率变化的常数K2。因为K具有电阻量纲,所以又把它写成R,即:

Z1Z2=K2=R2(1)

两阻抗具有这种关系时,称互为倒量。K式滤波器可以采用T形和Π形的基本单元(如图1)。现以低通滤波器为例,T形和Π形低通滤波器的实际电路如图1所示,这里Z1=jωL,Z2=1jωC,所以Z1Z2=R2=LCА

图1K式低通滤波器

由文献[1]知,T形阻抗为:

ZT=R1-ωωc2(2)

Π形阻抗为:

ZΠ=R/1-ωωc2(3)

式中:Еc=2LC为截止频率。

K式滤波器的优点是计算容易,且节点越多,品质越高。其缺点有二:一是在阻带内,远离截止频率的衰减很大,但靠近截止频率处的衰减性能不理想;二是在整个通带范围内的阻抗匹配比较困难。

1.2推演m式滤波器

m式滤波器是以K式滤波器为基础推演出来的,如图2所示。由于K式滤波与m式滤波级联使用时可以弥补K式滤波的不足。m式滤波器就是由于有一个臂不是单一的电感或电容,通常内特性阻抗的变化可能平缓一些;在阻带内因增加了一个谐振频率,ωc附近的衰减可以很大。作为滤波器,这种电路应该要和定K式滤波器级联使用,其特性阻抗应保持与常K式滤波器的特性阻抗相等。因此,应根据定K式滤波器的参量,设计这类m式滤波器。

图2K式和m式滤波器T形低通滤波器

令T形m式滤波器的串联臂阻抗Z1m是原形K式滤波器串联臂阻抗的m倍,即:

Z1m=mZ1(4)

式中:m为选用的一个常数,取值范围0

m=1-fcf∞2(5)

式中:f∞为无限大衰减(陷波点)的谐振频率。

其次,令m式滤波器特性阻抗ZTm在整个通带内与K式滤波器的特性阻抗相等,д馐强悸堑酵ǔP杞这四种滤波器级联运用时阻抗匹配所设计的。

L1=mLL2=1-m24mLC2=mC(6)

式中:L和C为K式低通原形滤波器的元件参数。

2LC宽带滤波器的影像参数优化组合设计

2.1设计思路

LC宽带带通滤波器的技术条件可以分解为低通和高通两个单独的条件,分别设计单独的低通滤波器LPF和高通滤波器HPF,然后将LPF和HPF级联,就构成了带通滤波器BPF。由于采用多级电路级联,可以得到更好的滤波性能,也避免了滤波器中L,C值过大或过小,便于电路的实现。为了取得好的效果又不至于电路太复杂,在这里我们采用两级级联的方案。

2.2设计要求

本文设计的滤波器是采用在OFDM调制技术进行电力线通信[4]研究中,使用频带为4.3~20.9MHz以上、性能良好的宽带滤波器,出于考虑,在初步设计中,将通带范围稍作扩大,取为4.09~22.4MHz。

2.3定K式与m式混合设计

滤波器设计论文范文篇3

关键词:数字信号处理;综合性实验;Matlab

0引言

“数字信号处理”课程的主要内容包括z变换、离散傅里叶变换(DFT)、快速傅里叶变换(FFT)、数字滤波器设计和实现以及数字信号处理中的有限字长效应等等［1］。在学习理论知识的同时或之后，引入实验将有助于学生更好地理解和掌握课程内容［2－3］。笔者在教学过程中，设计了Matlab综合性实验。该实验在不失趣味性的同时，能把该课程中许多分散的知识点串接起来。教学实践表明，该实验可以帮助学生更深入地理解本门课程，取得了较好的教学效果。

1综合实验内容设计

笔者所设计的Matlab实验如下:对下式所示的输入信号进行滤波。x=sin(100πt)+sin(480πt)(1)具体步骤为(1)将输入的模拟信号x进行采样和量化，得到12位精度的数字信号;(2)设计一个低通无限冲激响应(IIR)滤波器，将输入信号中的240Hz的干扰滤除，要求滤波器的输出信号中240Hz处的噪声功率比50Hz处的信号功率低60dB。(3)设计一个高通有限冲激响应(FIR)滤波器，将输入信号中的50Hz的干扰滤除，要求滤波器的输出信号中50Hz处的噪声功率比240Hz处的信号功率低60dB。(4)对于上述两个滤波器，要求:给出理想滤波器的传输函数及频率响应;给出系数量化后所得的新的滤波器的传输函数及频率响应;确定滤波器实现所采用的结构，并给出该结构中所用加法器和乘法器的位数;将输入的数字信号通过前一步实现的滤波器，画出输出信号的频谱，确保滤波器性能满足设计要求。顺利完成上述Matlab实验，需要解决以下问题:(1)采样频率和FFT点数的选取:根据采样定理，采样频率只要不低于信号中所包含的最高频率的两倍，就可以从采样后的离散时间信号中恢复出原始的模拟信号。根据式(1)，采样频率只要不小于480Hz即可。但是当需要使用FFT对信号进行频谱分析时，在确定采样频率时，除了要满足采样定理外，还需要考虑其他条件。例如:在做FFT时，信号频率应为频率分辨率的整数倍，这样才能准确地从频谱中看到该频率信号的功率，避免谱泄漏，即下式中的k应为整数:k=ffs=N(2)其中f，fs和N分别为信号频率、采样频率和FFT的点数。fs/N为频率分辨率，N一般为2的幂次方。在k不为整数时，为了减小谱泄漏的影响，可以在做FFT之前对采样所得的信号进行加窗处理［1］。(2)模数转换器的实现:实验中要求对输入信号进行量化，得到12位精度的数字信号。在将输入信号进行量化时，涉及到如何确定模数转换器的满量程范围、结构、量化方式(舍入还是截断)以及如何进行有符号数的量化等。(3)IIR滤波器类型的选择和设计:双线性变换是设计数字IIR滤波器的常用方法。它首先要将所要设计的数字滤波器的归一化边界角频率进行预畸变，然后再设计出满足性能要求的模拟滤波器。模拟滤波器有四种类型，分别为巴特沃斯滤波器，切比雪夫I型滤波器、切比雪夫II型滤波器以及椭圆滤波器。只有了解了这四种滤波器的特性，才能根据实际需求来选择合适的滤波器类型。在选择好滤波器类型后，将滤波器的性能指标输入相应的Matlab函数，就可以得到滤波器的传输函数，完成滤波器的设计。以椭圆滤波器为例，可以依次调用函数elli-pord()，函数ellipap()和函数zp2tf()来获得滤波器的阶数、零极点、增益和s域传输函数;也可以直接调用函数ellip()来得到滤波器的s域传输函数。最后再通过调用函数bilinear()得到相应数字滤波器的传输函数。(4)FIR滤波器的设计:在用窗函数法来设计FIR滤波器时，首先要根据滤波器的性能参数(如过渡带宽度、阻带衰减等)选取合适的窗函数以及确定窗函数的长度，之后将得到的窗函数与理想滤波器的单位脉冲响应序列相乘得到FIR滤波器的单位脉冲响应序列。以Kaiser窗为例，在Matlab中，函数kaiserord()用于预估FIR滤波器的阶数，函数kaiser()用于产生相应长度的Kaiser窗函数，函数fir1()用于实现采用该Kaiser窗设计的FIR滤波器，输出为滤波器的单位脉冲响应序列。(5)滤波器的实现:在用硬件实现滤波器时，必须考虑滤波器的有限字长效应，即滤波器系数的量化、滤波器中加法器和乘法器的有限字长效应以及运算结果的有限字长等等。滤波器的实现结构有直接型、级联型和并联型等。由于IIR滤波器存在量化噪声的积累，所以在选择结构时，需要考虑各种结构对有限字长效应的灵敏度。高阶IIR滤波器通常采用级联型或并联型结构来实现。Matlab中的函数residuez(B，A)用于计算传输函数B(z)/A(z)的留数、极点和直接项，从而得到有理式的部分分式展开;利用传输函数的部分分式展开，并通过适当的合并，可以得到滤波器的并联型结构。函数tf2sos()则可用于将传输函数转换成二阶节，得到滤波器的级联型结构。图3给出了系数量化前后高通滤波器的频率响应。为了能够判断所设计和实现的滤波器的性能是否达到设计指标，需要对滤波器的输出序列做N点的FFT。这时需要注意两点:一要能正确地区分输出序列中的暂态响应部分和稳态响应部分;二要从稳态响应部分选取连续的N个输出值做N点的FFT。

2教学反馈

根据学生上交的实验报告，从他们所写的实验收获和实验心得可以看出这个实验对他们学好这门功课所起的作用。总结如下:(1)本次实验是FIR滤波器与IIR滤波器的设计，综合使用了大量数字滤波器的设计方法，比如双线性变换法，窗函数法等，加深了对课堂学习的理论知识的理解，如IIR和FIR滤波器的优缺点、滤波器的暂态响应和稳态响应、各种模拟滤波器的性能比较以及各种窗函数之间的差异等。(2)学生对采样定理和FFT有了更深的认识，明白了采样频率、FFT点数等对频谱分析结果的影响，并通过不断的摸索与尝试，总结出了使用FFT时的一些注意事项。(3)对数字信号处理中的有限字长效应有了更加直观的体会，认识到在设计滤波器的传输函数时，需要考虑量化对滤波器性能的影响，设计指标需要留出一定的裕量。(4)提高了用Matlab实现数字信号处理功能的能力，包括:熟悉了使用Matlab设计FIR和IIR滤波器的流程;学会使用Matlab中的一些函数，如fft，cheb1ord，cheby，bilinear，fir1等;学会了用Matlab编写程序来实现指定结构的滤波器;学会了从时域和频域观察滤波器的输出是否正确以及是否达到性能要求等。总而言之，通过这次实验，使学生真正了解了如何利用Matlab来进行滤波器的设计，感觉受益匪浅，对他们学好“数字信号处理”课程很有帮助。

3结语

笔者所设计的基于Matlab的综合性实验涵盖了“数字信号处理”课程中的主要知识点。从学生反馈的意见可以看出，本实验取得了良好的教学效果，这有利于提高学生学习兴趣以及增强他们解决实际问题的能力。

参考文献:

［1］程佩青，数字信号处理教程［M］，北京:清华大学出版社，2007．

［2］曹建玲，刘焕淋，雷宏江．基于MATLAB的“数字信号处理”仿真实验［J］．北京:中国电力教育，2012(32):88－89．