椭圆低通滤波器设计仿真课程设计(论文)(编辑修改稿)

椭圆低通滤波器设计仿真课程设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

29 参考文献 30 致谢 31 第 1 章 引言 1 第 1章 引言 如今，无线通信技术飞速发展，人们对无线产品的需求迅速增长，滤波器在许多射频 \微波的应用中扮演重要角色，并随着通信技术的发展而取得不断进展，它们被用来离散或者合成不同的频率，正发挥着巨大的作用。 与此同时，无线通信对射频 \微波滤波器的要求也比以往任何时候都更严格 —— 更轻的重量，更小的尺寸，更低的成本。 这就要求我们在原有滤波器的理论上更深入的研究其原理和设计方法。 我国现有滤波器的种类和 所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。 我国各类滤波器的应用情况： LC 滤波器占 50%；晶体滤波器占 20%；机械滤波器占15%；陶瓷和声表面滤波器各占 1%；其余各类滤波器共占 13%[1]。 显然， LC 滤波器在所有滤波器中仍占据主导地位，对它的研究仍具有重要意义。 滤波器的发展前景 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。 在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。 滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 1917 年美国和德国科学家分别发明了 LC 滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。 20 世纪 50 年代无源滤波器日趋成熟。 自 60 年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向。 导致 RC 有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到 70 年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。 80 年代，致力于各类新型滤波器的 研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。 90 年代至现在主要致力于把电子科技大学成都学院本科课程设计（论文） 2 各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。 当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。 我国广泛使用滤波器是 50 年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。 经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。 滤波器的前景 随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向发展。 我国滤 波器研制和生产与上述要求相差甚远，为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。 本次的主要任务 本文的主要工作是对椭圆低通滤波器进行研究。 本论文在总体结构上共分为 5章。 第 1 章 引言，本章介绍了滤波器的背景及其发展。 第 2 章 滤波器的基础理论及滤波器各项指标。 第 3 章 介绍各种椭圆滤波器原理与结构，主要对椭圆低通滤波器的原理进分析。 第 4 章 椭圆低通滤波器的设计，对椭圆低通滤波器进行设计并得到仿真结果，对其进行分析。 第 5 章 结论，全文总结。 第 2 章 LC 滤波器 3 第 2章 LC 滤波器 LC 滤波器是一种历史 最悠久的滤波器，上世纪二十年代已经开始应用。 今天，它仍然被广泛应用于电信技术的各个领域中。 LC 滤波器通常的应用范围可以是小于 1G，做的出色的可以做到 3G，那需要特殊的材料和工艺以及经验，实际上我们自己在通常情况下，能够做到 100M 就不错了。 2— 300M 以上一般都已经需要使用印制线作为电感。 而带宽通常在 5— 30%，做得好的可以做到 1— 60%。 插损一般为 2— 12dB。 阻带抑制一般可以做到 4— 50dB，好的为 7— 80dB。 国内做得好的当数 13 所和总参 57 所上海分所。 影响 LC 滤波器应用的主要障碍是线圈和电容器的参 数值比较特殊。 也就是说，不能使用标准元件，所用的元件是特别订制的。 特别是难以购买到线圈，订制时需要有一定的交货期，如果数量少则价格更高。 所以，当需要使用 LC 滤波器时，往往采用连同设计在内一起交给厂家制作的方法。 但是，在对性能有特别要求的场合，设计者如果常备有制作线圈的铁心和绕线架，自己绕制线圈，用 RLC测量仪表选择电容器，就能够在短时间内制作出在任意截止频率下的特性都比较陡峭的滤波器。 另外，如果是阶数较低的低通滤波器或高通滤波器，也可以用市面上出售的标准品 —— 微型电感进行简单的设计。 （ 1）按元件分类，滤波器可分为：有源滤波器、无源滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、机械滤波器、锁相环滤波器、开关电容滤波器等。 按信号处理的方式分类，滤波器可分为：模拟滤波器、数字滤波器。 （ 2）按通频带分类，滤波器可分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。 除此之外，还有一些特殊滤波器，如满足一定频响特性、相移特性的特殊滤波器，例如，线性相移滤波器、时延滤波器、音响中的计杈网络滤波器、电视机电子科技大学成都学院本科课程设计（论文） 4 中的中放声表面波滤波器等。 （ 3）按通带滤波特性分类，有源滤波器可分为：最大平坦型（巴特沃思型）滤波器、等 波纹型（切比雪夫型）滤波器、线性相移型（贝塞尔型）滤波器等。 （ 4）按运放电路的构成分类，有源滤波器可分为：无限增益单反馈环型滤波器、无限增益多反馈环型滤波器、压控电源型滤波器、负阻变换器型滤波器、回转器型滤波器等。 （ Definitions) （ 1）中心频率（ Center Frequency）：滤波器通带的中心频率 f0，一般取 0 1 2 / 2f f f ， f f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降 1dB 或 3dB 边频点。 窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。 （ 2）截止频率（ Cutoff Frequency）：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。 通常以 1dB 或 3dB 相对损耗点来标准定义。 相对损耗的参考基准为：低通以 DC 处插损为基准，高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。 （ 3）通带带宽（ BWxdB）：（下图）指需要通过的频谱宽带  21BWxdB f f，f f2为以中心频率 f0处插入损耗为基准，下降 X（ dB）处对应的左、右边频点。 通常用 X= 即 BW3dB、 BW1dB、 表征 滤波器通带带宽参数。 分数带宽（ fractional bandwidth） =  3/ %100BW dB fo ，也常用来表征滤波器通带带宽。 （ 4）插入损耗（ Insertion Loss）：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征，如要求全带内插损需强调。 （ 5）纹波（ Ripple）：指 1dB 或 3dB 带宽（截止频率）范围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰 峰值。 （ 6）带内波动（ Passband Riplpe）：通带内插入损耗随频率的变化量。 1dB 带宽内的带 内波动是 1dB。 （ 7）带内驻波比（ VSWR）：衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。 理想匹配 1VSWR ： 1，失配时 1VSWR。 对于一个实际的滤波器而言，第 2 章 LC 滤波器 5 满足 :1VSWR ： 1 的带宽一般小于 BW3dB，其占 BW3dB 的比例与滤波器阶数和插损相关。 （ 8）回波损耗（ Return Loss）：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝（ dB）数，也等于 |20Log10ρ |，ρ为电压反射系数。 输入 功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。 （ 9）阻带抑制度：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。 该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。 通常有两种提法：一种为要求对某一给定带外频率 fs抑制多少 dB，计算方法为 fs 处衰减量 AsIL；另一种为提出表征滤波器幅频响应与 理 想 矩 形 接 近 程 度 的 指 标 —— 矩 形 系 数 （ 1KxdB ），/3K xd B B W xd B B W d B ，（ X 可为 40dB、 30dB、 20dB 等）。 滤波器阶数越多矩形度越高 —— 即 K 越接近理想值 1，制作难度当然也就越大。 （ 10）延迟（ Td）：指信号通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位函数对角频率的导数，即 /Td df dv。 （ 11）带内相位线性度：该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。 按线性相位响应函数设计的滤波器具有良好的相位线性度，但频率选择性很差，限于脉冲、或调相信号传输系统应用。 （ 12）极点：是指在低通或者高通滤波器中，电抗元件的个数，如电感、电容；或者在带通滤波器中电抗元件对的数量。 对全极点滤波器而言，其极点和阶数是一致的，并且其极点数量决定了滤波器幅频特性的陡 峭程度。 （ 13）寄生响应：是由滤波元件本身的引线及寄生电感、电容等的电抗，在不同的频率下谐振导致。 （ 1）通带截频  /2fp Wp p 为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。 （ 2）阻带截频 / (2 )fr Wr p 为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数 )下降到一人为定的下限。 电子科技大学成都学院本科课程设计（论文） 6 （ 3） 转折频率 / (2 )fc Wc p 为信号功率衰减到 1/2(约 3dB)时的频率，在很多情况下，常以 fc 作为通带或阻带截频。 （ 4） 固有频率 0 0 / (2 )f W p 为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。 滤波器在通带内的增益并非常数。 （ 1） 对低通滤波器通带增益 Kp 一般指 w=0 时的增益；高通指 w→∞时的增益；带通则指中心频率处的增益。 （ 2） 对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。 （ 3） 通带增益变化量△ Kp 指通带内各点增益的最大变化量，如果△ Kp 以 dB为单位，则指增益 dB 值的变化量。 （ 1） 阻尼系数是表征滤波器对角频率为 w0 信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项。