QucsStudioを使ったLPF設計ガイド

今回はQucsStudioを使ってSub-GHz帯（915MHz）通信で使用するLPF（Low Pass Filter）の設計プロセス具体的に詳しく解説します。

ステップ1: ターゲット性能の設定
ステップ2: Filter Synthesisツールを用いたLPFの初期設計
ステップ3: 実際のコンポーネント値の適用と性能確認
ステップ4: モンテカルロ解析による許容公差の検討
結論

ステップ1: ターゲット性能の設定

電波を遠くに飛ばすためには増幅器を使用して信号を増幅させます。増幅時の電力効率を向上させるためには、増幅器の線形領域を最大限に活用して信号を増幅することが望ましいです。
しかし電力効率を追求すると信号が一部歪み、n倍の高調波成分が発生します。これらの高調波成分は他の無線システムに悪影響を与えるため、各国の電波法規に基づき、規定値以下に抑える必要があります。そのためにLPFで高調波成分を減衰させるのが一般的です。

今回は、Sub-GHz帯を通過させる一方で、それ以上の周波数を減衰させるLPFを、インダクタとコンデンサを使用して設計します。

実際の設計では使用するデバイスの特性や目指す高調波レベルに応じて、フィルタを目標値を個別に設計する必要があります。
今回は具体的な例として、TDK製の積層LPFであるDEA100915LT-6319A1と同等の性能を出すことを目標とし、性能指標を以下に設定します。

挿入損失: 0.5dB以下（824-915MHz）　
減衰量: 18dB以上（1648～1830MHz）

ステップ2: Filter Synthesisツールを用いたLPFの初期設計

QucsStudioには、フィルタ設計を自動で生成するFilter Synthesisツールがあります。このツールを用いて、目標性能に合致するフィルターの初期設計を行います。

Filter Synthesisを使用して以下の条件でButterworth型LPFを設計します。
　次数：6次
　カットオフ周波数：1.1GHz

作成されたフィルタは目標とする特性を満足していることが確認できます。

ステップ3: 実際のコンポーネント値の適用と性能確認

初期設計の計算結果の定数に近い値で、実際に市場で入手可能なインダクタやコンデンサから選定し、以下の定数に変更してフィルタの性能を確認します。

L1:10.23nH ⇒ 10nH
L2:13.94nH ⇒ 14nH
L3:3.745nH ⇒ 3.7nH
C1:1.498pF ⇒ 1.5pF
C2:5.59pF ⇒ 5.6pF
C3:4.092pF ⇒ 4.1pF

これでも特性は目標を満足しています。

ステップ4: モンテカルロ解析による許容公差の検討

実際のコンデンサやインダクタの部品には公差で規定された範囲の中で、値にばらつきがあり、それがフィルタ性能に与える影響を評価するため、モンテカルロ解析を行います。

一般的にコンデンサやインダクタなどは公差の異なるラインナップが存在しています。
公差の範囲を絞るほど部品のコストが高くなります。そのため性能的に問題なければ公差が広い部品を使うことが望ましいです。
まずは一番公差の範囲が広い条件にてモンテカルロ解析をかけて特性を確認してみます。

L1:10nH±5%
L2:14nH±5%
L3:3.7nH±0.2nH
C1:1.5pF±0.25pF
C2:5.6pF±0.25pF
C3:4.1pF±0.25pF

部品のばらつきは正規分布を仮定し、最もばらつきが大きい値を4σとして解析を行います。例えば、10nHでは4σが5%となり、σ＝1.25%となります。

これらのばらつき範囲を考慮してシミュレーションを実行すると、ワーストケースの場合がわかります。
915MHz　-0.481 ⇒ -0.695dB
1650MHz -20.9 ⇒ -0.19.9

この結果のばらつきが大きすぎる場合は、部品の公差を例えば、インダクタ±3%、コンデンサ±0.1pFに変更して改善されます。実際の設計では、目標とする特性に応じて検討してください。

結論

QucsStudioを用いた詳細なLPF設計プロセスを通じて、Sub-GHz帯の高調波を効果的に減衰させるフィルタを設計する方法を紹介しました。QucsStudioの強力なシミュレーション機能と解析ツールを活用することで、理想に近いフィルタ設計を実現することが可能です。

設計したLPFと目標にしたDEA100915LT-6319A1を、Sパラメータで比較することも可能です。