使用QucsStudio的低通滤波器设计指南

本次我们将使用QucsStudio详细解释Sub-GHz（915MHz）通信使用的低通滤波器（LPF）的设计过程。

步骤1：设置目标性能

为了使无线电波传得更远，我们使用放大器来放大信号。为了提高放大时的电力效率，最好充分利用放大器的线性区域来放大信号。
然而，追求电力效率可能会使信号部分失真，产生n倍的谐波成分。这些谐波成分可能会对其他无线系统产生不利影响，因此根据各国的无线电法规，需要将其控制在规定值以下。因此，通常使用LPF来衰减这些谐波成分。

这次，我们将使用电感器和电容器设计一个LPF，让Sub-GHz带通过，同时衰减高于此频率的频率。

在实际设计中，需要根据使用的设备特性和目标谐波水平单独设计滤波器。
作为一个具体的例子，我们的目标是实现与TDK的叠层LPFDEA100915LT-6319A1等效的性能，并设置以下性能指标。

• 插入损耗：0.5dB以下（824-915MHz）
• 衰减量：18dB以上（1648～1830MHz）

步骤2：使用Filter Synthesis工具进行LPF的初步设计

QucsStudio包含一个自动生成滤波器设计的Filter Synthesis工具。我们将使用这个工具进行符合目标性能的滤波器的初步设计。

Filter Synthesis 使用方法

全面指南，学习Qucs Studio中Filter Synthesis工具的使用。详细解释包括贝塞尔、巴特沃斯、柴比雪夫在内的各种滤波器类型的特点和选择方法。适合初学者到高级用户的高效滤波器设计必读文章。

denki-sim.blog

使用Filter Synthesis根据以下条件设计巴特沃斯型LPF：
阶数：6
截止频率：1.1GHz

创建的滤波器满足目标特性已得到确认。

步骤3：应用实际组件值并确认性能

根据初步设计计算结果的常数选择接近的值，从市场上选择电感器和电容器，并更改为以下常数以检查滤波器的性能。

• 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

特性仍然满足目标。

步骤4：通过蒙特卡罗分析考虑容差

实际的电容器和电感器等部件在公差定义的范围内存在变化，进行蒙特卡罗分析是为了评估这些变化对滤波器性能的影响。

在QucsStudio中执行蒙特卡洛分析的步骤

使用 Qucs Studio 进行蒙特卡洛分析的逐步指南。学习如何统计评估部件公差和制造变异对电子电路性能的影响，提高设计的可靠性和精度。

denki-sim.blog

通常，电容器、电感器等部件存在不同公差的产品线。缩小公差范围会增加部件成本。因此，如果性能上没有问题，最好使用公差较大的部件。
首先，我们将在最宽的公差条件下进行蒙特卡罗分析，以检查特性。

• 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

假设部件变化遵循正态分布，最大变化以4σ进行分析。例如，对于10nH，4σ为5%，则σ=1.25%。

考虑这些变化范围进行模拟时，可以看到最坏情况。
915MHz -0.481 ⇒ -0.695dB
1650MHz -20.9 ⇒ -19.9

如果结果的变化太大，可以通过改变部件的公差来改善，例如，电感器±3%，电容器±0.1pF。实际设计中，请根据目标特性进行考虑。

结论

通过使用QucsStudio进行的详细LPF设计过程，我们介绍了设计有效衰减Sub-GHz带谐波的滤波器的方法。利用QucsStudio的强大模拟功能和分析工具，可以实现接近理想的滤波器设计。

设计的LPF和目标DEA100915LT-6319A1也可以使用S参数进行比较。

红色：模拟中设计的LPF
蓝色：DEA100915LT-6319A1