本文要点
- Sub-GHz频段通信中LPF的必要性（谐波分量抑制要求）
- 使用uSimmics（原QucsStudio）的Filter Synthesis工具进行LPF初始设计
- 从理想元器件值替换为市售元器件值并确认性能
- 利用蒙特卡洛分析评估元器件公差影响
- 公差等级选择中的成本与性能权衡
第一步：确定目标性能
LPF的必要性
为了将信号传输到远距离，需要使用放大器（Amp）对信号进行增益。为提高功率效率，需要最大限度地利用放大器的线性区，但追求功率效率时信号会产生部分失真，从而在基频的整数倍频率处产生谐波分量（Harmonic）。
谐波分量会对其他无线系统造成干扰，各国无线电法规要求将其抑制在规定值以下。LPF（低通滤波器）是在通过目标频段的同时衰减谐波分量的常用手段。
设计目标值
本设计示例以TDK叠层LPF”DEA100915LT-6319A1″的性能为目标，设置以下性能指标：
| 项目 | 目标值 | 频率范围 |
|---|---|---|
| 插入损耗（Insertion Loss） | 0.5 dB 以下 | 824～915 MHz |
| 衰减量（Attenuation） | 18 dB 以上 | 1648～1830 MHz |
第二步：使用Filter Synthesis工具进行初始设计
uSimmics（原QucsStudio）内置自动生成滤波器电路的”Filter Synthesis”工具，利用该工具进行满足目标性能的滤波器初始设计。
Filter Synthesis设置
按以下条件设计Butterworth型（最大平坦型）LPF：
- 滤波器类型：Butterworth LPF（最大平坦特性，通带内纹波最小）
- 阶数：6阶
- 截止频率：1.1 GHz
Filter Synthesis自动生成的L、C值如下：
| 元器件 | 计算值 |
|---|---|
| L1 | 10.23 nH |
| L2 | 13.94 nH |
| L3 | 3.745 nH |
| C1 | 1.498 pF |
| C2 | 5.59 pF |
| C3 | 4.092 pF |
仿真验证所创建的滤波器，可确认满足目标特性。
第三步：替换为实际元器件值并确认性能
将初始设计的计算结果替换为接近市售电感、电容标准值后重新确认性能。
| 元器件 | 计算值 | 采用值 |
|---|---|---|
| L1 | 10.23 nH | 10 nH |
| L2 | 13.94 nH | 14 nH |
| L3 | 3.745 nH | 3.7 nH |
| C1 | 1.498 pF | 1.5 pF |
| C2 | 5.59 pF | 5.6 pF |
| C3 | 4.092 pF | 4.1 pF |
取整到实际元器件标准值后，仿真结果仍满足目标规格。
第四步：蒙特卡洛分析公差评估
实际电容和电感存在公差规定范围内的偏差，需要进行蒙特卡洛分析评估此偏差对滤波器性能的影响。
参考：蒙特卡洛分析运行方法
分析条件
一般来说，电容和电感有不同公差等级的产品线。公差范围越窄，元器件成本越高，因此在性能允许的情况下，优先选用公差较宽的元器件。
首先以公差范围最宽的条件运行蒙特卡洛分析：
| 元器件 | 值 | 公差 |
|---|---|---|
| L1 | 10 nH | ±5% |
| L2 | 14 nH | ±5% |
| L3 | 3.7 nH | ±0.2 nH |
| C1 | 1.5 pF | ±0.25 pF |
| C2 | 5.6 pF | ±0.25 pF |
| C3 | 4.1 pF | ±0.25 pF |
元器件偏差假设为正态分布，以4σ作为最坏情况进行分析。例如，10 nH对应4σ = 5%时，σ = 1.25%。
分析结果（宽公差情况）
| 测量点 | 典型值 | 最坏情况 |
|---|---|---|
| 插入损耗（915 MHz） | -0.481 dB | -0.695 dB |
| 衰减量（1650 MHz） | -20.9 dB | -19.9 dB |
即使在最坏情况下，仍满足目标规格（插入损耗0.5 dB以下、衰减量18 dB以上）。
缩小公差时的比较
若偏差影响过大，可缩小元器件公差。例如，将电感改为±3%、电容改为±0.1 pF，可改善特性偏差。实际设计中请综合考虑目标规格与元器件成本进行选择。
设计LPF与参考元器件的比较
可以将仿真设计的LPF与目标DEA100915LT-6319A1的S参数进行比较：
- 红色：仿真设计的LPF
- 蓝色：DEA100915LT-6319A1实测值
通过此比较，可以定量评估设计的合理性与改进空间。
总结
使用uSimmics（原QucsStudio）进行LPF设计，可以高效完成Filter Synthesis工具自动设计、替换实际元器件值、蒙特卡洛分析公差评估这一系列流程。在设计有效衰减Sub-GHz频段谐波的滤波器时，uSimmics（原QucsStudio）强大的仿真功能和分析工具是不可缺少的利器。
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