一种高功率谐波滤波器设计实现

引言

在现代无线通信、雷达及电子对抗系统中，功率放大器输出的强非线性谐波（以 2 次、3 次为主），会导致频谱再生、邻道干扰及系统效率下降。传统方案中，微带滤波器凭借易于集成、成本低的优势被广泛采用，但其在 1～3GHz 频段面临尺寸过大（波长 10^-30cm） ）、功率容量受限及介质损耗显著的固有缺陷。而高 Q 值 LC 集总滤波器通过空心线圈与单层微片电容，可在该频段实现更紧凑的尺寸、更高功率耐受性及更优的近端抑制性能，成为提升功放系统能效与频谱合规性的关键技术突破点。

为了降低功率放大器非线性特性造成的谐波泄露带来的干扰，满足现代无线通信设备宽频带、高跳速、小型化的需求，本文提出一种低通滤波器，频率覆盖 1GHz～3GHz，具备快速的频段切换，低插入损耗，高阻带抑制、宽频带、小型化等优点。

一、滤波器设计

谐波滤波器核心功能在于从复杂的信号环境中提取出所需的频率成分，同时有效抑制或衰减不需要的频率干扰。这一过程的实现，依赖对滤波器性能指标的精确设定、对滤波器拓扑结构以及函数类型的恰当选择，然后根据传递函数和所选元件类型通过 ADS 仿真计算元件参数值，选择合适的元件型号和规格进行排版布局，最后通过适当调试以满足设计需求。

二、核心设计目标

a） 工作频段：1～1.5GHz，1.5～2.5GHz，2.5～3GHz；

b） 插入损耗≤1dB；

c） 带外抑制≥40dBc；

d） 输入输出驻波比＜1.25：1；

e） 连续波功率容量：30W

三、选择滤波器拓扑

按元件类型可将滤波器分为以下几类：集总 LC 滤波器、微带/带状线、腔体滤波器、介质滤波器、声表面波 SAW、体表面波 BAW、有源滤波器。各类滤波器性能差异如表：

通过元件类型分类表，从频段、功率、抑制、成本、尺寸等多个维度对比分析可知：

腔体滤波器体积太大，声表面波 SAW 与体表面波 BAW 频段受限且远端抑制低，有源滤波器功率和频率都不达标，介质滤波器高频性能好但低频段尺寸过大，微带线插损大、尺寸大、功率容量受限。总之，集总 LC 滤波器同时满足各个维度的需求，是设计 1～3GHz 谐波滤波可行且最优的选择。

四、选择滤波器函数类型

可作为功率放大器谐波滤波器的经典类型为巴特沃斯、切比雪夫、椭圆函数。下面列举其关键指标如下表

经典函数类型滤波器的关键指标对比分析如下：

PCB 材料选用 εr 介电参数、tanδ 损耗角正切值小的板材，降低插入损耗。

1.陡峭度与阶数的平衡

切比雪夫函数较巴特沃斯节省 2-3 阶元件，相对于椭圆函数其元件容差要求低，量产良率提升

2.功率容量与可靠性

椭圆函数的传输零点易因温度和元件误差频偏，引发阻抗失配，

切比雪夫无传输零点，阻抗变化平滑，避免高驻波比

3.带外抑制

切比雪夫函数相比于椭圆函数带外抑制深度有限，但其远端抑制随频率升高持续加深，高频区无性能回退，相比于巴特沃斯带外抑制深度较好。

通过对比分析可知，切比雪夫函数型滤波器在通带内具有等波纹特性，同时在阻带内单调递减，无传输零点，阻抗变化平滑，元件容差要求低，是性能、成本与工程可行性的最佳平衡选择。

五、ADS 设计与仿真

通过 ADS 仿真分析，集总 LC 的切比雪夫滤波器的各项指标：工作频段、插入损耗、带外抑制、驻波比等均满足设计目标，但仿真分析未考虑实际工程应用情况中集中元件的寄生效应、分段选择电子开关等等因素带来的影响。

六、PIN 二极管射频开关

PIN 正反偏下不同的阻抗特性，可用来控制电路的通断，组成开关电路。在谐波滤波器设计中，PIN 二极管射频开关用于射频通路切换，其功率、插损、隔离度、切换速度等指标不仅影响滤波器的性能，还关系整个通信系统的稳定性和效率。

（一）接入方式选择

根据 PIN 二极管不同的接入方式，可分为并联型和串连型两种。串联型：管子呈低阻时对插入衰减很小，处于导通状态，管子呈高阻抗时，插入衰减大，处于断开状态；并联型，情况正好相反。

通过关键性能对比，选择串联型 PIN 二极管射频开关以满足低插入损耗、高功率容量、小谐波失真的需求，从而保证谐波滤波器性能。

此外，本文采用两级级联的串联型 PIN 二极管射频开关，提高射频开关的隔离度，减少谐波滤波器各波段之间相互影响。

PIN 二极管参数选择

在 PIN 二极管关断状态下，其等效串联电阻将增加插入损耗；在 PIN 二极管关断状态下，其结电容以及封装和布局寄生电容会形成射频通路，尤其在高频段容抗会显著降低，导致隔离度下降。

本文采用低等效电阻、低结电容的裸片二极管，通过金丝焊接，以减小插入损耗并提升开关隔离度。

七、工程实现关键因素

在实际工程实现过程中，寄生效应、材料选择、电磁耦合与屏蔽、阻抗等关键因素会严重影响谐波滤波器性能指标。为应对这些不确定因素带来的影响，本设计采取如下措施：

1.寄生效应

集总元件采用空心电感及单层微片电容，减小寄生电容/电感并提高自谐振频率，提升高频性能。

2.材料选择

PCB 材料选用 εr 介电参数、tanδ 损耗角正切值小的板材，降低插入损耗。

3.电磁耦合与屏蔽

各段滤波器分别采用良好的屏蔽和布局隔离，降低相互间的影响，提升抑制效果。

4.阻抗

射频印制线进行 50Ω 阻抗控制，铺设大面积地作为参考平面保证阻抗连续性，降低阻抗失配带来的风险。

输入输出端连接 LC 串联谐振单元：阻抗变换，改善匹配；陷波增强，提升谐波抑制。

八、实施过程及测试结果

按照上述设计方法，通过仿真优化设计，制作了一种 1-3GHz 高功率谐波滤波器，其原理框图、实物照片及测试结果如下：

1.原理框图

2.实物照片

3.测试结果

九、结论

本文通过对滤波器拓扑和函数类型优先，利用 ADS 仿真软件优化，设计了一种 1-3GHz 高功率谐波滤波器，实现了快速的频段切换，低插损、高抑制、大功率和小尺寸的谐波滤波器，经过实际测试满足工程应用要求。

参考文献

谭笑 RF 宽带功放中开关滤波器组件的设计 军事通信技术

王英 高功率低通滤波器的设计 计算机与网络

甘本拔， 吴万春，现代微波滤波器的结构设计 北京科学出版社

柳维君 微波技术基础 成都电子科技大学出版