低通滤波器课程设计

低通滤波器设计方案主要技术指标在S波段2GHz～4GHz辐射，场强为200V/m（应保留大于16.5dB的余量）的电磁干扰下，负载应处于安全状态（负载两端电压应不大于150mV）。电路应能承受15A的瞬间电流。具有抗高电压静电。物理接口设计要求输入端：采用1m长AFR-250-2×0.5导线连接方式。输出端：采用屏蔽导线压在壳体上的插座输出方式，导线长为0.2m的AFP-1-2×0.35。设计原理根据技术协议要求对S波段2G-4G的电磁干扰滤波进行屏蔽和电子线路滤波二个方面设计。1屏蔽1.1外部屏蔽滤波器的输出线直接与负载相连，并且为裸露的导线，这样，即使再好的滤波器，由于导线的耦合作用，高频干扰同样在引出线上存在，所以将滤波器的输出线进行屏蔽，和负载的金属壳体组成常用的哑铃结构，达到屏蔽的效果。在滤波器引出线上增加了屏蔽线。如图1：金属外壳输出屏蔽金属外壳电缆负载滤波器输出线图1屏蔽原理图输出屏蔽电缆与负载采用接插件连接，要求屏蔽电缆与接插件进行360º的电连接，达到屏蔽高频干扰的作用。1.2内部屏蔽对于微波频段干扰要达到有效的滤波，除滤波电路设置之外，滤波器的结构也必须充分考虑。由于滤波器输入与输出端口都是普通导线，且处于滤波器的同侧，如果不采取适当的屏蔽措施，即使电路滤波性能良好，端口处导线之间的直接耦合也将倒置滤波器的抗干扰性能严重下降。综合以上因素考虑，滤波电路分割成输入和输出两个相对独立的腔体，两块电路之间信号通过穿芯电容连接，有效避免了输入输出导线之间以及其它电路元件之间的相互耦合。为保证电路板与外壳之间的良好接地，防止电磁信号经过缝隙在两个腔体之间产生耦合，两块电路板固定在同一块金属板的正反两面，金属板的四边通过导电胶、焊接等措施保证与壳体之间有效接地，边角等处缝隙尺寸远小于干扰信号的波长。2滤波电路设计所谓滤波，就是将不需要的干扰信号通过LC电路进行滤出，只通过有用的信号。2.1负载在系统中工作电压为26±4V，额定电流5A，作用时间20-50ms，见图2。26t1t2t（ms）图2工作信号图图中20mS≤At-「2-t」≥50mS在滤波时，图中工作的信号必须最大可能的减少损失，其余的干扰信号最大限度地滤除。2.2电磁波干扰类型电磁波干扰分为共模干扰和差模干扰2.2.1共模干扰一般而言，共模干扰主要是指线对地（外壳）之间的干扰，在差模负载上不形成电流，不会产生有害影响。但导线与外壳之间的共模电压过高也会导致误触发，根据安全系数要求，共模干扰按200V设定。共模电压要求小于0.15×200V=30V。2.2.2差模干扰差模干扰主要是指线与线之间的干扰，根据安全系数要求，干扰电流应满足I0.15Imax，换算成负载上的干扰电压应小于0.15V差模干扰电压或干扰功率0.15W。由此可得安全系数：20log100.15=20×（-0.824）=-16.5dB。2.3滤波器输出电压要求及插入损耗要求a、线与线滤波后的输出电压要求在本系统中，IMNFI为1A（5分钟），桥丝电阻为1.1±0.1Ω，由此可行VMNFV为1V，及施加干扰不能大于1V。见图3滤波器负载U1U2图3滤波器初始电压与滤波后电压由于干扰的时间是不定的，根据安全系数要求，滤波后的线与线U2电压应小于0.15V。b、线与地（外壳）滤波后的输出电压要求因干扰频率在微波段，线与地间（外壳）的干扰也会以脉冲的形式产生误触发。见图4。桥丝导线桥丝外壳图4冲击波触发图根据安全系数的要求，滤波后导线与地间（外壳）的电压应小于30V。c、滤波器插入损耗要求根据技术协议要求，由于S波段频率为2G-4G电磁波为0.1m左右，在200V/m的场强空间内，感应到滤波器两引线上的电位差应≤0.1m×200V=20V。根据插入损耗计算公式IL=20log10V1/V2。（V1—200V/m的场强感应到滤波器两引线上的电位差≤20V。）（V2滤波器滤波后的输出电压因负载的安全电压为1V。）则IL=20log1020V/1V=20×1.3=26dB。考虑到技术协议的要求保留16.5dB的余量，因此滤波器的插入损耗要求应≥26dB+16.5dB=42.5dB。滤波器插入损耗≥45dB。2.4滤波器工作原理滤波器工作主要分为三个部分。a）差模滤波b）共模滤波c）抗高电压静电3.2.4.1差模滤波差模干扰，主要指线——线间的干扰。在这里是危害最大的，在前面以指出只要有大于0.15V的干扰电压，就会对设备工作产生危害。信号的辐射是随着频率的升高，辐射效能随着升高，特别在100KHz以内，辐射的效率很低，主要以传导的方式传入，所以我们可以有针对地进行处理。a）0—100KHz之间主要采用物理隔离的方法，设备开始工作时的开关即为隔离途径。k。。电源负载装置滤波器。。图5开关隔离图b）100KHz以上在100KHz以上的差模，在输入线采用双绞线、输出线上使用屏蔽线。以上结构只能提供有限的抗干扰能力，必须采用具有足够抑制比的滤波电路。才能消除和降低差模干扰信号，满足保护负载要求。2.4.2共模滤波共模干扰，主要指线对地的干扰，一般而言，共模干扰在差模负载上不形成电流，共模干扰应小于300V。根据安全系数要求，共模电压要求小于0.15×200V=30V。该干扰信号必须通过滤波电路滤波使共模干扰信号达到需要的程度。综上所述，在滤波器设计中采用L、T、π型多重滤波达到滤出和降低共模和差模干扰信号的目的，才能满足技术要求。2.4.3仿真设计2.4.3.1滤波器原理图a）电路分为输入和输出两块电路板。b）电路中L1——L6为单层线绕电感；c）C1——C8为贴片电容，其中C4、C1是差模滤波电容，与L1—L4组成差模滤波电路。d）C9、C10为穿芯电容器，起到连接输入输出电路和屏蔽滤波作用，既能滤出高频干扰和其他元件组成滤波电路起到共模和差模的滤波作用。通过选择适当的元件参数，以上元件组合形成的滤波器对S波段共模和差模干扰都能够进行有效的抑制，元器件参数通过仿真进行优化。2.4.4性能仿真：根据以上电路图建立仿真模型如下图所示：图中1，3为差模端口，2，4为共模端口，通过分析可同时得到差模和共模干扰的抑制比。由仿真可见，滤波器插入损耗≥50dB，而滤波器的插入损耗要求IL≥45dB，按技术协议要求，根据公式IL=20log10Va/V线-线（IL=45dBVa=20V）则log10V线-线=log1020-45/20，得出线—线滤波后的输出电压V线-线=10-0.95V=112mV，又根据公式IL=20log10Vb/V线-地（IL=45dBVb=200V）则log10V线-地=log10200-45/20，得出线—地滤波后的输出电压V线-地=10-0.05V=1.12V，由此可见能满足技术协议要求。所选电路拓扑结构和器件参数可以满足共模和差模干扰抑制比的要求。