階梯型缺陷地的超寬帶共模抑制濾波器

高 雄，李 霖，郭觀星，呂俊男，李 進

(1．浙江理工大學啟新學院，浙江 杭州310018;2．浙江理工大學信息學院，浙江 杭州310018)

0 引言

差分信號具有高抗噪聲、低串擾和低電磁干擾等優點，在高速數字電路中起著重要作用。然而在實際電路中，由于振幅不平衡等原因引起的共模噪聲是不可避免的，會降低電路系統信號完整性和電源完整性。傳統的濾波器［1，2］性能不夠良好，因此設計共模噪聲抑制濾波器十分重要。

文獻［3］和文獻［4］使用了高磁導率鐵氧體磁芯的共式扼流圈，這種最普通的方法僅僅適用于MHz頻率范圍。文獻［5－8］提出低溫陶瓷共燒技術(LTCC)的小型化共模濾波器，且適用于GHz，然而制作成本過高。最近，文獻［9］和文獻［10］提出了2種啞鈴型周期缺陷地結構(DGS)的共模抑制濾波器，它可以保持良好的信號質量，但帶寬基本低于10 GHz。因此，在加寬濾波器的阻帶帶寬方面有待進一步研究。

基于上述背景，提出了一種階梯型DGS的新型超寬帶共模抑制濾波器。下面將展示如何通過改變DGS的柵格尺寸來獲得不同的階梯型分布。仿真結果表明，階梯型DGS可用于實現超寬帶共模抑制濾波器。

1 均勻分布周期性DGS設計

圖1為起始的DGS設計方案，采用了均勻分布的周期DGS，并假定為對比模型。采用6個方形單元，如圖1 所示，其中 a，b，c表示柵格的尺寸，d，o，u表示柵格的間距，同時也是每個啞鈴型DGS的周期。g表示間隙距離并且保持常數0．6 mm不變。在圖1的設計中，a=b=c=4．5 mm，d=o=u=0．5 mm。基板的厚度為 0．8 mm，介電常數 εr為 2．65。差分傳輸線設定為w=2．18 mm，s=1．8 mm 滿足50 Ω的特性阻抗。使用HFSS進行仿真，結果顯示Scc21散射參數衰減最大超過40 dB，超過20 dB衰減的阻帶從3．27 ～10．85 GHz，如圖2所示。

圖1 均勻分布的周期性DGS示意圖

圖2 每個階梯型結構濾波器的Scc21參數仿真結果

2 階梯型DGS設計

基于上述類型，提出了將6個方形單元按階梯型組成不均勻的分布。首先，保持每個單元的間距不變，按照不同函數的相對幅度，成比例地改變每個柵格的尺寸大小。經過一系列實驗，采取了4種典型的函數如下所述:

所有函數從上到下依次稱為類型1、2、3和4。適當取n的值，則相對幅值確定如表1所示。

表1 振幅分布規律

在本次設計中，6個方形單元的第3和第4個柵格大小為4．5 mm，因此在表1的基礎上，其他各單元的柵格大小確定如表2所示。

表2 各方形單元的柵格大小

圖2描述了每個階梯型DGS共模抑制濾波器的Scc21散射參數，通過 Ansoft HFSS13．0仿真得到。可以看出，對比前述的均勻分布周期性共模抑制濾波器，階梯型DGS的Scc21參數顯示出更寬廣更深入的阻帶。對4個類型分別進行了分析。采用以e為底指數函數的類型1，20 dB衰減的阻帶從3．595 ～14．57 GHz，帶寬約10．98 GHz，而且最大衰減達到60 dB。與圖1中的類型相比，增加了約3．2 GHz的帶寬和20 dB的最大衰減。這意味著階梯型DGS可以很有效地增加共模抑制的帶寬。類型2的結果與類型1十分相似，帶寬從3．59～14．65 GHz約11．06 GHz。由此推斷指數函數的底數對結果有著十分微弱的影響。還仿真了類型3，比類型2稍有改進，阻帶從3．49 ～14．57 GHz。實際上，這3種類型在共模噪聲抑制上都顯示出了良好的特性。

類型4顯示出的的結果引人注目。如圖2所示，雖然衰減不是特別深，最大只有47 dB，而且在4．49 GHz左右只有15．7 dB，不符合 20 dB 的標準，但阻帶帶寬卻達到了3．4～18．68 GHz約15 GHz。這就說明通過部分減小柵格的尺寸可以對頻率相應加以改進，這一事實主要由于DGS單元的柵格大小主要影響等效電路的實際電感值，而電容值保持不變。當柵格尺寸減小，等效電感降低，降低了諧振電路的諧振頻率和截止頻率，不同尺寸造成的不同零點構成了一個超寬的阻帶。

基于以上所述，超寬阻帶已經實現，但同時也需要一個良好的衰減特性。在類型4中15．7 dB的衰減在高速數字電路中并不夠良好。因此，為了增加濾波器的衰減，考慮每個啞鈴型單元的距離，即圖1所示d、o和u的值。初值為d=o=u=0．5 mm，事實上，緊湊的結構能為共模抑制帶來更好的性能。在此基礎上，在1 mm的范圍內改變 d，o，u的值。以0．1 mm為單元實行控制變量法。例如，d，o，u=0．4，0．5，0．5 mm，或者 d，o，u=0．6，0．5，0．5 mm 等等。最終確定了最好性能的參數為d=1．2 mm，o=0．4 mm，u=0．8 mm。由于仿真結果太多，這里不便全部顯示。

3 共模抑制濾波器設計

為了體現所設計的共模噪聲抑制濾波器的優點，對上述提出的濾波器和對比的濾波器分別進行電磁仿真。最終的階梯型結構模型如圖3所示，由6個柵格大小不同的啞鈴型DGS構成，各項參數為:(a，b，c)=(4．5 mm，1．1 mm，0．24 mm)，(d，o，u)=(1．2 mm，0．4 mm，0．8 mm)。差分線的參數為:w=2．18 mm，1．8 mm，滿足 50 Ω 的特性阻抗。PCB板的尺寸為40 mm×80 mm，相對介電常數εr為2．65，厚度0．8 mm，濾波器設計在板的中心。

圖3 提出的共模抑制濾波器

Scc21參數的電磁仿真結果如圖4所示。

圖4 2種結構的仿真結果

可以看出均勻分布的周期性DGS濾波器20 dB衰減阻帶從3．27 ～10．85 GHz，帶寬為7．58 GHz，相對帶寬約107%，而本文提出的新型階梯型結構濾波器20 dB 衰減阻帶從 3．57～18．80 GHz，帶寬約15．2 GHz，相對帶寬達到136%遠超過100%，而且差模新號的插入損耗也在－3 dB以內。這說明階梯型結構在共模噪聲抑制濾波器設計中是具有實際意義的，也是本研究的目的所在。

4 結束語

設計出幾種不同的GHz差分信號階梯型結構共模抑制濾波器，最終提取了柵格尺寸按標準正態函數相對振幅成比例分布的結構，與傳統的周期性DGS共模抑制濾波器相比，該濾波器具有超寬的阻帶，從3．57 ～18．80 GHz，相對帶寬達 136%。這種新提出的共模抑制濾波器可以很好地在微波應用的范圍內使用。

［1］ 劉春曉，王黎．抑制PCB對直流電源噪聲干擾的濾波器設計［J］．無線電工程，2011，41(4)：59 －61．

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