基于耦合缺陷地的超寬帶共模濾波器設計

郭觀星，李 霖，高 雄，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

差分信號在高速通信系統中可以用來抑制環境噪聲和電磁干擾，但是，不合理布線和延時產生的共模噪聲極大地降低了差分信號的完整性，阻礙了差分布線優勢的充分發揮。相對于傳統的單端濾波器［1－3］而言，共模抑制濾波器的設計目標就是能在特定工作頻段抑制共模信號而讓差模信號通過。因此，設計用于差分信號的共模抑制濾波器非常重要。

目前已有很多設計共模抑制濾波器的方法。文獻［4，5］采用了一種高磁導率鐵氧體磁芯的共模扼流圈，這種傳統方法僅適用于MHz頻率范圍。文獻［6］提出了一種用于GHz頻率范圍的低溫陶瓷共燒技術(Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC)的小型化共模濾波器，但是這種技術制造成本較高。文獻［7，8］分別提出了2種基于缺陷接地結構(Defected Ground Structure，DGS)的共模濾波器，但這些共模濾波器所提供的共模阻帶帶寬還不夠寬。因此，設計一種具有更寬阻帶的共模抑制濾波器仍有待進一步研究。

基于上述背景，提出了一種采用C-DGS的新型超寬帶共模抑制濾波器。在對單個DGS單元的頻率特性和等效電路分析的基礎上，提出了一種新型的耦合型DGS，并建立了等效模型。理論研究和仿真結果表明，C-DGS可用于實現具有極寬抑制帶寬的共模濾波器。

1 DGS頻率特性及其等效電路

DGS是一種在平面微波傳輸線的接地金屬層背面蝕刻出的周期或非周期形狀的結構，經典的啞鈴型DGS單元結構及其等效電路模型如圖1所示。

圖1 啞鈴型DGS單元及其等效電路

為了防止共模噪聲的產生，啞鈴型DGS單元結構以差分傳輸線的中線為對稱軸。該啞鈴型DGS單元主要由柵格尺寸(a×b)和間隙大小(g)這2個參數決定。研究發現，DGS微帶線具有帶隙特性［9］。

理論分析表明，啞鈴型DGS單元的頻率特性可以等效為一個并聯的RLC諧振電路。其中C、L和R分別表示并聯電容、并聯電感和并聯電阻，可由下面的公式提取出來［9，10］:

式中，ωc表示－3 dB截止角頻率;ω0(ω0=2π·f0)表示并聯RLC電路的諧振角頻率;特性阻抗Z0=50 Ω，一階巴特沃斯低通原型參數g1=2;S11(ω0)表示諧振角頻率處的S參數值。

2 C-DGS頻率特性及其等效電路

基于啞鈴型DGS單元結構的頻率特性，提出了C-DGS。該結構由2個彼此相鄰的啞鈴型DGS單元組成，如圖2所示。

圖2 C-DGS結構及其等效電路

研究表明，2個相鄰的DGS單元能夠產生耦合的地電流，這種耦合效應能夠在不修改結構的前提下通過增加額外的衰減極點來提高微帶線的帶阻特性［11］，并且這2個相鄰的DGS單元之間的耦合效應與耦合間距d有關。為了研究C-DGS在差分傳輸線中的頻率特性，基于啞鈴型DGS單元結構的等效電路，給出了C-DGS的集總等效電路模型。

圖2中，C、L和R分別為式(1)、式(2)和式(3)提取出來的并聯電容、并聯電感以及并聯電阻。Lm表示2個并聯電感L之間的互感，耦合系數kM可由式(4)得到:

式中，fe和fm是互耦引起的2個諧振頻率［12］。

為了研究不同耦合間距d對C-DGS頻率特性的影響，用HFSS仿真了3個具有不同耦合間距(d=0.01 mm，d=0.3 mm和 d=1 mm)的拓撲結構。圖2中C-DGS的其余參數為:a=b=5 mm，g=0.5 mm，w=2.18 mm，s=1 mm。介質板的參數為:相對介電常數2.65，厚度0.8 mm。仿真結果如圖3所示，其中Scc21表示共模信號的傳輸系數，根據式(4)計算出耦合系數kM分別為－0.298、－0.206和－0.135。從電磁仿真結果可以看出，耦合距離d越大，2個衰減極點之間的距離越近，耦合系數的絕對值|kM|越小，2個啞鈴型DGS單元之間的耦合效應越弱，即負互感效應越不明顯。

圖3 C-DGS電磁仿真結果

3 共模濾波器設計

基于上述分析，為了加寬共模濾波器的噪聲抑制帶寬，提出了一種新型的采用C-DGS結構的共模抑制濾波器，如圖4所示。在差分傳輸線的金屬接地平面上蝕刻出2個級聯的 C-DGS結構，2個C-DGS之間的距離為dis。共模抑制濾波器的參數為:a=4 mm，b=5.5 mm，g=0.5 mm，d=0.3 mm，dis=8 mm。差分傳輸線的參數為:w=2.18 mm，s=1 mm。為了體現出所設計的共模抑制濾波器的優點，對傳統共模抑制濾波器和提出的濾波器進行電磁仿真。其中，傳統濾波器由4個周期性的啞鈴型DGS單元組成，即令圖4中的d=dis=8 mm。仿真所用介質板的參數為:相對介電常數2.65，厚度0.8 mm。

圖4 本文提出的共模抑制濾波器

傳統共模抑制濾波器與本文提出的濾波器進行對比的電磁仿真結果如圖5所示，其中 Scc21和Sdd21分別表示共模信號和差模信號的傳輸系數。從圖5中可以明顯看到，與傳統共模抑制濾波器相比，本文提出的濾波器對共模噪聲具有更強的抑制能力。提出的共模抑制濾波器20 dB阻帶為3.4～12.4 GHz，帶寬達到9 GHz，濾波器的尺寸為24.6 mm×16.36 mm。在共模信號的阻帶范圍內，差模信號在該濾波器中的損耗小于3 dB。文獻［7，8］共模信號的阻帶帶寬都沒有本文提出的共模抑制濾波器的阻帶要寬，說明C-DGS結構在共模抑制濾波器設計中具有實用意義，這也正是本文研究的目的。

圖5 傳統的和提出的共模抑制濾波器電磁仿真結果

4 結束語

提出了一種由C-DGS結構組成的新型共模抑制濾波器。與傳統的周期性的啞鈴型DGS單元構成的共模抑制濾波器相比，采用級聯的C-DGS結構設計出的新型共模抑制濾波器具有3.4～12.4 GHz的阻帶帶寬，其相對帶寬達到114%，并且這種共模抑制濾波器對差模信號的插入損耗很小，可以很好地適應小型化、共模寬抑制和差模低損耗的需要。

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