階梯型缺陷地的超寬帶共模抑制濾波器

高 雄，李 霖，郭觀(guān)星，呂俊男，李 進(jìn)

(1．浙江理工大學(xué)啟新學(xué)院，浙江 杭州310018;2．浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，浙江 杭州310018)

0 引言

差分信號(hào)具有高抗噪聲、低串?dāng)_和低電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在高速數(shù)字電路中起著重要作用。然而在實(shí)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(huì)降低電路系統(tǒng)信號(hào)完整性和電源完整性。傳統(tǒng)的濾波器［1，2］性能不夠良好，因此設(shè)計(jì)共模噪聲抑制濾波器十分重要。

文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］使用了高磁導(dǎo)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(xiàn)［5－8］提出低溫陶瓷共燒技術(shù)(LTCC)的小型化共模濾波器，且適用于GHz，然而制作成本過(guò)高。最近，文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］提出了2種啞鈴型周期缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS)的共模抑制濾波器，它可以保持良好的信號(hào)質(zhì)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(jìn)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(guò)改變DGS的柵格尺寸來(lái)獲得不同的階梯型分布。仿真結(jié)果表明，階梯型DGS可用于實(shí)現(xiàn)超寬帶共模抑制濾波器。

1 均勻分布周期性DGS設(shè)計(jì)

圖1為起始的DGS設(shè)計(jì)方案，采用了均勻分布的周期DGS，并假定為對(duì)比模型。采用6個(gè)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(shí)也是每個(gè)啞鈴型DGS的周期。g表示間隙距離并且保持常數(shù)0．6 mm不變。在圖1的設(shè)計(jì)中，a=b=c=4．5 mm，d=o=u=0．5 mm?；宓暮穸葹?0．8 mm，介電常數(shù) εr為 2．65。差分傳輸線(xiàn)設(shè)定為w=2．18 mm，s=1．8 mm 滿(mǎn)足50 Ω的特性阻抗。使用HFSS進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示Scc21散射參數(shù)衰減最大超過(guò)40 dB，超過(guò)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(gè)階梯型結(jié)構(gòu)濾波器的Scc21參數(shù)仿真結(jié)果

2 階梯型DGS設(shè)計(jì)

基于上述類(lèi)型，提出了將6個(gè)方形單元按階梯型組成不均勻的分布。首先，保持每個(gè)單元的間距不變，按照不同函數(shù)的相對(duì)幅度，成比例地改變每個(gè)柵格的尺寸大小。經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，采取了4種典型的函數(shù)如下所述:

所有函數(shù)從上到下依次稱(chēng)為類(lèi)型1、2、3和4。適當(dāng)取n的值，則相對(duì)幅值確定如表1所示。

表1 振幅分布規(guī)律

在本次設(shè)計(jì)中，6個(gè)方形單元的第3和第4個(gè)柵格大小為4．5 mm，因此在表1的基礎(chǔ)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(gè)階梯型DGS共模抑制濾波器的Scc21散射參數(shù)，通過(guò) Ansoft HFSS13．0仿真得到?？梢钥闯?，對(duì)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(shù)顯示出更寬廣更深入的阻帶。對(duì)4個(gè)類(lèi)型分別進(jìn)行了分析。采用以e為底指數(shù)函數(shù)的類(lèi)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(dá)到60 dB。與圖1中的類(lèi)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(lèi)型2的結(jié)果與類(lèi)型1十分相似，帶寬從3．59～14．65 GHz約11．06 GHz。由此推斷指數(shù)函數(shù)的底數(shù)對(duì)結(jié)果有著十分微弱的影響。還仿真了類(lèi)型3，比類(lèi)型2稍有改進(jìn)，阻帶從3．49 ～14．57 GHz。實(shí)際上，這3種類(lèi)型在共模噪聲抑制上都顯示出了良好的特性。

類(lèi)型4顯示出的的結(jié)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(biāo)準(zhǔn)，但阻帶帶寬卻達(dá)到了3．4～18．68 GHz約15 GHz。這就說(shuō)明通過(guò)部分減小柵格的尺寸可以對(duì)頻率相應(yīng)加以改進(jìn)，這一事實(shí)主要由于DGS單元的柵格大小主要影響等效電路的實(shí)際電感值，而電容值保持不變。當(dāng)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(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)超寬的阻帶。

基于以上所述，超寬阻帶已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)也需要一個(gè)良好的衰減特性。在類(lèi)型4中15．7 dB的衰減在高速數(shù)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(gè)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(shí)上，緊湊的結(jié)構(gòu)能為共模抑制帶來(lái)更好的性能。在此基礎(chǔ)上，在1 mm的范圍內(nèi)改變 d，o，u的值。以0．1 mm為單元實(shí)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(shù)為d=1．2 mm，o=0．4 mm，u=0．8 mm。由于仿真結(jié)果太多，這里不便全部顯示。

3 共模抑制濾波器設(shè)計(jì)

為了體現(xiàn)所設(shè)計(jì)的共模噪聲抑制濾波器的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)上述提出的濾波器和對(duì)比的濾波器分別進(jìn)行電磁仿真。最終的階梯型結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，由6個(gè)柵格大小不同的啞鈴型DGS構(gòu)成，各項(xiàng)參數(shù)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(xiàn)的參數(shù)為:w=2．18 mm，1．8 mm，滿(mǎn)足 50 Ω 的特性阻抗。PCB板的尺寸為40 mm×80 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr為2．65，厚度0．8 mm，濾波器設(shè)計(jì)在板的中心。

圖3 提出的共模抑制濾波器

Scc21參數(shù)的電磁仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 2種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)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(duì)帶寬約107%，而本文提出的新型階梯型結(jié)構(gòu)濾波器20 dB 衰減阻帶從 3．57～18．80 GHz，帶寬約15．2 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到136%遠(yuǎn)超過(guò)100%，而且差模新號(hào)的插入損耗也在－3 dB以?xún)?nèi)。這說(shuō)明階梯型結(jié)構(gòu)在共模噪聲抑制濾波器設(shè)計(jì)中是具有實(shí)際意義的，也是本研究的目的所在。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)出幾種不同的GHz差分信號(hào)階梯型結(jié)構(gòu)共模抑制濾波器，最終提取了柵格尺寸按標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)相對(duì)振幅成比例分布的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)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(duì)帶寬達(dá) 136%。這種新提出的共模抑制濾波器可以很好地在微波應(yīng)用的范圍內(nèi)使用。

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