基于耦合缺陷地的超寬帶共模濾波器設(shè)計(jì)

郭觀星，李 霖，高 雄，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)在高速通信系統(tǒng)中可以用來(lái)抑制環(huán)境噪聲和電磁干擾，但是，不合理布線(xiàn)和延時(shí)產(chǎn)生的共模噪聲極大地降低了差分信號(hào)的完整性，阻礙了差分布線(xiàn)優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮。相對(duì)于傳統(tǒng)的單端濾波器［1－3］而言，共模抑制濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是能在特定工作頻段抑制共模信號(hào)而讓差模信號(hào)通過(guò)。因此，設(shè)計(jì)用于差分信號(hào)的共模抑制濾波器非常重要。

目前已有很多設(shè)計(jì)共模抑制濾波器的方法。文獻(xiàn)［4，5］采用了一種高磁導(dǎo)率鐵氧體磁芯的共模扼流圈，這種傳統(tǒng)方法僅適用于MHz頻率范圍。文獻(xiàn)［6］提出了一種用于GHz頻率范圍的低溫陶瓷共燒技術(shù)(Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC)的小型化共模濾波器，但是這種技術(shù)制造成本較高。文獻(xiàn)［7，8］分別提出了2種基于缺陷接地結(jié)構(gòu)(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?qū)?。因此，設(shè)計(jì)一種具有更寬阻帶的共模抑制濾波器仍有待進(jìn)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(duì)單個(gè)DGS單元的頻率特性和等效電路分析的基礎(chǔ)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(jié)果表明，C-DGS可用于實(shí)現(xiàn)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(xiàn)的接地金屬層背面蝕刻出的周期或非周期形狀的結(jié)構(gòu)，經(jīng)典的啞鈴型DGS單元結(jié)構(gòu)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(chǎn)生，啞鈴型DGS單元結(jié)構(gòu)以差分傳輸線(xiàn)的中線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)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(gè)參數(shù)決定。研究發(fā)現(xiàn)，DGS微帶線(xiàn)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(gè)并聯(lián)的RLC諧振電路。其中C、L和R分別表示并聯(lián)電容、并聯(lián)電感和并聯(lián)電阻，可由下面的公式提取出來(lái)［9，10］:

式中，ωc表示－3 dB截止角頻率;ω0(ω0=2π·f0)表示并聯(lián)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(shù)g1=2;S11(ω0)表示諧振角頻率處的S參數(shù)值。

2 C-DGS頻率特性及其等效電路

基于啞鈴型DGS單元結(jié)構(gòu)的頻率特性，提出了C-DGS。該結(jié)構(gòu)由2個(gè)彼此相鄰的啞鈴型DGS單元組成，如圖2所示。

圖2 C-DGS結(jié)構(gòu)及其等效電路

研究表明，2個(gè)相鄰的DGS單元能夠產(chǎn)生耦合的地電流，這種耦合效應(yīng)能夠在不修改結(jié)構(gòu)的前提下通過(guò)增加額外的衰減極點(diǎn)來(lái)提高微帶線(xiàn)的帶阻特性［11］，并且這2個(gè)相鄰的DGS單元之間的耦合效應(yīng)與耦合間距d有關(guān)。為了研究C-DGS在差分傳輸線(xiàn)中的頻率特性，基于啞鈴型DGS單元結(jié)構(gòu)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(lái)的并聯(lián)電容、并聯(lián)電感以及并聯(lián)電阻。Lm表示2個(gè)并聯(lián)電感L之間的互感，耦合系數(shù)kM可由式(4)得到:

式中，fe和fm是互耦引起的2個(gè)諧振頻率［12］。

為了研究不同耦合間距d對(duì)C-DGS頻率特性的影響，用HFSS仿真了3個(gè)具有不同耦合間距(d=0.01 mm，d=0.3 mm和 d=1 mm)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2中C-DGS的其余參數(shù)為:a=b=5 mm，g=0.5 mm，w=2.18 mm，s=1 mm。介質(zhì)板的參數(shù)為:相對(duì)介電常數(shù)2.65，厚度0.8 mm。仿真結(jié)果如圖3所示，其中Scc21表示共模信號(hào)的傳輸系數(shù)，根據(jù)式(4)計(jì)算出耦合系數(shù)kM分別為－0.298、－0.206和－0.135。從電磁仿真結(jié)果可以看出，耦合距離d越大，2個(gè)衰減極點(diǎn)之間的距離越近，耦合系數(shù)的絕對(duì)值|kM|越小，2個(gè)啞鈴型DGS單元之間的耦合效應(yīng)越弱，即負(fù)互感效應(yīng)越不明顯。

圖3 C-DGS電磁仿真結(jié)果

3 共模濾波器設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)的共模抑制濾波器，如圖4所示。在差分傳輸線(xiàn)的金屬接地平面上蝕刻出2個(gè)級(jí)聯(lián)的 C-DGS結(jié)構(gòu)，2個(gè)C-DGS之間的距離為dis。共模抑制濾波器的參數(shù)為:a=4 mm，b=5.5 mm，g=0.5 mm，d=0.3 mm，dis=8 mm。差分傳輸線(xiàn)的參數(shù)為:w=2.18 mm，s=1 mm。為了體現(xiàn)出所設(shè)計(jì)的共模抑制濾波器的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)共模抑制濾波器和提出的濾波器進(jìn)行電磁仿真。其中，傳統(tǒng)濾波器由4個(gè)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(zhì)板的參數(shù)為:相對(duì)介電常數(shù)2.65，厚度0.8 mm。

圖4 本文提出的共模抑制濾波器

傳統(tǒng)共模抑制濾波器與本文提出的濾波器進(jìn)行對(duì)比的電磁仿真結(jié)果如圖5所示，其中 Scc21和Sdd21分別表示共模信號(hào)和差模信號(hào)的傳輸系數(shù)。從圖5中可以明顯看到，與傳統(tǒng)共模抑制濾波器相比，本文提出的濾波器對(duì)共模噪聲具有更強(qiáng)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(dá)到9 GHz，濾波器的尺寸為24.6 mm×16.36 mm。在共模信號(hào)的阻帶范圍內(nèi)，差模信號(hào)在該濾波器中的損耗小于3 dB。文獻(xiàn)［7，8］共模信號(hào)的阻帶帶寬都沒(méi)有本文提出的共模抑制濾波器的阻帶要寬，說(shuō)明C-DGS結(jié)構(gòu)在共模抑制濾波器設(shè)計(jì)中具有實(shí)用意義，這也正是本文研究的目的。

圖5 傳統(tǒng)的和提出的共模抑制濾波器電磁仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種由C-DGS結(jié)構(gòu)組成的新型共模抑制濾波器。與傳統(tǒng)的周期性的啞鈴型DGS單元構(gòu)成的共模抑制濾波器相比，采用級(jí)聯(lián)的C-DGS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)帶寬達(dá)到114%，并且這種共模抑制濾波器對(duì)差模信號(hào)的插入損耗很小，可以很好地適應(yīng)小型化、共模寬抑制和差模低損耗的需要。

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