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)以差分傳輸線的中線為對(duì)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(gè)參數(shù)決定。研究發(fā)現(xiàn)，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(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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