基于耦合缺陷地的超宽带共模滤波器设计

郭观星，李 霖，高 雄，吕俊男，李 进

(1.浙江理工大学启新学院，浙江杭州310018;2.浙江理工大学信息学院，浙江杭州310018)

0 引言

差分信号在高速通信系统中可以用来抑制环境噪声和电磁干扰，但是，不合理布线和延时产生的共模噪声极大地降低了差分信号的完整性，阻碍了差分布线优势的充分发挥。相对于传统的单端滤波器［1－3］而言，共模抑制滤波器的设计目标就是能在特定工作频段抑制共模信号而让差模信号通过。因此，设计用于差分信号的共模抑制滤波器非常重要。

目前已有很多设计共模抑制滤波器的方法。文献［4，5］采用了一种高磁导率铁氧体磁芯的共模扼流圈，这种传统方法仅适用于MHz频率范围。文献［6］提出了一种用于GHz频率范围的低温陶瓷共烧技术(Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC)的小型化共模滤波器，但是这种技术制造成本较高。文献［7，8］分别提出了2种基于缺陷接地结构(Defected Ground Structure，DGS)的共模滤波器，但这些共模滤波器所提供的共模阻带带宽还不够宽。因此，设计一种具有更宽阻带的共模抑制滤波器仍有待进一步研究。

基于上述背景，提出了一种采用C-DGS的新型超宽带共模抑制滤波器。在对单个DGS单元的频率特性和等效电路分析的基础上，提出了一种新型的耦合型DGS，并建立了等效模型。理论研究和仿真结果表明，C-DGS可用于实现具有极宽抑制带宽的共模滤波器。

1 DGS频率特性及其等效电路

DGS是一种在平面微波传输线的接地金属层背面蚀刻出的周期或非周期形状的结构，经典的哑铃型DGS单元结构及其等效电路模型如图1所示。

图1 哑铃型DGS单元及其等效电路

为了防止共模噪声的产生，哑铃型DGS单元结构以差分传输线的中线为对称轴。该哑铃型DGS单元主要由栅格尺寸(a×b)和间隙大小(g)这2个参数决定。研究发现，DGS微带线具有带隙特性［9］。

理论分析表明，哑铃型DGS单元的频率特性可以等效为一个并联的RLC谐振电路。其中C、L和R分别表示并联电容、并联电感和并联电阻，可由下面的公式提取出来［9，10］:

式中，ωc表示－3 dB截止角频率;ω0(ω0=2π·f0)表示并联RLC电路的谐振角频率;特性阻抗Z0=50 Ω，一阶巴特沃斯低通原型参数g1=2;S11(ω0)表示谐振角频率处的S参数值。

2 C-DGS频率特性及其等效电路

基于哑铃型DGS单元结构的频率特性，提出了C-DGS。该结构由2个彼此相邻的哑铃型DGS单元组成，如图2所示。

图2 C-DGS结构及其等效电路

研究表明，2个相邻的DGS单元能够产生耦合的地电流，这种耦合效应能够在不修改结构的前提下通过增加额外的衰减极点来提高微带线的带阻特性［11］，并且这2个相邻的DGS单元之间的耦合效应与耦合间距d有关。为了研究C-DGS在差分传输线中的频率特性，基于哑铃型DGS单元结构的等效电路，给出了C-DGS的集总等效电路模型。

图2中，C、L和R分别为式(1)、式(2)和式(3)提取出来的并联电容、并联电感以及并联电阻。Lm表示2个并联电感L之间的互感，耦合系数kM可由式(4)得到:

式中，fe和fm是互耦引起的2个谐振频率［12］。

为了研究不同耦合间距d对C-DGS频率特性的影响，用HFSS仿真了3个具有不同耦合间距(d=0.01 mm，d=0.3 mm和 d=1 mm)的拓扑结构。图2中C-DGS的其余参数为:a=b=5 mm，g=0.5 mm，w=2.18 mm，s=1 mm。介质板的参数为:相对介电常数2.65，厚度0.8 mm。仿真结果如图3所示，其中Scc21表示共模信号的传输系数，根据式(4)计算出耦合系数kM分别为－0.298、－0.206和－0.135。从电磁仿真结果可以看出，耦合距离d越大，2个衰减极点之间的距离越近，耦合系数的绝对值|kM|越小，2个哑铃型DGS单元之间的耦合效应越弱，即负互感效应越不明显。

图3 C-DGS电磁仿真结果

3 共模滤波器设计

基于上述分析，为了加宽共模滤波器的噪声抑制带宽，提出了一种新型的采用C-DGS结构的共模抑制滤波器，如图4所示。在差分传输线的金属接地平面上蚀刻出2个级联的 C-DGS结构，2个C-DGS之间的距离为dis。共模抑制滤波器的参数为:a=4 mm，b=5.5 mm，g=0.5 mm，d=0.3 mm，dis=8 mm。差分传输线的参数为:w=2.18 mm，s=1 mm。为了体现出所设计的共模抑制滤波器的优点，对传统共模抑制滤波器和提出的滤波器进行电磁仿真。其中，传统滤波器由4个周期性的哑铃型DGS单元组成，即令图4中的d=dis=8 mm。仿真所用介质板的参数为:相对介电常数2.65，厚度0.8 mm。

图4 本文提出的共模抑制滤波器

传统共模抑制滤波器与本文提出的滤波器进行对比的电磁仿真结果如图5所示，其中 Scc21和Sdd21分别表示共模信号和差模信号的传输系数。从图5中可以明显看到，与传统共模抑制滤波器相比，本文提出的滤波器对共模噪声具有更强的抑制能力。提出的共模抑制滤波器20 dB阻带为3.4～12.4 GHz，带宽达到9 GHz，滤波器的尺寸为24.6 mm×16.36 mm。在共模信号的阻带范围内，差模信号在该滤波器中的损耗小于3 dB。文献［7，8］共模信号的阻带带宽都没有本文提出的共模抑制滤波器的阻带要宽，说明C-DGS结构在共模抑制滤波器设计中具有实用意义，这也正是本文研究的目的。

图5 传统的和提出的共模抑制滤波器电磁仿真结果

4 结束语

提出了一种由C-DGS结构组成的新型共模抑制滤波器。与传统的周期性的哑铃型DGS单元构成的共模抑制滤波器相比，采用级联的C-DGS结构设计出的新型共模抑制滤波器具有3.4～12.4 GHz的阻带带宽，其相对带宽达到114%，并且这种共模抑制滤波器对差模信号的插入损耗很小，可以很好地适应小型化、共模宽抑制和差模低损耗的需要。

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