一种新型的紧凑型DGS共模抑制滤波器设计

陈鲁巧，申振宁，丁义涛

(1.武警工程大学 研究生管理大队13队,西安 710086； 2.武警工程大学 信息工程系,西安 710086)

一种新型的紧凑型DGS共模抑制滤波器设计

陈鲁巧1，申振宁2，丁义涛1

(1.武警工程大学 研究生管理大队13队,西安 710086； 2.武警工程大学 信息工程系,西安 710086)

提出一种新的UH形DGS宽带共模滤波器，通过选择单个DGS结构合适尺寸和谐振点，利用每个谐振器间的相互耦合，达到了面积小(8 mm×8 mm)，宽阻带(3.61～10.7 GHz)和低下限截止频率的效果;对于差模信号，阻带内衰减小于-1.5 dB，保持了良好的信号完整性；同时采用一种新的减小宽带DGS结构滤波器面积的设计方法，通过改变图形的形状，用“C”形槽代替“U”形槽，使该DGS结构相比原有模型减小了10%，同时阻带范围增加了1.34 GHz。

缺陷接地结构(DGS)；宽带滤波器；共模；信号完整性

0 引言

20世纪90年代，韩国学者Park等人在光子带隙结构的基础上提出了缺陷接地结构(DGS)。DGS结构是通过在电路的接地金属板上刻蚀出缺陷图案，改变衬底材料的有效介电常数，从而改变微带电路的等效电容和等效电感，使得微带线具有带阻效应和慢波效应，而且由于其价格低，与PCB结合时不会引入新的电磁干扰和易于提取等效电路参数的优点，逐渐成为微波电路设计的一个研究热点。

DGS结构的提出，引起了越来越多的人对其传输特性的研究，很多新的DGS结构被提出。文献[1]提出一种十字紧凑型低通滤波器模型，通过在顶层增加额外的谐振器使通带变化更加陡峭。它对共模信号有2.6～1.4 HGz宽的抑制阻带和差模信号低的插入损耗，但是不同形状的DGS刻蚀在微带线的接地平面上后，可能会由于相互耦合得不够好，而使阻带内出现较高的尖峰，影响微带线的滤波特性。为解决这一问题，文献[2]提出了在PCB板上打孔的方法，引入附加电感，有效地抑制阻带内超过10 dB的尖峰，改善了滤波特性。DGS的形状对微带线的滤波特性有显著的影响。然而刻蚀DGS单元后，增加了特性阻抗。文献[3]提出在微带线上加在并联枝节的方法，改善了端口匹配特性，使滤波器的回波损耗明显减小，但是刻蚀DGS单元后，增加了特性阻抗。

然而如何实现体积小，宽带阻功能是DGS结构设计面临的主要问题。基于此目的，本文提出了一种DGS结构的设计方案和思路，优化了宽带滤波器的滤波性能。相比于原有模型，该模型不仅面积更小，而且阻带范围还有所拓宽，具有较好的滤波深度。通过HFSS仿真软件的验证和对比，充分证明该方法的有效性和合理性。

1 微波滤波器的基本理论

1.1 微波滤波器的基本概念

微波滤波器是一类无耗的二端口网络，广泛应用于微波通信、电子对抗、雷达及微波测量中，在系统中用来控制信号的频率响应。在通过滤波器时，有用的信号几乎没有衰减，而无用的信号则会受到很大的抑制。

微波滤波器的原理如图1所示。

图1 滤波器的方框图

由于微波的波长很短,在微波电路中,元件尺寸可与电磁波比拟,甚至为波长的倍数。在某一时刻，元件中不同位置的电磁波幅度，相位是不同的。所以在分析微波电路时，不能采用集总电路的分析法，应该使用分布电路参数模型设计电路。

1.2 微波滤波器的参数及性能指标

在实际工作中，在截止频率fc处，LA(dB)不可能从0直接跳变到无穷大，因此，我们用以下参数来衡量滤波器的性能：

1)中心频率(Center Frequency)：f0=(f1+f2)/2。其中f1，f2为带通或带阻滤波器左、右衰减3 dB处的边频点。

2)截止频率(Cutoff Frequency)：指通带衰减3 dB时的频点。

3)通带带宽(BWxdB)：带通滤波器上限截止频率f2与下限截止频率f1之间即为通带，带宽BWxdB=f2-f1。常用表示带宽的还有相对带宽，其定义为(f2-f1)/f0。

4)插入损耗(Insertion Loss)和回波损耗(Return Loss)：插入损耗是指输出端口的输出功率与输入端口的输入功率之比，以dB为单位。回波损耗是指端口信号输入功率与反射功率之比的分贝(dB)数。回波损耗愈大愈好。一般要求滤波器通带内的插入损耗大于-3 dB，通带外抑制在-15 dB 以下。

5)带内波动(Passband Ripple)：指通带内插入损耗随频率的变化量，带内波动越小越好。

6)品质因数Q值(Quality Factor):品质因数Q描述了滤波器在频率谐振点时,每周期平均储能与一个周期平均耗能的关系,表达式如下:

(1)

品质因数反映了滤波器性能的好坏和频率选择性。Q值越高，其损耗越小，效率越高，同时对频率的选择性越强。

7)群时延(Td)：信号通过滤波器所需要的时间为群延时，数值上为传输相位函数对角频率的导数，即:

(2)

由于群时延的存在，信号通过微波滤波器时，信号的相位会受到一定的影响，因此，衡量滤波器性能时，群时延越小、信号越平稳。

对于理想滤波器，我们希望它对不需要的信号有无限大地衰减，而对有用的信号能够无损耗地通过，然而这不可能实现。在实际电路中，我们根据系统的要求，设计符合条件的阻带水平。因此，充分理解基本理论对滤波器的设计具有重要意义。

2 紧凑型DGS共模滤波器分析与设计

2.1 一种新型DGS共模抑制滤波器设计

2.1.1 设计理念与理论模型

图2为提出的三极点共模滤波器模型, 通过两个U形和一个H形图案相互耦合，使该滤波器结构紧凑，因为两个U形可以设计在H形两侧剩余的空间中。如图2，耦合微带线的线宽为0.545 mm，线间距为0.36 mm，基板材质为FR4，介电常数为4.3，厚度为0.4 mm，尺寸为50×50 mm。U形槽尺寸为(U1，U2，U3)=(2.6 mm，6 mm，0.1 mm)，H形槽尺寸为(H1，H2，H3，H4)=(8 mm，6.8 mm，8 mm，0.2 mm)，U形槽与H形槽的间距为g=0.4 mm。为了避免共模噪声激励，缺陷槽以两根微带线中心对称。由于差分信号的奇模传播，通过地面平面返回的电流密度相对较低，由缺陷接地平面引起的差模信号的回波损耗会比较小。

图2 UH形共模抑制滤波器模型

2.1.2 等效电路模型及参数提取

由于图形是偶对称的，U形和H形槽可以被建模为在地面上并联的LC谐振器级联。单个U形槽及其频率响应仿真结果如图3所示。

图3 U形槽模型及其频率响应

从图中可以看出，在U形谐振器的谐振频率6.7 GHz附近，共模噪声可以被明显阻断。通过式(1)和式(2)，可以提取U形槽的等效电路参数Lp=2.23 nH，Cp=0.17 pF。单个H形槽及其频率响应仿真结果如图4所示，它的谐振频率为5 GHz。用同样的方法，可以提取H形槽的等效电路参数Lp=1.95 nH，Cp=0.26 pF。

图4 H形槽及其频率响应

由等效电路可得电抗XLC可以表示为：

(3)

谐振频率公式为：

(4)

由于U形和H形槽结构紧密，所以需要考虑它们之间的耦合。耦合的U形和H形槽等效电路如图5所示。其耦合系数可由式(1)导出：

(5)

其中:Lm表示互感，fo1和fo2表示每个缺陷地图案谐振器在没有耦合的情况下自身的谐振频率，f1和f2表示耦合两个分开的谐振频率。从耦合系数公式可以看出，在设计DGS图案时，相邻两个图案的尺寸不能相差太大，否则耦合的效果就会变差。利用耦合系数公式，可以导出等效电路参数，用等效电路仿真软件进行验证。

图5 耦合的U形和H形谐振器

图6为UH耦合谐振器共模插入损耗的全波仿真结果，从图中可以清楚地看出，由于耦合作用阻带带宽变大。

图6 U-H耦合插入损耗频率响应

2.1.3 实验结果分析

图7为新提出的DGS结构通过HFSS全波仿真的结果，由图表明，在-15 dB的截止频率下，对共模噪声有3.61～10.7 GHz的宽阻带。在高速数字电路中，截止频率定义为-10 dB，这样的宽阻带在高速数字电路中可以有相当好的应用。与文献[1]提出的DGS结构滤波器相比，它们的下限截止频率基本相同，上限截止频率提高了1.6 GHz，并且面积减少了36%。此外，对于差模信号，阻带内的衰减小于-1.5 dB，证明该滤波器能够有效地抑制共模噪声，又能对差模信号保持良好的信号完整性。由于集总模型等效电路仿真与全波仿真具有良好的一致性，这里对等效电路仿真就不再做出展示。

图7 DGS共模和差模插入损耗全波仿真图

2.2 初步改进结果

DGS结构初始模型及其尺寸如图8所示，它是由两个开口向下的U形槽和一个开口向上的U形槽组合而成。U形槽的尺寸为(U1，U2，U3)=(3.5 mm，1.7 mm，1.4 mm)，(g1，g2，g3) =(0.5 mm，0.2 mm，0.2 mm)，(w1，w2)=(2.4 mm,7 mm)。U形槽之间的间距为(d1，d2)=(0.2 mm，0.2 mm)。采用微带线的线宽为0.545 mm，线间距为0.36 mm，PCB板材质为FR4，厚度为0.4 mm，尺寸为50 mm×50 mm，DGS结构位于PCB板的中心。该图案所占的长=U1+U2+U3+d1+d2=7 mm，宽=w2=7 mm，故所占面积=7 mm×7 mm。

图8 DGS 结构初始模型

该模型的HFSS全波仿真结果如图9所示。从图中可以看到，该共模滤波器的-15 dB截止频率阻带范围为5.6～13.7 GHz，带宽为8.1 GHz。最低频率谐振点为5.9 GHz。差模信号的插入损耗在阻带内小于-3 dB。

图9 初始模型共模和差模信号的插入损耗

为了减小该图形的面积，采用如下步骤进行研究。首先将U1的长度减小为3.1 mm，其他尺寸保持不变。改变尺寸后的DGS模型的频率响应如图10所示，从图中可以看出，在-15 dB处，下限截止频率由原来的5.6 GHz变成了5.75 GHz，升高了0.15 GHz，最低频率谐振点为6.1 GHz，升高了0.2 GHz。这是由于U1的尺寸减小造成的，在哑铃型DGS中，DGS结构两边矩形方格等效于LC谐振回路中的电感，矩形方格的面积越大，等效电感就越大。在本例中，U1的尺寸减小使得等效电感减小，电感增大引起谐振频率降低。在本文提出的三个U形相互耦合三极点滤波器中，最低频率的谐振点与尺寸最大的U形槽以及U1,U2之间的耦合有关。由于U1的等效电感减小,最低频率谐振点向右移动，从而使下限截止频率升高。

图10 改变U1长度后的共模插入损耗仿真图

初步改进后的三极点DGS滤波器模型如图11所示，通过在最上面的U形槽两边的矩形方格和缝隙交界处刻蚀一个矩形缝隙，矩形缝隙的尺寸为a=1 mm，b=0.3 mm，U1为3.1 mm，其他尺寸保持不变。通过刻蚀矩形缝隙，使U形槽的等效电容增大，有利于使最低谐振频率点降低。

图11 初步改进后的三极点DGS滤波器

初步改进后的三极点DGS滤波仿真图如图12所示，它的-15 dB下限截止频率为5.52 GHz，与之前的5.75 GHz相比下降了0.23 GHz，与初始模型的5.6 GHz相比，下降了0.08 GHz。它的最低频率谐振点为5.9 GHz，与初始模型相同。最上方U形槽的整体尺寸减小又加强了它与中间U形槽的耦合，所以，相比于图10的模型频率响应，最低频率谐振点的降低并没有引起阻带内出超过-15 dB的现尖峰。

图12 初步改进后的三极点DGS滤波仿真图

2.3 最终确定的三极点共模滤波器模型

现在，对初始模型中最下方的U形槽也应用同样的改进办法，最终确定的三极点共模滤波器模型及尺寸如图13所示,它的尺寸参数为(U1，U2，U3)=(3.1 mm，1.7 mm，1.2 mm)，(g1，g2，g3) =(0.5 mm，0.2 mm，0.2 mm)，(w1，w2)=(2.4 mm，7 mm)，(d1，d2)=(0.2 mm，0.1 mm)，(a1，b1，a2，b2)=(1 mm，0.3 mm，1 mm，0.2 mm)，与最初的模型相比,上方和下方的“U”形槽变成了“C”形槽，中间的U形槽尺寸没有改变。

图13 最终确定的三极点共模滤波器模型

图14为共模和差模信号插入损耗随频率的变化。从图中可得出，同样在-15 dB的截止频率下，它对共模噪声的阻带范围为5.26～14.7 GHz，阻带带宽为9.44 GHz。差模信号的插入损耗在14 GHz以下小于-2 dB，这意味着差模信号可以保持良好的信号完整性。相比于最初模型，最终确定的DGS结构所占的长=U1+U2+U3+d1+d2=6.3 mm，宽=w2=7 mm，故所占面积为6.3 mm×7 mm，与最初模型相比减小了10%，此外，它的下限截止频率和上限截止频率都有了一定地拓宽，阻带带宽比原来的8.1 GHz增加了1.34 GHz。

图14 6.3 mm×7 mm DGS共模和差模插入损耗仿真图

3 结论

通过以上的分析与验证，可以得出，在DGS结构的设计中,选择合适的尺寸，通过用用“C”形代替“U”形，可以有效的减小DGS结构的面积，且不会引起阻带变窄。对于现在面积有限的集成电路资源来说可以提高面积的利用率，更能适应微波器件小型化的趋势，而如何寻找最优谐振点以获得最大阻带范围仍是一个难点, 是下一步进行研究的重点。

[1]Boutejdar A, Elsherbini A, Omar A. Improvement of compactness of low pass and band pass filter using a simple combination of cross-defected ground structure (DGS) and a discontinuous[A]. Microwave Conference[C]. VDE, 2008:1-4.

[2] Pang Y, Feng Z. A compact common-mode filter for GHz differential signals using defected ground structure and shorted microstrip stubs[A]. International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology[C]. 2012:1-4.

[3] Chengkang H U, Yang W, Yang W, et al. The design of super-wide stop-band micro-strip low-pass filter based on defected ground structure and stepped impedance resonant units[J]. Chinese Journal of Electron Devices, 2012,35(6):746-750.

[4] Wu T L, Tsai C H, Wu T L, et al. A novel wideband common-mode suppression filter for gigahertz differential signals using coupled patterned ground structure[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2009, 57(4):848-855.

Design of A New Compact DGS Common-Mode Rejection Filter

Chen Luqiao2，Shen Zhenning2，Ding Yitao3

(1.Department of Graduate Management，Engineering University of PAP, Xi′an 710086, China; 2.Department of Information Engineering, Engineering University of PAP,Xi′an 710086, China)

A new UH-shaped DGS wideband common-mode filter is proposed. By selecting the appropriate size and resonant point of a single DGS structure, the mutual coupling between each resonator is utilized to achieve a small area (8 mm×8 mm), wide stopband (3.61 GHz 10.7 GHz) and low cutoff frequency. For the differential mode signals, the stopband attenuation was less than -1.5 dB which maintained good signal integrity. At the same time, a new design method was proposed to reduce the area of the wideband DGS structure filter. By changing the shape of the graph, the "U" groove was replaced by a "C" groove, which reduced the DGS structure by 10 %, while the stopband range increased by 1.34 GHz.

DGS structure; broadband filter; common-mode;signal integrity

2017-03-13；

2017-03-24。

陈鲁巧(1990-)，女，浙江宁波人，硕士研究生，主要从事武警信息化方向的研究。申振宁(1976-)，男，陕西高陵人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事无线通信、射频电路设计等方向的研究。

1671-4598(2017)08-0248-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.064

TP731

A