阶梯型缺陷地的超宽带共模抑制滤波器

高 雄，李 霖，郭观星，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

差分信号具有高抗噪声、低串扰和低电磁干扰等优点，在高速数字电路中起着重要作用。然而在实际电路中，由于振幅不平衡等原因引起的共模噪声是不可避免的，会降低电路系统信号完整性和电源完整性。传统的滤波器［1，2］性能不够良好，因此设计共模噪声抑制滤波器十分重要。

文献［3］和文献［4］使用了高磁导率铁氧体磁芯的共式扼流圈，这种最普通的方法仅仅适用于MHz频率范围。文献［5－8］提出低温陶瓷共烧技术(LTCC)的小型化共模滤波器，且适用于GHz，然而制作成本过高。最近，文献［9］和文献［10］提出了2种哑铃型周期缺陷地结构(DGS)的共模抑制滤波器，它可以保持良好的信号质量，但带宽基本低于10 GHz。因此，在加宽滤波器的阻带带宽方面有待进一步研究。

基于上述背景，提出了一种阶梯型DGS的新型超宽带共模抑制滤波器。下面将展示如何通过改变DGS的栅格尺寸来获得不同的阶梯型分布。仿真结果表明，阶梯型DGS可用于实现超宽带共模抑制滤波器。

1 均匀分布周期性DGS设计

图1为起始的DGS设计方案，采用了均匀分布的周期DGS，并假定为对比模型。采用6个方形单元，如图1 所示，其中 a，b，c表示栅格的尺寸，d，o，u表示栅格的间距，同时也是每个哑铃型DGS的周期。g表示间隙距离并且保持常数0．6 mm不变。在图1的设计中，a=b=c=4．5 mm，d=o=u=0．5 mm。基板的厚度为 0．8 mm，介电常数 εr为 2．65。差分传输线设定为w=2．18 mm，s=1．8 mm 满足50 Ω的特性阻抗。使用HFSS进行仿真，结果显示Scc21散射参数衰减最大超过40 dB，超过20 dB衰减的阻带从3．27 ～10．85 GHz，如图2所示。

图1 均匀分布的周期性DGS示意图

图2 每个阶梯型结构滤波器的Scc21参数仿真结果

2 阶梯型DGS设计

基于上述类型，提出了将6个方形单元按阶梯型组成不均匀的分布。首先，保持每个单元的间距不变，按照不同函数的相对幅度，成比例地改变每个栅格的尺寸大小。经过一系列实验，采取了4种典型的函数如下所述:

所有函数从上到下依次称为类型1、2、3和4。适当取n的值，则相对幅值确定如表1所示。

表1 振幅分布规律

在本次设计中，6个方形单元的第3和第4个栅格大小为4．5 mm，因此在表1的基础上，其他各单元的栅格大小确定如表2所示。

表2 各方形单元的栅格大小

图2描述了每个阶梯型DGS共模抑制滤波器的Scc21散射参数，通过 Ansoft HFSS13．0仿真得到。可以看出，对比前述的均匀分布周期性共模抑制滤波器，阶梯型DGS的Scc21参数显示出更宽广更深入的阻带。对4个类型分别进行了分析。采用以e为底指数函数的类型1，20 dB衰减的阻带从3．595 ～14．57 GHz，带宽约10．98 GHz，而且最大衰减达到60 dB。与图1中的类型相比，增加了约3．2 GHz的带宽和20 dB的最大衰减。这意味着阶梯型DGS可以很有效地增加共模抑制的带宽。类型2的结果与类型1十分相似，带宽从3．59～14．65 GHz约11．06 GHz。由此推断指数函数的底数对结果有着十分微弱的影响。还仿真了类型3，比类型2稍有改进，阻带从3．49 ～14．57 GHz。实际上，这3种类型在共模噪声抑制上都显示出了良好的特性。

类型4显示出的的结果引人注目。如图2所示，虽然衰减不是特别深，最大只有47 dB，而且在4．49 GHz左右只有15．7 dB，不符合 20 dB 的标准，但阻带带宽却达到了3．4～18．68 GHz约15 GHz。这就说明通过部分减小栅格的尺寸可以对频率相应加以改进，这一事实主要由于DGS单元的栅格大小主要影响等效电路的实际电感值，而电容值保持不变。当栅格尺寸减小，等效电感降低，降低了谐振电路的谐振频率和截止频率，不同尺寸造成的不同零点构成了一个超宽的阻带。

基于以上所述，超宽阻带已经实现，但同时也需要一个良好的衰减特性。在类型4中15．7 dB的衰减在高速数字电路中并不够良好。因此，为了增加滤波器的衰减，考虑每个哑铃型单元的距离，即图1所示d、o和u的值。初值为d=o=u=0．5 mm，事实上，紧凑的结构能为共模抑制带来更好的性能。在此基础上，在1 mm的范围内改变 d，o，u的值。以0．1 mm为单元实行控制变量法。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。最终确定了最好性能的参数为d=1．2 mm，o=0．4 mm，u=0．8 mm。由于仿真结果太多，这里不便全部显示。

3 共模抑制滤波器设计

为了体现所设计的共模噪声抑制滤波器的优点，对上述提出的滤波器和对比的滤波器分别进行电磁仿真。最终的阶梯型结构模型如图3所示，由6个栅格大小不同的哑铃型DGS构成，各项参数为:(a，b，c)=(4．5 mm，1．1 mm，0．24 mm)，(d，o，u)=(1．2 mm，0．4 mm，0．8 mm)。差分线的参数为:w=2．18 mm，1．8 mm，满足 50 Ω 的特性阻抗。PCB板的尺寸为40 mm×80 mm，相对介电常数εr为2．65，厚度0．8 mm，滤波器设计在板的中心。

图3 提出的共模抑制滤波器

Scc21参数的电磁仿真结果如图4所示。

图4 2种结构的仿真结果

可以看出均匀分布的周期性DGS滤波器20 dB衰减阻带从3．27 ～10．85 GHz，带宽为7．58 GHz，相对带宽约107%，而本文提出的新型阶梯型结构滤波器20 dB 衰减阻带从 3．57～18．80 GHz，带宽约15．2 GHz，相对带宽达到136%远超过100%，而且差模新号的插入损耗也在－3 dB以内。这说明阶梯型结构在共模噪声抑制滤波器设计中是具有实际意义的，也是本研究的目的所在。

4 结束语

设计出几种不同的GHz差分信号阶梯型结构共模抑制滤波器，最终提取了栅格尺寸按标准正态函数相对振幅成比例分布的结构，与传统的周期性DGS共模抑制滤波器相比，该滤波器具有超宽的阻带，从3．57 ～18．80 GHz，相对带宽达 136%。这种新提出的共模抑制滤波器可以很好地在微波应用的范围内使用。

［1］ 刘春晓，王黎．抑制PCB对直流电源噪声干扰的滤波器设计［J］．无线电工程，2011，41(4)：59 －61．

［2］ 王琦．基于散射参数法的波导滤波器设计［J］．无线电工程，2011，41(6)：62 －64．

［3］ YANAGISAWA K ，ZHANG F，SATO T，et al．A New Wideband Common-mode Noise Filter Consisting of Mn-Zn Ferrite Core and Copper/polyimide Tape Wound Coil［J］．IEEE Trans．Magn．，2005，41(10)：3571 －3573．

［4］ QIAN Ke-wei，TANG Xiao-hong．Compact Wideband LTCC Bandstop Filter using Vertical Coupled-line units［J］．Microw Opt Technol Lett，2012，54(5)：1173 －1176．

［5］ QIAN Ke-wei．Compact Wideband Bandstop Filter using Embedded Capacitor［J］．Microwave and Optical Technology Letters，2012，54(6)：1511 －1514．

［6］ DENG J，SEE K Y．In-circuit Characteristics of Commonmode Chokes［J］．IEEE Trans．Electromagn．Compat．，2007，49(2)：451 －454．

［7］ PAUL C R．Introduction to Electromagnetic Compatibility［J］．Choice Reviews Online，2006，44(1)：346 －351．

［8］ GAVENDA J D．Measured Effectiveness of a Toroid Choke in Radiating Common-mode Current［C］∥IEEE Int．Symp．Electromagn．Compat，1989：208 －210．

［9］ LIU W T，TSAI C H，HAN T．W，et al．An Embedded Common-mode Suppression Filter for GHz Differential Signals using Periodic Defected Ground Plane［J］．IEEE Microw．Wireless Compon．Lett．，2008，18(4)：248 －250．

［10］ AHN D，PARK J S，KIM C S，et al．A Design of the Lowpass Filter using the Novel Microstrip Defected Ground Structure［J］．IEEE Trans．Microw．Theory Tech．，2001，49(1)：86－93．