一種新型的緊湊型DGS共模抑制濾波器設計

陳魯巧，申振寧，丁義濤

(1.武警工程大學 研究生管理大隊13隊,西安 710086； 2.武警工程大學 信息工程系,西安 710086)

一種新型的緊湊型DGS共模抑制濾波器設計

陳魯巧1，申振寧2，丁義濤1

(1.武警工程大學 研究生管理大隊13隊,西安 710086； 2.武警工程大學 信息工程系,西安 710086)

提出一種新的UH形DGS寬帶共模濾波器，通過選擇單個DGS結構合適尺寸和諧振點，利用每個諧振器間的相互耦合，達到了面積小(8 mm×8 mm)，寬阻帶(3.61～10.7 GHz)和低下限截止頻率的效果;對于差模信號，阻帶內衰減小于-1.5 dB，保持了良好的信號完整性；同時采用一種新的減小寬帶DGS結構濾波器面積的設計方法，通過改變圖形的形狀，用“C”形槽代替“U”形槽，使該DGS結構相比原有模型減小了10%，同時阻帶范圍增加了1.34 GHz。

缺陷接地結構(DGS)；寬帶濾波器；共模；信號完整性

0 引言

20世紀90年代，韓國學者Park等人在光子帶隙結構的基礎上提出了缺陷接地結構(DGS)。DGS結構是通過在電路的接地金屬板上刻蝕出缺陷圖案，改變襯底材料的有效介電常數(shù)，從而改變微帶電路的等效電容和等效電感，使得微帶線具有帶阻效應和慢波效應，而且由于其價格低，與PCB結合時不會引入新的電磁干擾和易于提取等效電路參數(shù)的優(yōu)點，逐漸成為微波電路設計的一個研究熱點。

DGS結構的提出，引起了越來越多的人對其傳輸特性的研究，很多新的DGS結構被提出。文獻[1]提出一種十字緊湊型低通濾波器模型，通過在頂層增加額外的諧振器使通帶變化更加陡峭。它對共模信號有2.6～1.4 HGz寬的抑制阻帶和差模信號低的插入損耗，但是不同形狀的DGS刻蝕在微帶線的接地平面上后，可能會由于相互耦合得不夠好，而使阻帶內出現(xiàn)較高的尖峰，影響微帶線的濾波特性。為解決這一問題，文獻[2]提出了在PCB板上打孔的方法，引入附加電感，有效地抑制阻帶內超過10 dB的尖峰，改善了濾波特性。DGS的形狀對微帶線的濾波特性有顯著的影響。然而刻蝕DGS單元后，增加了特性阻抗。文獻[3]提出在微帶線上加在并聯(lián)枝節(jié)的方法，改善了端口匹配特性，使濾波器的回波損耗明顯減小，但是刻蝕DGS單元后，增加了特性阻抗。

然而如何實現(xiàn)體積小，寬帶阻功能是DGS結構設計面臨的主要問題?；诖四康?，本文提出了一種DGS結構的設計方案和思路，優(yōu)化了寬帶濾波器的濾波性能。相比于原有模型，該模型不僅面積更小，而且阻帶范圍還有所拓寬，具有較好的濾波深度。通過HFSS仿真軟件的驗證和對比，充分證明該方法的有效性和合理性。

1 微波濾波器的基本理論

1.1 微波濾波器的基本概念

微波濾波器是一類無耗的二端口網絡，廣泛應用于微波通信、電子對抗、雷達及微波測量中，在系統(tǒng)中用來控制信號的頻率響應。在通過濾波器時，有用的信號幾乎沒有衰減，而無用的信號則會受到很大的抑制。

微波濾波器的原理如圖1所示。

圖1 濾波器的方框圖

由于微波的波長很短,在微波電路中,元件尺寸可與電磁波比擬,甚至為波長的倍數(shù)。在某一時刻，元件中不同位置的電磁波幅度，相位是不同的。所以在分析微波電路時，不能采用集總電路的分析法，應該使用分布電路參數(shù)模型設計電路。

1.2 微波濾波器的參數(shù)及性能指標

在實際工作中，在截止頻率fc處，LA(dB)不可能從0直接跳變到無窮大，因此，我們用以下參數(shù)來衡量濾波器的性能：

1)中心頻率(Center Frequency)：f0=(f1+f2)/2。其中f1，f2為帶通或帶阻濾波器左、右衰減3 dB處的邊頻點。

2)截止頻率(Cutoff Frequency)：指通帶衰減3 dB時的頻點。

3)通帶帶寬(BWxdB)：帶通濾波器上限截止頻率f2與下限截止頻率f1之間即為通帶，帶寬BWxdB=f2-f1。常用表示帶寬的還有相對帶寬，其定義為(f2-f1)/f0。

4)插入損耗(Insertion Loss)和回波損耗(Return Loss)：插入損耗是指輸出端口的輸出功率與輸入端口的輸入功率之比，以dB為單位?；夭〒p耗是指端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝(dB)數(shù)。回波損耗愈大愈好。一般要求濾波器通帶內的插入損耗大于-3 dB，通帶外抑制在-15 dB 以下。

5)帶內波動(Passband Ripple)：指通帶內插入損耗隨頻率的變化量，帶內波動越小越好。

6)品質因數(shù)Q值(Quality Factor):品質因數(shù)Q描述了濾波器在頻率諧振點時,每周期平均儲能與一個周期平均耗能的關系,表達式如下:

(1)

品質因數(shù)反映了濾波器性能的好壞和頻率選擇性。Q值越高，其損耗越小，效率越高，同時對頻率的選擇性越強。

7)群時延(Td)：信號通過濾波器所需要的時間為群延時，數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對角頻率的導數(shù)，即:

(2)

由于群時延的存在，信號通過微波濾波器時，信號的相位會受到一定的影響，因此，衡量濾波器性能時，群時延越小、信號越平穩(wěn)。

對于理想濾波器，我們希望它對不需要的信號有無限大地衰減，而對有用的信號能夠無損耗地通過，然而這不可能實現(xiàn)。在實際電路中，我們根據(jù)系統(tǒng)的要求，設計符合條件的阻帶水平。因此，充分理解基本理論對濾波器的設計具有重要意義。

2 緊湊型DGS共模濾波器分析與設計

2.1 一種新型DGS共模抑制濾波器設計

2.1.1 設計理念與理論模型

圖2為提出的三極點共模濾波器模型, 通過兩個U形和一個H形圖案相互耦合，使該濾波器結構緊湊，因為兩個U形可以設計在H形兩側剩余的空間中。如圖2，耦合微帶線的線寬為0.545 mm，線間距為0.36 mm，基板材質為FR4，介電常數(shù)為4.3，厚度為0.4 mm，尺寸為50×50 mm。U形槽尺寸為(U1，U2，U3)=(2.6 mm，6 mm，0.1 mm)，H形槽尺寸為(H1，H2，H3，H4)=(8 mm，6.8 mm，8 mm，0.2 mm)，U形槽與H形槽的間距為g=0.4 mm。為了避免共模噪聲激勵，缺陷槽以兩根微帶線中心對稱。由于差分信號的奇模傳播，通過地面平面返回的電流密度相對較低，由缺陷接地平面引起的差模信號的回波損耗會比較小。

圖2 UH形共模抑制濾波器模型

2.1.2 等效電路模型及參數(shù)提取

由于圖形是偶對稱的，U形和H形槽可以被建模為在地面上并聯(lián)的LC諧振器級聯(lián)。單個U形槽及其頻率響應仿真結果如圖3所示。

圖3 U形槽模型及其頻率響應

從圖中可以看出，在U形諧振器的諧振頻率6.7 GHz附近，共模噪聲可以被明顯阻斷。通過式(1)和式(2)，可以提取U形槽的等效電路參數(shù)Lp=2.23 nH，Cp=0.17 pF。單個H形槽及其頻率響應仿真結果如圖4所示，它的諧振頻率為5 GHz。用同樣的方法，可以提取H形槽的等效電路參數(shù)Lp=1.95 nH，Cp=0.26 pF。

圖4 H形槽及其頻率響應

由等效電路可得電抗XLC可以表示為：

(3)

諧振頻率公式為：

(4)

由于U形和H形槽結構緊密，所以需要考慮它們之間的耦合。耦合的U形和H形槽等效電路如圖5所示。其耦合系數(shù)可由式(1)導出：

(5)

其中:Lm表示互感，fo1和fo2表示每個缺陷地圖案諧振器在沒有耦合的情況下自身的諧振頻率，f1和f2表示耦合兩個分開的諧振頻率。從耦合系數(shù)公式可以看出，在設計DGS圖案時，相鄰兩個圖案的尺寸不能相差太大，否則耦合的效果就會變差。利用耦合系數(shù)公式，可以導出等效電路參數(shù)，用等效電路仿真軟件進行驗證。

圖5 耦合的U形和H形諧振器

圖6為UH耦合諧振器共模插入損耗的全波仿真結果，從圖中可以清楚地看出，由于耦合作用阻帶帶寬變大。

圖6 U-H耦合插入損耗頻率響應

2.1.3 實驗結果分析

圖7為新提出的DGS結構通過HFSS全波仿真的結果，由圖表明，在-15 dB的截止頻率下，對共模噪聲有3.61～10.7 GHz的寬阻帶。在高速數(shù)字電路中，截止頻率定義為-10 dB，這樣的寬阻帶在高速數(shù)字電路中可以有相當好的應用。與文獻[1]提出的DGS結構濾波器相比，它們的下限截止頻率基本相同，上限截止頻率提高了1.6 GHz，并且面積減少了36%。此外，對于差模信號，阻帶內的衰減小于-1.5 dB，證明該濾波器能夠有效地抑制共模噪聲，又能對差模信號保持良好的信號完整性。由于集總模型等效電路仿真與全波仿真具有良好的一致性，這里對等效電路仿真就不再做出展示。

圖7 DGS共模和差模插入損耗全波仿真圖

2.2 初步改進結果

DGS結構初始模型及其尺寸如圖8所示，它是由兩個開口向下的U形槽和一個開口向上的U形槽組合而成。U形槽的尺寸為(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形槽之間的間距為(d1，d2)=(0.2 mm，0.2 mm)。采用微帶線的線寬為0.545 mm，線間距為0.36 mm，PCB板材質為FR4，厚度為0.4 mm，尺寸為50 mm×50 mm，DGS結構位于PCB板的中心。該圖案所占的長=U1+U2+U3+d1+d2=7 mm，寬=w2=7 mm，故所占面積=7 mm×7 mm。

圖8 DGS 結構初始模型

該模型的HFSS全波仿真結果如圖9所示。從圖中可以看到，該共模濾波器的-15 dB截止頻率阻帶范圍為5.6～13.7 GHz，帶寬為8.1 GHz。最低頻率諧振點為5.9 GHz。差模信號的插入損耗在阻帶內小于-3 dB。

圖9 初始模型共模和差模信號的插入損耗

為了減小該圖形的面積，采用如下步驟進行研究。首先將U1的長度減小為3.1 mm，其他尺寸保持不變。改變尺寸后的DGS模型的頻率響應如圖10所示，從圖中可以看出，在-15 dB處，下限截止頻率由原來的5.6 GHz變成了5.75 GHz，升高了0.15 GHz，最低頻率諧振點為6.1 GHz，升高了0.2 GHz。這是由于U1的尺寸減小造成的，在啞鈴型DGS中，DGS結構兩邊矩形方格等效于LC諧振回路中的電感，矩形方格的面積越大，等效電感就越大。在本例中，U1的尺寸減小使得等效電感減小，電感增大引起諧振頻率降低。在本文提出的三個U形相互耦合三極點濾波器中，最低頻率的諧振點與尺寸最大的U形槽以及U1,U2之間的耦合有關。由于U1的等效電感減小,最低頻率諧振點向右移動，從而使下限截止頻率升高。

圖10 改變U1長度后的共模插入損耗仿真圖

初步改進后的三極點DGS濾波器模型如圖11所示，通過在最上面的U形槽兩邊的矩形方格和縫隙交界處刻蝕一個矩形縫隙，矩形縫隙的尺寸為a=1 mm，b=0.3 mm，U1為3.1 mm，其他尺寸保持不變。通過刻蝕矩形縫隙，使U形槽的等效電容增大，有利于使最低諧振頻率點降低。

圖11 初步改進后的三極點DGS濾波器

初步改進后的三極點DGS濾波仿真圖如圖12所示，它的-15 dB下限截止頻率為5.52 GHz，與之前的5.75 GHz相比下降了0.23 GHz，與初始模型的5.6 GHz相比，下降了0.08 GHz。它的最低頻率諧振點為5.9 GHz，與初始模型相同。最上方U形槽的整體尺寸減小又加強了它與中間U形槽的耦合，所以，相比于圖10的模型頻率響應，最低頻率諧振點的降低并沒有引起阻帶內出超過-15 dB的現(xiàn)尖峰。

圖12 初步改進后的三極點DGS濾波仿真圖

2.3 最終確定的三極點共模濾波器模型

現(xiàn)在，對初始模型中最下方的U形槽也應用同樣的改進辦法，最終確定的三極點共模濾波器模型及尺寸如圖13所示,它的尺寸參數(shù)為(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)，與最初的模型相比,上方和下方的“U”形槽變成了“C”形槽，中間的U形槽尺寸沒有改變。

圖13 最終確定的三極點共模濾波器模型

圖14為共模和差模信號插入損耗隨頻率的變化。從圖中可得出，同樣在-15 dB的截止頻率下，它對共模噪聲的阻帶范圍為5.26～14.7 GHz，阻帶帶寬為9.44 GHz。差模信號的插入損耗在14 GHz以下小于-2 dB，這意味著差模信號可以保持良好的信號完整性。相比于最初模型，最終確定的DGS結構所占的長=U1+U2+U3+d1+d2=6.3 mm，寬=w2=7 mm，故所占面積為6.3 mm×7 mm，與最初模型相比減小了10%，此外，它的下限截止頻率和上限截止頻率都有了一定地拓寬，阻帶帶寬比原來的8.1 GHz增加了1.34 GHz。

圖14 6.3 mm×7 mm DGS共模和差模插入損耗仿真圖

3 結論

通過以上的分析與驗證，可以得出，在DGS結構的設計中,選擇合適的尺寸，通過用用“C”形代替“U”形，可以有效的減小DGS結構的面積，且不會引起阻帶變窄。對于現(xiàn)在面積有限的集成電路資源來說可以提高面積的利用率，更能適應微波器件小型化的趨勢，而如何尋找最優(yōu)諧振點以獲得最大阻帶范圍仍是一個難點, 是下一步進行研究的重點。

[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。

陳魯巧(1990-)，女，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事武警信息化方向的研究。申振寧(1976-)，男，陜西高陵人，博士，副教授，碩士研究生導師，主要從事無線通信、射頻電路設計等方向的研究。

1671-4598(2017)08-0248-04

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

TP731

A