2. 清华四川能源互联网研究院, 成都 610000;
3. 电子科技大学, 成都 610000
2. Sichuan Energy Internet Research Institute, Tsinghua University, Chengdu 610000, China;
3. University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610000, China
在高速数据采集终端中,常用差分线承载高速数字信号的传输,以提高抗干扰性能。然而,当高速采集终端与无线设备共存时,采集终端与无线设备之间的电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)问题经常发生。以当前5G高速采集系统为例,系统存在5G基站与高速信号(千兆级)采集终端的互扰现象。为解决这一问题,通常采用的方法是在印制板上加装EMI滤波器,但EMI滤波器存在频点固定和成本高等缺点,难以满足实用需求。
因此,小型化、低成本的印制式差分滤波器成为当前研究热点。近年来,国内外学者提出了多种新型差分滤波器。文[1]将阶梯阻抗多模谐振器与并联耦合线结合,构成了一种新型宽带滤波器。文[2]设计了一种可通过移相器实现同相与异相间宽带转换的滤波器,同异相宽带转换优化了滤波器的共模抑制性能。文[3]设计了一种基于氧化铝薄膜材料设计的差分滤波器,但通带内的插入损耗较大,超过了4.0 dB,且对加工工艺有较高要求。文[4]设计了一种平行耦合线结构的双频点差分滤波器,但整体尺寸较大。文[5]基于槽线结构的阶梯阻抗谐振器设计了一款带通滤波器,近通带处有2对传输零点,具有较好的矩形系数,但设计难度较大,性能一致性难以保证。文[6]结合差分微带槽线与微带谐振器的特点,设计了一种多层分布的差分带通滤波器,但共模抑制性能有待提高。文[7]基于2个C形和1个H形缺陷地结构设计了低通滤波器,但通带内的插入损耗较大,通带外的抑制明显不足。
本文基于阶梯阻抗谐振器,提出了一种分布式印制差分低通滤波器,可利用简单综合工具进行设计,且电路结构可用于各类射频系统的多层印制电路板(printed circuit board,PCB),成本低廉,便于工程化应用。
1 滤波器综合过程本章讨论由单端LC低通滤波器到分布式差分滤波器(差分LC低通滤波器)的综合过程。
图 1为利用经典滤波器综合方法获得的单端LC低通滤波器[8]。
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图 1 单端LC低通滤波器 |
在考虑高频寄生参数、谐波抑制等因素的前提下,采用阶梯阻抗谐振器代替原有LC元件,能有效改善滤波器性能。阶梯阻抗谐振频率易通过传输线尺寸进行控制。阶梯阻抗枝节的谐振条件为
$ \frac{Z_2}{Z_1}=\tan \theta_1 \tan \theta_2. $ | (1) |
其中:Z1和Z2分别为2段不同传输线的特性阻抗,θ1和θ2分别为2段不同传输线的电长度[9]。
传输线阻抗关系为
$ Z_{\text {in }}=Z_0 \frac{Z_{\text {Load }}+\mathrm{j} l Z_0 \tan \beta}{Z_0+\mathrm{j} l Z_{\text {Load }} \tan \beta}. $ | (2) |
其中:Zin为传输线输入阻抗;Z0为传输线特性阻抗;ZLoad为传输线负载阻抗;l为传输线长度;β=2π/λ,λ为电信号在传输线上传播的波长;j为虚数符号。
当ZLoad
$Z_{\text {in }}=Z_{\text {Load }}+\mathrm{j} l \omega L . $ | (3) |
其中ω为角频率。
当ZLoad
$ \frac{1}{Z_{\text {in }}}=\frac{1}{Z_{\text {Load }}}+\mathrm{j} l \omega C . $ | (4) |
由式(3)和(4)可知,可将高阻抗传输线等效为电感元件,低阻抗传输线等效为电容元件,实现单端LC低通滤波器到单端微带滤波器的转换。
差分电路的设计有多种形式,其中较简便的是在单端LC低通滤波器的基础上进行对称设计,由此可以得到图 2的差分LC低通滤波器[10]。其中,u′ in为差分信号负极输入,u′ out为差分信号负极输出。考虑到共模抑制性能的要求,需对LC元件进行等值处理,即L1=L4,L2=L5,L3=L6,C1=C5,C2=C6,C3=C7,C4=C8。
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图 2 差分LC低通滤波器 |
由图 2可知,各个电感可由松耦合的差分线对实现,而并联双线之间的电容可由紧耦合的差分线对实现。
2 滤波器设计在基于阶梯阻抗谐振器的低通滤波器的设计中,高、低阻抗的阻抗差越大,越有利于缩小滤波器尺寸[6]。本文采用分布式印制设计差分低通滤波器时,不仅参考了上述思路,进一步缩小器件体积,还考虑了传输线对地阻抗的影响,在设计时选用不接地的独立双线差分线对,其PCB层压结构如图 3所示。PCB板材(图 3中白色部分)型号选用介电常数为4.2的FR4,层压结构为3层,2层介质(图 3中蓝色部分)的厚度分别为0.127 mm(图 3中顶层至中间层介质)和0.508 mm(图 3中底层至中间层介质)。
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图 3 PCB层压结构 |
分布式印制差分低通滤波器电路如图 4所示。
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图 4 分布式印制差分低通滤波器电路 |
分布式印制差分低通滤波器局部设计电路及局部设计参数分别见图 5和表 1。最终所设计的滤波器的面积大小为22 mm×16 mm。
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图 5 局部设计电路 |
3 仿真与测试
采用ADS仿真软件的矩量法对设计的滤波器进行仿真优化。仿真设计电路和测试结果分别如图 6和7所示。图 7中,S11为输入反射系数,S21为正向传输系数。
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图 6 仿真设计电路 |
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图 7 仿真测试结果 |
仿真测试结果表明:该分布式印制差分低通滤波器的截止频率为3.5 GHz,通带内的插入损耗小于0.5 dB,回波损耗大于20.0 dB。为了验证仿真测试结果,对设计的滤波器进行实物加工,PCB 3D模型及实物分别如图 8和9所示。
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图 8 PCB 3D模型 |
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图 9 实物 |
为方便使用双端口矢量网络分析仪测试所设计的滤波器的性能,在实际电路中,接头处连接2个来自Mini-circuits的TCM-43X+宽带巴伦(balun)。
测试与仿真结果对比如图 10所示。可以看出,测试曲线与仿真曲线基本吻合,但600.0 MHz频率以下的S11的测试结果与仿真结果重合性较差,经与巴伦频响曲线对比,发现此处反射异常由巴伦引起。
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图 10 测试与仿真结果对比 |
分布式印制差分低通滤波器的通带范围为0~3.5 GHz,覆盖了数据采集终端的工作频率,可有效提升抗干扰性能。
4 结论本文基于阶梯阻抗谐振器,提出了一种分布式印制差分低通滤波器。通过松耦合等效电感、紧耦合等效电容及微带线折叠,设计的差分低通滤波器能采用多层PCB实现,可用于高速数据采集终端,有效解决了高速采集和无线互联的互扰问题。此外,其他形式的差分滤波器也可采用该分布式印制方法。
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