抑制SSN的新型內(nèi)插L-EBG結構

摘要：本文提出的是一種基于平面型EBG (Electromagnetic Bandgap)結構的創(chuàng)新型結構，對于同步開關噪聲(Simultaneous Switching Noise, SSN)的抑制有更優(yōu)秀的特性。我們設計的這款新型EBG結構，是在周期性L-bridge EBG結構的基礎上，在一些單元內(nèi)插小型的L-bridge EBG。通過仿真驗證，此結構具有傳統(tǒng)型L-bridge EBG結構所不具有的超帶寬抑制能力和較大的抑制深度。然后我們運用電路模型和平行板諧振腔原理分析了該結構上下變頻。另外，通過3-D仿真，得到結構的IR-Drop和直流阻抗。最后，通過眼圖驗證該結構的信號傳輸特性。

引言

　　近年來，隨著電子系統(tǒng)的工作頻率越來越高，邊沿速率越來越快，供電電壓越來越低^[1]，造成電壓噪聲容限下降，使得SSN已成為高速數(shù)字電路設計的難點之一。由于SSN會造成嚴重的信號完整性或電源完整性問題，為了保證系統(tǒng)正常工作，對SSN的抑制尤為重要^[2-3]。

　　EBG結構是有效抑制SSN的方法之一。目前，已經(jīng)發(fā)展出多種EBG結構，例如以蘑菇型EBG(Mushroom-type EBG)結構為代表的3D 嵌入式EBG結構^[4-8]和以L-Bridge EBG結構為代表的共面型EBG(Coplanar compact EBG)結構^[2，9-13]。

　　本文提出了一種新型L-bridge EBG結構。該結構每個單元的電源平面插入小型的L-EBG，地平面保持完整。并通過仿真，在抑制深度為-30dB時，帶寬從461 MHz一直延伸到12GHz。

1 新型內(nèi)插L-EBG結構方法的分析設計

　　新結構是在3×3單元組成的90×90×0.4mm³周期性L-Bridge EBG結構基礎上，有選擇性地在原單元中心區(qū)域挖空并插入小型L-Bridge EBG結構。其中L-Bridge單元結構如圖1(a)，內(nèi)插的L-Bridge單元結構如圖1(b)所示。此結構僅在電源平面進行開槽，地平面則保持完整。具體參數(shù)如下所示：a₁=30mm,a₂=15.9mm,b₁=28.2mm,b₂=14.3mm,b₃=14mm,g₁=0.3mm,g₂=0.5mm,g₃=0.9mm,g₄=0.5mm,w₁=0.2mm,w₂=0.1mm,w₃=0.2mm,w₄=0.2 mm。介質為介電常數(shù)εr=4.4，耗散因子為tanδ=0.02的FR4材料。介質厚度為0.4mm，銅箔厚度為0.035mm。如圖2所示，為驗證此結構對于SSN噪聲的抑制能力，共設定4個50Ω的集總同軸端口，各個端口的物理位置為：(30mm，30mm，0mm)，(0mm，60mm，0mm)，(-30mm，30 mm，0mm)和 (-30mm，0mm, 0mm)，其中將Port1設為輸入端口，剩余端口均設定為輸出端口。

　　為得到所提出結構的電源噪聲抑制能力，通過Ansoft HFSS 15軟件對此結構進行了電磁仿真，最終得到所需端口間的S參數(shù)的幅值，如圖3所示。從圖3可以看出，在-30 dB抑制深度下，新型選擇性內(nèi)插式EBG結構的噪聲抑制效果良好，阻帶從461 MHz左右延伸到12 GHz并覆蓋所有所設端口，具有超帶寬抑制能力。

　　圖4所示為新型L-EBG與傳統(tǒng)的L-bridge EBG結構(沒有內(nèi)插的L-EBG結構，其他尺寸保持相同)、完整地平面的電源噪聲抑制能力的對比。不難看出，在-30dB為參考標準的抑制深度下，提出的結構與傳統(tǒng)的L-EBG結構下截止頻率大致相同，但是很顯然新結構的上截止頻率相比于開槽型L-bridge EBG結構要大很多，增加了近7.2GHz?？梢娦绿岢龅腅BG結構具有較大的帶寬優(yōu)勢。

2 上下邊頻估算

2.1 下邊頻估算

　　共面型EBG結構的下邊頻一般在幾百兆頻帶內(nèi)，而EBG結構單元的周期長度一般僅為數(shù)十毫米。EBG結構工作在這頻率段內(nèi)時，其幾何長度與工作波長相比可忽略不計。因此在低頻段，EBG結構在功能上等同于由多個集總電路元件組成的低通濾波器。這些元件由EBG單元的總體尺寸決定。這些集總元件包括平面電容C_p及寬導體方形平面回路電感Lp，橋連線電容C_b、電感Lb以及單元塊間隙耦合電容Cg。這些參數(shù)的表達公式分別如下^[14-15]：

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(3)

(4)

(5)

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第52頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。