抑制同步開關(guān)噪聲的超帶寬電磁帶隙結(jié)構(gòu)的研究

本文針對(duì)抑制印刷電路板中電源平面與接地平面之間的同步開關(guān)噪聲問(wèn)題，提出了一種新型的二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)（BS EBG）。其有效阻帶為220 MHz~20GHz，覆蓋近20GHz 的帶寬。

這一新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基于在正方形金屬貼片的四角刻蝕出折線型縫隙以降低貼片的有效電容，應(yīng)用折線以增加相鄰貼片的有效電感，單元晶格由折線與含有縫隙的 正方形金屬貼片橋接構(gòu)成。仿真分析結(jié)果表明：相比于同參數(shù)的Z-bridged EBG電磁帶隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)抑制深度定義為-30dB時(shí)，BS EBG結(jié)構(gòu)阻帶范圍從220MHz到超過(guò)20GHz，相對(duì)帶寬增加了約15%，阻帶下限截止頻率降低了110MHz.

0 引言

隨著現(xiàn)代高速數(shù)字電路的發(fā)展，因?yàn)楦邥r(shí)鐘速率和低電壓電平等原因，電源平面和地平面之間的同步開關(guān)噪聲（Simultaneous Switching Noise，SSN）變成人們最關(guān)心的問(wèn)題之一。在印制電路板中當(dāng)有些有源器件同時(shí)開關(guān)時(shí)，所產(chǎn)生的多種諧振模式會(huì)產(chǎn)生同步開關(guān)噪聲，這會(huì)引起一系列諸如 信號(hào)完整性和電磁兼容的問(wèn)題。

由于在印刷電路板中系統(tǒng)的電磁兼容非常重要，電路設(shè)計(jì)者必須面對(duì)如何消除高速電路的SSN 這一問(wèn)題。為了抑制SSN，人們已經(jīng)提出了許多種方法，其中添加電源平面和接地平面之間的去耦電容是最常用的方法。

由于去耦電容中存在寄生電感，寄生電感會(huì)產(chǎn)生自諧振與去耦電容，這限制了它的頻率帶寬，所以這種方法已經(jīng)被證明不能有效應(yīng)用于頻率高于600MHz的情況。

最近，電源平面被設(shè)計(jì)成電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)來(lái)消除SSN，特別是在高頻率段應(yīng)用廣泛。EBG結(jié)構(gòu)從最初的蘑菇型EBG 結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)在的共面型EBG結(jié)構(gòu)，相對(duì)于蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)，共面型EBG結(jié)構(gòu)不需要專門進(jìn)行過(guò)孔柱設(shè)計(jì)和多個(gè)金屬層。

本文提出了一種新型的超寬帶共面BS EBG結(jié)構(gòu)，其有效阻帶為220MHz~20GHz，覆蓋近20GHz的帶寬。本文BS EBG 結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)是在正方形貼片四角蝕刻折線型縫隙，并且相鄰的單元之間通過(guò)折線形枝節(jié)鏈接。折線形縫隙大大增加相鄰的電磁帶隙單元之間的電感，它可以有效地 抑制低頻段的SSN，擁有相對(duì)寬的帶寬。仿真結(jié)果表明：本文EBG 結(jié)構(gòu)可以有效地抑制阻帶的SSN開關(guān)噪聲。

1 BS EBG 電源平面的設(shè)計(jì)與分析

現(xiàn)代高速數(shù)字電路的同步開關(guān)噪聲范圍為100 MHz~20GHz，為了有效地消除這種寬帶噪聲，人們已經(jīng)嘗試了很多方法來(lái)擴(kuò)展EBG結(jié)構(gòu)的帶寬。由于大多數(shù)的SSN在低頻帶產(chǎn)生，因此，如何降低阻帶的下限截止頻率，同時(shí)保持較寬的阻帶的帶寬是設(shè)計(jì)的目標(biāo)。諧振型EBG結(jié)構(gòu)其周期單元本身具有諧振效果，在帶隙形成中起 主要作用。新型EBG 結(jié)構(gòu)單元經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，使該單位可以相當(dāng)于一個(gè)諧振效應(yīng)比較強(qiáng)的LC并聯(lián)電路。

由于EBG單元在諧振狀態(tài)下電抗為無(wú)窮大，因此，可以防止在諧振頻率附近的電磁波傳播，形成特定頻率帶隙。帶隙的中心頻率和相對(duì)帶寬近似地由表面單元的等效電容C 和等效電感L決定。

為了減少帶隙的中心頻率，如式（1）所示，可以增加單元結(jié)構(gòu)的電感值和電容值。由式（2）可以知道，帶寬與電容值的平方根成反比。因此，基于以上的考慮，增加單元的等效電感值，可以有效地降低帶隙的中心頻率，并提高其阻帶的帶寬。

本文所提出的BS EBG 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是正方形貼片四角蝕刻折線型縫隙，并且相鄰的單元之間通過(guò)折線形枝節(jié)鏈接。

本文EBG構(gòu)造單元如圖1（a）所示，相應(yīng)的參數(shù)a1 =30 mm，a2 = 16 mm，枝節(jié)長(zhǎng)度l1 = 27.4 mm，l2 = 7.4 mm，l3=7.8mm，枝節(jié)寬度w1=w4=0.2mm，w2=0.1mm，w3=0.5 mm，縫隙寬度g1=g2=0.2mm.圖1（b）所示為作為參考的Z-bridged EBG結(jié)構(gòu)單元。圖1（c）表示相鄰的BS EBG 單元構(gòu)造。當(dāng)電流從左側(cè)單元中心流到右側(cè)相鄰單元的中心，將流過(guò)相鄰單元之間的金屬枝節(jié)。

因此，枝節(jié)的有效長(zhǎng)度越長(zhǎng)，EBG結(jié)構(gòu)的實(shí)際電感值越大。與傳統(tǒng)的Z-bridged EBG 結(jié)構(gòu)的電流流經(jīng)路徑相比，本文的BS EBG 結(jié)構(gòu)枝節(jié)長(zhǎng)度更長(zhǎng)，而且對(duì)電源平面的損壞更小。因此，相對(duì)于Z-bridged EBG 結(jié)構(gòu)，本文的BS EBG結(jié)構(gòu)具有較低的中心頻率和更寬的帶隙。