抑制同步開(kāi)關(guān)噪聲的超帶寬電磁帶隙結構的研究

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

這一新型結構的設計基于在正方形金屬貼片的四角刻蝕出折線(xiàn)型縫隙以降低貼片的有效電容，應用折線(xiàn)以增加相鄰貼片的有效電感，單元晶格由折線(xiàn)與含有縫隙的 正方形金屬貼片橋接構成。仿真分析結果表明：相比于同參數的Z-bridged EBG電磁帶隙結構，當抑制深度定義為-30dB時(shí)，BS EBG結構阻帶范圍從220MHz到超過(guò)20GHz，相對帶寬增加了約15%，阻帶下限截止頻率降低了110MHz.

0 引言

隨著(zhù)現代高速數字電路的發(fā)展，因為高時(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(kāi)關(guān)噪聲（Simultaneous Switching Noise，SSN）變成人們最關(guān)心的問(wèn)題之一。在印制電路板中當有些有源器件同時(shí)開(kāi)關(guān)時(shí)，所產(chǎn)生的多種諧振模式會(huì )產(chǎn)生同步開(kāi)關(guān)噪聲，這會(huì )引起一系列諸如 信號完整性和電磁兼容的問(wèn)題。

由于在印刷電路板中系統的電磁兼容非常重要，電路設計者必須面對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)被證明不能有效應用于頻率高于600MHz的情況。

最近，電源平面被設計成電磁帶隙（EBG）結構來(lái)消除SSN，特別是在高頻率段應用廣泛。EBG結構從最初的蘑菇型EBG 結構發(fā)展到現在的共面型EBG結構，相對于蘑菇型EBG結構，共面型EBG結構不需要專(zhuān)門(mén)進(jìn)行過(guò)孔柱設計和多個(gè)金屬層。

本文提出了一種新型的超寬帶共面BS EBG結構，其有效阻帶為220MHz~20GHz，覆蓋近20GHz的帶寬。本文BS EBG 結構的關(guān)鍵點(diǎn)是在正方形貼片四角蝕刻折線(xiàn)型縫隙，并且相鄰的單元之間通過(guò)折線(xiàn)形枝節鏈接。折線(xiàn)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，擁有相對寬的帶寬。仿真結果表明：本文EBG 結構可以有效地抑制阻帶的SSN開(kāi)關(guān)噪聲。

1 BS EBG 電源平面的設計與分析

現代高速數字電路的同步開(kāi)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)擴展EBG結構的帶寬。由于大多數的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計的目標。諧振型EBG結構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 結構單元經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計，使該單位可以相當于一個(gè)諧振效應比較強的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，可以增加單元結構的電感值和電容值。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 結構設計是正方形貼片四角蝕刻折線(xiàn)型縫隙，并且相鄰的單元之間通過(guò)折線(xiàn)形枝節鏈接。

本文EBG構造單元如圖1（a）所示，相應的參數a1 =30 mm，a2 = 16 mm，枝節長(cháng)度l1 = 27.4 mm，l2 = 7.4 mm，l3=7.8mm，枝節寬度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結構單元。圖1（c）表示相鄰的BS EBG 單元構造。當電流從左側單元中心流到右側相鄰單元的中心，將流過(guò)相鄰單元之間的金屬枝節。

因此，枝節的有效長(cháng)度越長(cháng)，EBG結構的實(shí)際電感值越大。與傳統的Z-bridged EBG 結構的電流流經(jīng)路徑相比，本文的BS EBG 結構枝節長(cháng)度更長(cháng)，而且對電源平面的損壞更小。因此，相對于Z-bridged EBG 結構，本文的BS EBG結構具有較低的中心頻率和更寬的帶隙。