抑制同步開關(guān)噪聲的超帶寬電磁帶隙結(jié)構(gòu)研究

0 引言

隨著現(xiàn)代高速數(shù)字電路的發(fā)展，因?yàn)楦邥r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)心的問題之一。在印制電路板中當(dāng)有些有源器件同時開關(guān)時，所產(chǎn)生的多種諧振模式會產(chǎn)生同步開關(guān)噪聲，這會引起一系列諸如信號完整性和電磁兼容的問題。

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)計者必須面對如何消除高速電路的SSN 這一問題。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600 MHz的情況。

最近，電源平面被設(shè)計成電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)來消除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)行過孔柱設(shè)計和多個金屬層。

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220 MHz~20 GHz,覆蓋近20 GHz 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~20 GHz,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，同時保持較寬的阻帶的帶寬是設(shè)計的目標(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)過專門設(shè)計，使該單位可以相當(dāng)于一個諧振效應(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(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)長度l1 = 27.4 mm,l2 = 7.4 mm,l3 = 7.8 mm,枝節(jié)寬度w1 = w4 = 0.2 mm,w2 = 0.1 mm,w3 = 0.5 mm,縫隙寬度g1 = g2 = 0.2 mm.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，將流過相鄰單元之間的金屬枝節(jié)。

因此，枝節(jié)的有效長度越長，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)長度更長，而且對電源平面的損壞更小。因此，相對于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。

2 BS EBG 的仿真特性分析

為了驗(yàn)證新型BS EBG結(jié)構(gòu)單元的有效性，設(shè)計一個3×3單元陣列的雙層PCB板。如圖2所示，PCB板尺寸為90 mm×90 mm×0.4 mm,介質(zhì)層厚度為0.4 mm,介質(zhì)材料為FR4,地平面保持連續(xù)完整。為了測試3×3單元陣列對SSN 的抑制特性，如圖2(a)所示，在位于坐標(biāo)(45 mm,45 mm)，(75 mm,45 mm)，(75 mm,75 mm)的三點(diǎn)處，分別加載3個測試端口，坐標(biāo)原點(diǎn)如圖2(b)所示。[!--empirenews.page--]

新型BS EBG 電源平面和Z-bridged 電源平面在0~20 GHz 之間進(jìn)行仿真對比，使用的工具是ANSOFT公司的HFSS 軟件。帶寬定義為S21 參數(shù)的插入損耗小于-30 dB 的范圍。如圖3(a)，(b)所示，新型BSEBG 電源平面的S21 帶寬范圍從220 MHz~20 GHz(19.8 GHz帶寬)，而Z-bridged EBG 結(jié)構(gòu)的仿真S21 的范圍從330 MHz~6.55 GHz(6.22 GHz帶寬)。從圖3(c)可以看出，BS EBG 結(jié)構(gòu)的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)具有良好的一致性。與Z-bridged EBG結(jié)構(gòu)相比較，新型BS EBG的帶寬增加了218.3%,相對帶寬增加了約15%,下限截止頻率降低了110 MHz,幾乎覆蓋了SSN的全部頻帶。

由圖3(d)可以看出，BS EBG的S21 和S31 曲線基本一致。因此，本文的BS-EBG結(jié)構(gòu)可以全方位消除電源平面上的SSN.

3 結(jié)論

本文提出了一種抑制同步開關(guān)噪聲的新型電磁帶隙結(jié)構(gòu)BS EBG.當(dāng)帶寬被定義為-30 dB以下時，新型BS EBG 結(jié)構(gòu)的帶隙范圍為220 MHz~20 GHz.相比于傳統(tǒng)的Z-bridged EBG電源平面，BS EBG電源平面的相對帶寬增加了約15%,下限截止頻率降低了110 MHz,對于同步開關(guān)噪聲具有良好的抑制效果。