CN102033976A - 一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构，此结构是一种共面紧致型电磁带隙结构，它是在完整的电源金属平面上利用激光刻蚀工艺刻出，此结构为周期结构，周期单元形状是四个边均连接有弧型连接桥的方形金属贴，各个周期单元的连接方式是利用周期单元各边的弧型连接桥连接；紧致型电磁带隙结构的响应由三个参数决定：阻带的起始端，阻带的带宽，以及阻带中可达到的隔离度；紧致型电磁带隙结构的设计分两步：第一步，由一个单一的单元格计算出色散图；第二步计算S参数；本发明提高了电源平面供电面积，并实现了同时抑制供电系统电源噪声的高频和超高频部分。它在高速电路技术领域里具有实用价值和广阔地应用前景。

Description

一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构

(一)技术领域

本发明涉及一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构，该紧致型电磁带隙结构可以抑制高速电路电源分配系统的高频及超高频电源噪声。本发明属于高速电路领域。

(二)背景技术

随着电子产品向小型化和高集成度发展，电子产品的电源分配系统的结构也发生变化以支持系统越来越高的速度。最开始的电源分配系统是离散的电源馈线，之后发展到离散的电源地走线，继而到电源地填充和分割，最后发展为当今的多层高速电路的平面电源总线结构。高速电路电源分配系统的用途是提供晶体管执行芯片逻辑功能所需的电压与电流。平面电源分配系统的组成非常复杂，互连结构异常庞大。特别是最近10年来，芯片内集成的晶体管门数增加、器件所消耗的功率和电流增大以及器件的供电电压降低，使得电源分配系统成为高速电路设计的瓶颈之一。当代高速电源分配系统设计除了要保证基本电源配送功能外，还要考虑到信号完整性和电磁辐射等性能指标。

在印刷电路板上，电源分配系统由电源模块、电源地平面、各种电容组成。它们分别在不同的频率范围内做出响应。电源模块响应的频率范围大约是从直流到1kHz，大的电解电容提供电流并在1kHz到1MHz的范围内保持较低阻抗，高频陶瓷电容在1MHz到几百MHz的频率范围内保持较低阻抗，PCB板上的电源地平面对则在100MHz以上发挥重要作用。

电源地平面结构是当代平面电源分配系统功率传输性能最优良的部分，其有效频率非常高。印刷电路板和封装中都可以包含电源地平面对。电源地平面的主要问题就是它表现为电磁谐振腔，当高速信号切换参考平面时，整个电源地平面对构成了返回路径，高速切换的返回电流将注入到电源地平面对中，由于电源地平面构成的平面谐振腔具有固有的谐振频率。当信号的频率分量落在平面对的谐振平面上时，平面对的谐振模式就会被激励。在平面的谐振频率上，自阻抗和互阻抗的幅度可以达到很高值，这样就会导致信号完整性问题。另外在某种意义上，电源地平面对相当于于一个微波贴面天线，会成为印刷电路板和封装的主要噪声源。

同时，电源分配系统在不同的频率上，阻抗特性不同，这样在瞬间电流通过的时候就会产生一定的电压降和电压摆动，造成供电不连续，产生电源噪声。主要表现在电源噪声会降低射频/模拟电路的噪声容限，使芯片不能正常工作，增加数字电路的误动作，但是只有引入电源地平面，高速电路的互联速度才能提高。并能提供性能优异的电荷传输和交换平台。

从系统集成方面看，电子产品不可避免的包含数字和模拟、射频模块，电源系统的地面弹射噪声和同步开关噪声就成为产品设计的一个主要瓶颈。对于高速数字电路来说：电源噪声分为四个部分：(1)超高频率噪声，10GHz到100GHz(2)高频噪声，100MHz到1000MH(3)中频噪声，1MHz到10MHz，(4)低频噪声，1kHz到100kHz。传统的使用去耦电容抑制噪声的方法在低频到中频范围内很有效，但是在高频频段由于电容的高频自谐振特性会失效。

为了解决这个问题，电磁带隙结构被引入高速电路领域，电磁带隙结构能够有效解决高频(0.4GHz以上)的电源完整性问题。在电磁带隙结构的阻带内，表现出一种奇特的电磁特性，它为两平面间的高频电源提供了低阻抗通路，两参考平面交流短路，这就使得电源地平面产生的噪声迅速通过本地阻抗通路形成回路，不能向外传播，从而有效抑制集成电源系统中的地弹噪声和同步开关噪声，保证信号完整性和避免模块间的电磁干扰。

电磁带隙材料的概念来自光子晶体概念的推广，光子晶体是一种非常典型的光子带隙材料，利用光子晶体的禁带机制，可以对光进行更加自如的控制。随后，发现光子晶体的奇异特性可以推广到电磁频谱。电磁带隙材料的概念开始变得重要起来。电磁带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波，当电磁波在电磁带隙材料中传播时，受到材料谐振特性的影响，形成能带结构。能带与能带之间形成带隙，即电磁带隙，波长处在电磁带隙内的电磁波不能在该材料中传播。

早期的电磁带隙结构主要是由二维介质板打空气孔的介质型结构构成。这种介质型的电磁带隙结构，其带隙产生的机理属于布拉格散射机制，因此要形成带隙需满足以下条件：

$2k=k_{\mathrm{Bragg}}=\frac{2\mathrm{\π}}{a}$

其中a为结构周期尺寸，k为导波波长对应的波数。由于k＝2π/λ_g，所以

$a=\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{2}$

上式表明，介质型电磁带隙结构的实现要求其周期为频率禁带中心频率对应导波波长的1/2。所以，介质型电磁带隙结构虽然带隙特性较好，但是由于体积较大，不适合实际应用。

随后，国外的学者提出了蘑菇状的电磁带隙结构，这种结构制作在普通的微带基片上，微带介质的一侧印制有周期排列的金属片，并通过短路过孔和另一侧的接地金属板相连接，这种结构增加了一层金属层，并且电磁带隙表面的连接孔占用了大量的板面积，限制了布线空间和自由度。也有学者提出了共面型的电磁带隙结构，这种结构不同于以往的结构，它不存在导电过孔，加工工艺简单。而且我们还可以实现目标阻抗的降低，弥补去耦电容高频自谐振的漏洞。

虽然电磁带隙结构可以弥补去耦电容高频自谐振的漏洞，但是现代电子产品的工作频率越来越高，并且其工作带宽很宽。比如，一个电子系统中的1GHZ微处理器可能会以1GHz的频率执行操作指令，引起1GHz频率处的电压波动。与此同时，微处理器可能以400MHz的工作频率向PCB上的缓存单元写入数据，并且在1MHz操作测试总线来测试硬件。这种开关活动可能引起某个频带范围内的电压波动。以往的工程师设计电磁带隙结构只关注了高频噪声而忽略了超高频噪声。并且已经研究过的电磁带隙结构对电源或地平面分割严重，会对高速电路的信号完整性带来严重的影响。为了综合考虑电源分配系统的特性要求，本发明提出了高频及超高频范围内都能提供良好抑制效果的新型共面紧致型电磁带隙结构。

(三)发明内容

(1)发明目的：

由于在高频、超高频频率范围内，高速电路的电源分配系统容易受到高速信号的激励而产生噪声，且传统添加去耦电容的方法不能应用在如此高的频率范围内。同时，已经研究过的蘑菇型电磁带隙结构虽然能够抑制噪声，但是生产成本高；其他紧致型电磁带隙结构对电源或地平面分割严重，在保证电源完整性的情况下会对信号完整性或数据完整性产生不好的影响。本发明的目的是提供一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构，这种新型的电磁带隙结构，用来抑制高速数字电路中电源分配系统在高频和超高频频段内的地面弹射噪声和同步开关噪声。这种新型结构对电源平面分割较小，因此对高速信号的完整性不会产生致命的影响，且本发明中电磁带隙结构单元间通过特殊的S型结构连接可以使单元耦合更加紧密，大大减小了单元间的缝隙宽度，有效缩小了电磁带隙结构的尺寸，有利于电路的集成。

(2)技术方案：

1.紧致型电磁带隙结构的单元设计

只要周期性电磁带隙结构的每个单元尺寸比其上传播的信号波长小得多，电磁带隙结构即EBG就能用等效并联LC谐振电路表示，其中，L和C为EBG结构的等效电感和等效电容。本发明中的电磁带隙结构单元由方形贴片和S形连接臂构成。如图1所示。图中的S形连接臂起电感的作用，结构单元间存在电容效应，从而形成高阻抗表面，可等效成并联LC谐振电路，抑制特定频带内的电磁波传播。这一特定频带的中心频率和相对带宽近似由表面单元等效电容C和等效电感L决定：

${\mathrm{\ω}}_0=1/\sqrt{\mathrm{LC}}$

$\mathrm{BW}=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{1}{\mathrm{\η}}\sqrt{\frac{L}{C}}$

其中η是自由空间波阻抗，ω₀是中心频率，BW是相对带宽。通过对单元结构尺寸的改变，可以控制其等效LC，从而可以控制带隙中心频率和相对带宽。

传统紧致型电磁带隙结构对单元空间利用不够充分，单元的中间部分有相当大的冗余空间。本发明中，利用S形连接臂将方形贴片连接在一起，各单元可以紧密耦合，提高了单元的空间利用率，同时增大了单元等效LC电路的等效电感和等效电容。使得电磁带隙结构具有了相对宽的带宽和更小的尺寸。

2.紧致型电磁带隙结构的参数设计

紧致型电磁带隙结构的响应由三个参数决定：阻带的起始端，阻带的带宽，以及阻带中可达到的隔离度。阻带的起始端和带宽取决于紧致型电磁带隙结构的色散图，它可通过假设紧致型电磁带隙结构的周期无限长对一个单一单元格的分析而获得。通过提取有限尺寸紧致型电磁带隙结构的S参数，可确定需要的隔离度。可实现的隔离度随紧致型电磁带隙结构单元格数目的增加而提高。

紧致型电磁带隙结构的设计分两步。第一步，由一个单一的单元格计算出色散图。色散图提供了阻带的起始端和带宽信息。它并没有涉及隔离度。色散图是一副作为频率函数的传播常数曲线图。传播常数与频率间的关系确定了紧致型电磁带隙结构的通带，表明电磁波可以在这个频带范围内传播。假设传播常数与频率间没有关系，或者相位常数是纯虚数，那么电磁波将被衰减或无法再这个频带范围传播，成为一个阻带。使用色散图可以获得紧致型电磁带隙结构作为隔离结构使用的区域。

本发明使用了一种通用的二维色散图分析方法。这种方法适用于二维紧致型电磁带隙结构，单元结构及端口分配如图1。

在x、y方向上，我们使用下面的网络矩阵来描述紧致型电磁带隙结构的响应。

$\left(\begin{array}{c}{V}_1\\ I_1\\ V_2\\ I_2\end{array}\right)=\stackrel{=}{F}\left(\begin{array}{c}{V}_3\\ -I_3\\ V_4\\ {-I}_4\end{array}\right)$

其中下表表示端口电压或电流，

中包含单元格感兴趣端口的频率响应。基于上述矩阵，可以应用下面的特征值方程得到二维色散图，假设横向周期无限长：

$\{\stackrel{=}{F}-\left(\begin{array}{cccc}{e}^{{\mathrm{\γ}}_x{d}_x}& & & \\ & e^{{\mathrm{\γ}}_x{d}_x}& & \\ & & e^{{\mathrm{\γ}}_y{d}_y}& \\ & & & e^{{\mathrm{\γ}}_y{d}_y}\end{array}\right)\}\left(\begin{array}{c}{V}_3\\ {-I}_3\\ V_4\\ -I_4\end{array}\right)=0$

其中，

为+x方向上间隔dx的传播系数，

为+y方向上间隔dy的传播系数，dx、dy是单元格的长和宽。计算出单元的色散图后，我们就知道了紧致型电磁带隙结构的带隙特征。

第二步计算S参数。为了计算出S参数，我们用三维电磁仿真软件对有限尺寸紧致型电磁带隙结构进行建模计算。本发明中的测试模型由电源层，介质层和地层构成，它们之间的位置连接关系如图3：其中1为电源层位于顶层，3为地层位于底层，中间2是介质层。其中，该电源层被设计成紧致型电磁带隙结构，该地层为完整的金属平面，该介质层为1毫米厚的FR4介质材料。

所述紧致型电磁带隙结构如图4，它是在完整的电源金属平面上利用激光刻蚀工艺刻出，此结构为周期结构，周期单元形状是四个边均连接有弧型连接桥的方形金属贴片，如图1。各个周期单元的连接方式是利用周期单元各边的弧型连接桥连接，如图4。根据不同工程应用，不同的尺寸大小可以在电源平面上蚀刻出相应不同数量的周期单元。只要周期单元数量在电源平面结构的横向和纵向超过三个就可以提供很好的抑制作用。为了仿真计算和测试出紧致型电磁带隙结构的隔离深度，在电源平面相应位置处添加两个离散端口，如图5所示。紧致型电磁带隙结构材料采用双面覆铜板，该结构的具体构建方法已另有专利申请，不再赘述。

3、优点及功效：本发明一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构的优点在于：

(1)在设计过程中，只对电源平面做少量的分割以形成紧致型电磁带隙结构，可以使紧致型电磁带隙结构的单元紧密耦合，最大限度的提高电源平面供电面积，易于元器件布局；

(2)采用现有常规印刷电路板制造工艺就能够实现，成本较低；

(3)实现了同时抑制供电系统电源噪声的高频和超高频部分；

(4)对电源系统噪声超高频10GHz-13GHz、16GHz-30GHz部分抑制可以达到-30dB以下。

(四)附图说明

图1是本发明中共面紧致型电磁带隙结构单元示意图。

图2是本发明中编辑紧致型电磁带隙结构的缝隙示意图。

图3是本发明中电磁带隙结构主示意图。

图4是本发明中电磁带隙结构的俯视图。

图5是本发明中离散端口放置示意图。

图6是电磁带隙结构两个离散端口在0-2GHz的S参数。

图7是电磁带隙结构两个离散端口在0-30GHz的S参数。

图中符号说明如下：

1电源层；2介质层；3地层。

A、B、C、D缝隙臂；a缝隙臂长；b缝隙终端大圆弧；c缝隙终端小圆弧。

4单元终端。

(五)具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构，提出了一种新型的紧致型电磁带隙结构，该结构将电磁带隙结构单元的终端设计为S形，可以使结构耦合紧密，产生的电磁带隙可以抑制高频及超高频的电源噪声。该共面紧致型电磁带隙结构是由一个电磁带隙结构单元在一个平面上周期延拓构成的。

本发明中的电磁带隙结构仿真计算模型由电源层，介质层和地层构成，它们之间的位置连接关系如图3：其中1为电源层位于顶层，3为地层位于地底层，中间2是介质层。其中，该电源层被设计成紧致型电磁带隙结构，该地层为完整的金属平面，该介质层为1毫米厚的FR4介质材料。

所述紧致型电磁带隙结构如图4，它是在完整的电源金属平面上利用激光刻蚀工艺刻出，此结构为周期结构，周期单元形状是四个边均连接有弧型连接桥的方形金属贴片，如图1。各个周期单元的连接方式是利用周期单元各边的弧型连接桥连接，如图4。根据不同的工程应用需要，仿真计算模型具体的尺寸大小决定了可以在电源平面上蚀刻出的相应数量周期单元。只要周期单元数量在电源平面结构的横向和纵向超过三个就可以提供很好的抑制作用。为了仿真计算和测试出紧致型电磁带隙结构对电源分配系统噪声的抑制作用，在电源平面相应位置处添加两个离散端口，如图5所示。

参见图1所示，本发明一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构，需要用到一台可以运行CST软件的电脑进行建模和仿真计算。该紧致型电磁带隙结构构建方法具体步骤如下：

步骤一：首先建立地平面的模型，模型如图3。用CST软件中画长方形的工具画出大小为100mm×60mm地平面，地平面的材料选用CST材料库中的铜。

其次建立介质层模型，用CST软件中画长方体的工具画出100mm×60mm×1mm的立方体，长方体底面和地平面重合。长方体材料设置为CST材料库中的FR4，介电常数为4.9，磁导率为1，损耗角正切为0.025。

然后建立电源平面的模型，用CST软件中画长方形的工具画出大小为100mm×60mm电源平面，材料为铜，磁导率为1，电导率为5.8e+007(s/m)。电源平面和介质层上表面重合。

步骤二：利用CST软件的建模工具将电磁带隙结构仿真计算模型的电源平面编辑为平面紧致型电磁带隙结构。首先利用CST软件画出单元间的缝隙，缝隙结构参照图2。其中缝隙1的臂长a为2.2mm，宽0.2mm，缝隙终端为两段圆弧，大圆弧b的外半径为1.5mm，内半径为1.3mm大圆弧b和缝隙臂a在缝隙臂a右端垂直相交；小圆弧c的外半径为0.703mm，内半径为0.55mm，大圆弧b圆心向右移动1.7mm，向下移动1.1mm为小圆弧c的圆心。缝隙臂B、C、D依次为缝隙臂A逆时针旋转90度、180度和270度。然后利用CST软件的平移功能将画好的单元缝隙向X、Y方向周期延拓。最后使用CST软件的布尔减工具，把全部缝隙从电源层减去，剩下的部分就是平面紧致型电磁带隙结构。

步骤三：在CST软件中截取电磁带隙结构的一个单元进行色散图分析，根据不同的工程应用需要，对单元结构进行调整。将调整好的结构替代原来的结构。

步骤四：添加离散端口计算供电系统的传输S参数。根据已经建好的平面紧致型电磁带隙结构，在仿真计算模型两端添加离散端口，端口一端接电源层，另一端接地层。端口方向为连接电源层一端为正，连接地层一端为负。具体端口坐标位置为端口1的正负端坐标分别为(41.5，23，0)，(41.5，23，-1)端口2的正负端坐标分别为(-23，23，0)(-23，23，-1)。将端口1设置为激励源，利用CST软件的时域仿真工具计算两个端口的S参数。根据实际要求，将S型连接臂宽度长设为a，缝隙宽度设为w，在CST软件中进行参数扫描、优化设计，使电磁带隙结构在高频1GHz和超高频大于5GHz处形成带隙。

步骤五：根据步骤三确定的最优尺寸，加工制作电磁带隙结构。使用激光刻蚀的工艺加工本发明的电磁带隙结构。这里选用FR4基材，介电常数为4.9，厚度为1mm，材料上下表面为铜膜。在仿真模型添加离散端口处打通孔，使用SMA头进行馈电，将SMA头的同轴探针焊接在电磁带隙结构平面，SMA头的接地端焊接在接地平面(完整的敷铜平面)。SMA系列是一种应用广泛的小型螺纹连接的同轴连接器。SMA系列采用英制螺纹连接，强度高，抗震性好。外导体端面和地平面直接接触，使插入损耗降到最低。使用安利矢量网络分析仪进行测试，扫描频率设置为0-30GHz测试结果直接由GPIB卡读出。

如图6所示，测试的电源分配系统的两个离散端口在0-2GHz频率范围内，电磁带隙-20dB带宽达到了800MHz，-30dB带宽达到了600MHz，带隙宽度覆盖了0.8GHz到1.6GHz频率范围，可以很好的抑制高速电路的的高频噪声。

如图7所示，测试的电源分配系统的两个离散端口在0-30GHz频率范围内，电磁带隙10GHz-13GHz、16GHz-30GHz部分抑制可以达到-30dB以下，对高速电路的超高频噪声可以起到很好的抑制作用。

本发明将电磁带隙结构单元的终端用S形结构连接，增加了单元的耦合程度，提高了电源层供电平面的面积，并且可以抑制电源系统超高频段的噪声。

在混合电路系统中，不同电路模块间的噪声耦合是一个关键的问题。当用一个相同的电源为数字和射频电路供电时，封装中的电源和地平面可能成为主要的噪声耦合源。敏感的模拟信号必须从这种数字开关噪声中隔离开来。并且随着电路系统速度不断提高，信号的上升时间不断缩短，系统的带宽将不断拓宽。在一个电源/地平面对上，本发明的电磁带隙结构可以在高频及超高频提供隔离。为以后超高速电路抑制电源噪声提供了可能。

Claims (2)

1.一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构，其特征在于：该结构的仿真计算模型由电源层，介质层和地层构成，它们之间的位置连接关系是电源层位于顶层，地层位于底层，中间是介质层；该电源层是紧致型电磁带隙结构，该地层为完整的金属平面，该介质层为1毫米厚的FR4介质材料；所述紧致型电磁带隙结构，是由一个电磁带隙结构单元在一个平面上周期延拓形成；而结构单元由方形贴片和S形连接臂构成，S形连接臂将方形贴片连接在一起；它是在完整的电源金属平面上利用激光刻蚀工艺刻出，此结构为周期结构，周期单元形状是四个边均连接有弧型连接桥的方形金属贴片，各个周期单元的连接方式是利用周期单元各边的弧型连接桥连接，根据不同工程应用及不同的尺寸大小，在电源平面上蚀刻出相应不同数量的周期单元，在电源平面相应位置处设置两个离散端口；紧致型电磁带隙结构的响应由三个参数决定：阻带的起始端，阻带的带宽，以及阻带中可达到的隔离度，其设计是先用通用的二维色散图分析方法计算出单元格色散图及带隙特征，然后，用三维电磁仿真软件对有限尺寸紧致型电磁带隙结构进行建模计算，计算出S参数。

2.根据权利要求1所述的一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构，其特征在于：该结构的材料采用双面覆铜板制成。

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