CN102395245B - 具有低频同时开关噪声抑制作用的u型电磁带隙电路板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低频同时开关噪声抑制的U型电磁带隙电路板，主要解决现有的电磁带隙电路板对频率低于1GHz的低频同时开关噪声抑制能力有限的问题。该电磁带隙电路板由电磁带隙层(1)、地层(2)和介质层(3)组成，电磁带隙层(1)由n个电磁带隙单元(4)连接组成，n的数量由实际工程需要决定。电磁带隙单元(4)每个边的中间位置开有矩形槽(5)，从矩形槽中间位置由内向外引出L形连接线(6)，每两个电磁带隙单元(4)都过L形连接线对称连接，形成一条U形桥接线，使得各个电磁带隙单元(4)连接构成电磁带隙层(1)。本发明对低频段同时开关噪声具有更强的抑制能力，能减少噪声对传输信号的干扰和电子器件的误动作，可用于微波，天线，和通信的高频电子电路中。

Description

具有低频同时开关噪声抑制作用的U型电磁带隙电路板

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，涉及为一种新型的共面电磁带隙结构电路板，对频率低于1GHz的低频段同时开关噪声具有更强的抑制能力，可用于微波，天线，和通信等高频电子电路。

背景技术

随着现代数字电路的时钟频率不断提高，一种称为“同时开关噪声SSN”引起的信号完整性问题已经成为制约高速电路设计和制造的瓶颈，因此设计者的关注目光集中在如何抑制和消除SSN。传统的解决方案主要有：在电源层和地层之间设置分立式去耦电容形成低阻抗返回路径，但当噪声频率高于600MHz时去耦电容的作用会大大降低；植入嵌入式电容，与分立式电容相比较，嵌入式电容在较高频率时具有更好的特性，但这种方法成本较高且材料特性不稳定；选择差分传输线以抑制SSN的传播，但这种方法会扩大电路板面积，增加生产成本。

近年来，电磁带隙结构EBG逐渐被应用于高速电路的SSN抑制。EBG结构是一种周期性平面结构，其形成的高阻抗平面在特定频率范围内将SSN限制在本地单元内，同时为SSN提供到电源或地平面的低阻抗通路，使其无法向外传播，从而起到抑制SSN的作用。SSN分布于从开关电流的直流分量到最高次谐波的极宽频带范围内，而早期的EBG结构带隙下截止频率较高且带隙宽度较窄，对于频率低于1GHz的噪声抑制能力较低，而几百兆赫兹的低频SSN能量十分突出，因此对EBG结构的研究集中在降低其带隙下截止频率和展宽带隙宽度两个方面。具有代表性的如台湾省中山大学吴宗林教授提出的两种EBG结构，其中I-Bridged结构的下截止频率和带宽分别为1GHz和3GHz，L-Bridged结构的下截止频率和带宽达到600MHz和4GHz。然而这些新的EBG结构带隙下截止频率均高于600MHz，无法有效抑制低频段的同时开关噪声SSN，而这种噪声会对正常传输的高频信号造成严重干扰，使电子器件发生误动作，降低设备可靠性，增加维护费用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种具有低频同时开关噪声抑制作用的U型电磁带隙电路板，以提高对频率低于1GHz的低频段所出现的同时开关噪声SSN的抑制能力，减少噪声对正常传输的高频信号的干扰和电子器件的误动作，进而提高设备性能，降低成本。

为实现上述目的，本发明包括：电磁带隙层、地层和介质层，电磁带隙层由n个电磁带隙单元连接组成，每个电磁带隙单元采用边长为a的正方形，每个边的中间位置开有矩形槽，从矩形槽中间位置由内向外引出连接线以连接相邻电磁带隙单元，其特征在于：每个矩形槽的长度n＝15s/34，宽度r＝s/68；连接线由呈L形的两段连接线组成，第一段直线长度s＝65a/284，宽度t＝a/142，第二段直线长度e＝151a/284，宽度t＝a/142，第一段直线旋转90度折向第二条直线；每个电磁带隙单元都与其相邻的单元通过L形连接线对称连接，且每两个相邻单元间形成一条U形桥接线，使得各个电磁带隙单元连接构成电磁带隙层，该电磁带隙层与地层和介质层组成U型电磁带隙电路板。

所述的每两个相邻单元间形成一条U形桥接线，是指相邻电磁带隙单元同侧的两条L形连接线，其“L”形状转折方向相反所形成的对称连接线。

所述的电磁带隙层由n个电磁带隙单元组成，n的数量由实际工程需要决定，其制造材料为铜，相对介电常数为1。

所述的地层为不带任何开槽的完整金属平面，制造材料为铜，相对介电常数为1。

所述的介质层填充FR4材料，填充厚度为0.4mm，相对介电常数为4.4。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明中电磁带隙层上两个相邻电磁带隙单元间由于采用U型桥接线连接，增加了相邻单元间的电感，从而降低了电磁带隙层禁带的下截止频率，展宽了带宽，即将下截止频率降低至380MHz，并且带宽达到了4.32GHz，使得其禁带能够覆盖低于1GHz的低频段同时开关噪声SSN，不仅减少了同时开关噪声SSN对正常传输的高频信号的干扰和电子器件的误动作，还减少了电路板上原先用于抑制低频噪声的分立去耦电容的使用，降低了生产成本。

(2)本发明中电磁带隙层上两个电磁带隙单元间由于采用简单的U型桥接线，从而减小了电路板生产制造过程中的刻蚀难度，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明的U型电磁带隙电路板立体视图；

图2为本发明的U型电磁带隙电路板俯视图；

图3为本发明的电磁带隙单元示意图；

图4为本发明电磁带隙单元等效电路图；

图5为本发明U型电磁带隙电路板的插入损耗仿真结果图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1和图2，本发明的3×3U型电磁带隙电路板，包括：电磁带隙层1、地层2和介质层3。其中电磁带隙层1地层2制造材料均为铜，相对介电常数为1；介质层3采用厚度为0.4mm的FR4材料，相对介电常数为4.4；电磁带隙层由9个电磁带隙单元4连接组成。其中：

位于第一排左方位置的电磁带隙单元，其左边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向上折向第二条直线，其右边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向下折向第二条直线，其上边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向右折向第二条直线，其下边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向左折向第二条直线。这四条连接线均形成右向L形连接线。

位于第一排中间位置的电磁带隙单元，其左边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向下折向第二条直线，其右边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向上折向第二条直线，其上边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向左折向第二条直线，其下边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向右折向第二条直线。这四条连接线均形成左向L形连接线。

位于第一排右方位置的电磁带隙单元，其左边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向上折向第二条直线，其右边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向下折向第二条直线，其上边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向右折向第二条直线，其下边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向左折向第二条直线。这四条连接线均形成右向L形连接线。

位于第二排左方位置的电磁带隙单元，其左边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向下折向第二条直线，其右边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向上折向第二条直线，其上边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向左折向第二条直线，其下边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向右折向第二条直线。这四条连接线均形成左向L形连接线。

位于第二排中间位置的电磁带隙单元，其左边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向上折向第二条直线，其右边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向下折向第二条直线，其上边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向右折向第二条直线，其下边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向左折向第二条直线。这四条连接线均形成右向L形连接线。

位于第二排右方位置的电磁带隙单元，其左边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向下折向第二条直线，其右边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向上折向第二条直线，其上边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向左折向第二条直线，其下边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向右折向第二条直线。这四条连接线均形成左向L形连接线。

位于第三排左边位置的电磁带隙单元，其左边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向上折向第二条直线，其右边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向下折向第二条直线，其上边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向右折向第二条直线，其下边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向左折向第二条直线。这四条连接线均形成右向L形连接线。

位于第三排中间位置的电磁带隙单元，其左边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向下折向第二条直线，其右边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向上折向第二条直线，其上边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向左折向第二条直线，其下边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向右折向第二条直线。这四条连接线均形成左向L形连接线。

位于第三排右边位置的电磁带隙单元，其左边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向上折向第二条直线，其右边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向下折向第二条直线，其上边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向右折向第二条直线，其下边矩形槽中的L形连接线第一段直线旋转90度向左折向第二条直线。这四条连接线均形成右向L形连接线。

第一排左方位置的电磁带隙单元右边矩形槽中的右向L形连接线与第二排左方位置的电磁带隙单元右边矩形槽中的左向L形连接线连接，形成一条U形桥接线；第一排左方位置的电磁带隙单元上边矩形槽中的右向L形连接线与第一排中间位置的电磁带隙单元上边矩形槽中的左向L形连接线连接，形成一条U形桥接线。

第一排中间位置的电磁带隙单元左边矩形槽中的左向L形连接线与第二排中间位置的电磁带隙单元左边矩形槽中的右向L形连接线连接，形成一条U形桥接线；第一排中间位置的电磁带隙单元下边矩形槽中的左向L形连接线与第一排右方位置的电磁带隙单元下边矩形槽中的右向L形连接线连接，形成一条U形桥接线。

第一排右方位置的电磁带隙单元右边矩形槽中的右向L形连接线与第二排右方位置的电磁带隙单元右边矩形槽中的左向L形连接线连接，形成一条U形桥接线。

第二排左方位置的电磁带隙单元左边矩形槽中的左向L形连接线与第三排左方位置的电磁带隙单元左边矩形槽中的右向L形连接线连接，形成一条U形桥接线；第二排左方位置的电磁带隙单元下边矩形槽中的左向L形连接线与第二排中间位置的电磁带隙单元下边矩形槽中的右向L形连接线连接，形成一条U形桥接线。

第二排中间位置的电磁带隙单元上边矩形槽中的右向L形连接线与第二排右方位置的电磁带隙单元上边矩形槽中的左向L形连接线连接，形成一条U形桥接线；第二排中间位置的电磁带隙单元右边矩形槽中的右向L形连接线与第三排中间位置的电磁带隙单元右边矩形槽中的左向L形连接线连接，形成一条U形桥接线。

第二排右方位置的电磁带隙单元左边矩形槽中的左向L形连接线与第三排右方位置的电磁带隙单元左边矩形槽中的右向L形连接线连接，形成一条U形桥接线。

第三排左方位置的电磁带隙单元上边矩形槽中的右向L形连接线与第三排中间位置的电磁带隙单元上边矩形槽中的左向L形连接线连接，形成一条U形桥接线。

第三排中间位置的电磁带隙单元下边矩形槽中的左向L形连接线与第三排右方位置的电磁带隙单元下边矩形槽中的右向L形连接线连接，形成一条U形桥接线。

基于以上所述，各个电磁带隙单元连接构成电磁带隙层，该电磁带隙层与地层和介质层组成U型电磁带隙电路板。图1和图2所示的由9个单元组成的U型电磁带隙电路板只是作为一个实例举出，实际应用中电磁带隙层由n个电磁带隙单元组成，n的数量由实际工程需要决定。

参照图3，所示为U型电磁带隙单元，每个电磁带隙单元采用边长为a的正方形，每个边的中间位置开有矩形槽，每个矩形槽的长度n＝15s/34，宽度r＝s/68。从矩形槽中间位置由内向外引出L形连接线以连接相邻电磁带隙单元，该L形连接线的第一段直线长度s＝65a/284，宽度t＝a/142，第二段直线长度e＝151a/284，宽度t＝a/142，第一段直线旋转90度折向第二条直线。

本发明的工作原理和效果通过以下等效电路和仿真结果进行说明。

参照图4，所示为U型电磁带隙单元的等效电路，其电磁带隙单元4的电感等效为L_e，电磁带隙层1和地层2之间的电容等效为C_e，相邻电磁带隙单元4之间U形桥接线的电感等效为L_u，相邻两个电磁带隙单元4之间的电容等效为C_u。设计适当的电感L_u和电容C_u，利用电磁带隙单元4谐振时电抗无穷大的特性，从而阻碍电磁带隙单元4的谐振频率附近的电磁波在电磁带隙单元4表面传播，形成频率带隙。同时使电磁带隙层1和地层2之间的等效电容C_e在高频信号传输时产生低阻抗通路，形成同时开关噪声SSN的返回路径，该返回路径将同时开关噪声SSN传输至地层2，从而抑制同时开关噪声SSN的传播。本发明为降低电磁带隙单元4的带隙的下截止频率，需要在降低带隙中心频率的同时展宽带宽。电磁带隙单元4的带隙的中心频率f₀可表示为：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_u{C}_u}}---\left(1\right)$

电磁带隙单元4的带宽ΔBW可表示为：

$\mathrm{\ΔBW}=\frac{1}{\mathrm{\η}}\sqrt{\frac{L_u}{C_u}}---\left(2\right)$

其中η是自由空间波阻抗。

由式(1)可知，为降低电磁带隙单元4的带隙的中心频率，需要增大相邻两个电磁带隙单元4之间的等效电感L_u和相邻两个电磁带隙单元4之间的等效电容C_u。然而由式(2)可知，带宽和电感L_u成正比，与电容C_u成反比，因此增大相邻两个电磁带隙单元之间的等效电容会使电磁带隙单元的带宽减小。

由以上分析可知，只有增大相邻两个电磁带隙单元4之间的等效电感L_u，才能在降低带隙中心频率的同时展宽带宽，因此本发明通过在相邻两个电磁带隙单元4之间使用U形桥接线，从而增大了等效电感L_u，所以能够在降低带隙中心频率的同时展宽带宽，达到降低电磁带隙单元带隙的下截止频率的目的。

本发明的效果可以通过使用Ansoft公司的HFSS软件，对U型电磁带隙电路板的插入损耗进行仿真分析进一步说明。

图2所示的3×3单元U型电磁带隙电路板，其尺寸为90mm×90mm。在HFSS软件中，对图2中U型电磁带隙电路板的插入损耗进行仿真，其仿真结果如图5中的曲线所示，其中横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为插入损耗，单位为dB。以-40dB作为计算抑制深度的标准，由仿真结果曲线可知，U型电磁带隙电路板的带隙宽度达到4.32GHz，中心频率为2.54GHz，下截止频率低至380MHz，因此U型电磁带隙电路板的禁带能够覆盖低于1GHz的低频段同时开关噪声SSN，对这种噪声具有较好的抑制能力。

以上仅是本发明的一个仿真实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对该结构进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (4)

1.一种具有低频同时开关噪声抑制作用的U型电磁带隙电路板，包括电磁带隙层（1）、地层（2）和介质层（3），电磁带隙层由n个电磁带隙单元（4）连接组成，每个电磁带隙单元采用边长为a的正方形，每个边的中间位置开有矩形槽（5），从矩形槽中间位置由内向外引出连接线（6）以连接相邻电磁带隙单元，其特征在于：

连接线（6）由呈L形的两段连接线组成，第一段直线长度s=65a/284，宽度t=a/142，第二段直线长度e=151a/284，宽度t＝a/142，第一段直线旋转90度折向第二条直线；

每个电磁带隙单元（4）都与其相邻的单元通过L形连接线对称连接，且每两个相邻单元间形成一条U形桥接线，使得各个电磁带隙单元连接构成电磁带隙层，该电磁带隙层与地层和介质层组成U型电磁带隙电路板；

每个矩形槽（5）的宽度必须大于连接线（6）的宽度，矩形槽（5）的长度必须小于连接线（6）第一段直线的长度；

介质层（3）填充FR4材料，填充厚度为0.4mm，相对介电常数为4.4。

2.根据权利要求1所述的U型电磁带隙电路板，其特征在于所述的每两个相邻单元间形成一条U形桥接线，是指相邻电磁带隙单元同侧的两条L形连接线，其“L”形状转折方向相反所形成的对称连接线。

3.根据权利要求1所述的U型电磁带隙电路板，其特征在于所述的电磁带隙层（1）由n个电磁带隙单元（4）组成，n的数量由实际工程需要决定，其制造材料为铜，相对介电常数为1。

4.根据权利要求1所述的U型电磁带隙电路板，其特征在于所述的地层（2）为不带任何开槽的完整金属平面，制造材料为铜，相对介电常数为1。

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