CN102630127B

CN102630127B - 一种嵌入蛇形平面电磁带隙结构及其构建方法

Info

Publication number: CN102630127B
Application number: CN201210096504.9A
Authority: CN
Inventors: 阎照文; 王彦盛; 于文璐; 曹晋
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: CN102630127A

Abstract

一种嵌入蛇形平面电磁带隙结构，该结构自顶向下由三层构成，分别为电源层、介质层和地层。电源层和地层的材料是铜，介质层的材料是FR-4。本发明在传统平面EBG结构的基础上，适当减小中心板的面积，以减小其电容电感，使得阻带带宽变大。同时引入蛇形微带线连接两两单元，充分利用冗余空间，增大桥状结构的电感。在合理选取尺寸的前提下，可以得到阻带带宽大、下截止频率低的EBG结构。其构建方法有五大步骤：一、在ADS中建模，仿真优化得EBG单元的大致尺寸；二、利用上述尺寸，在HFSS中建立EBG单元的模型；三、在HFSS中建立EBG结构色散图求解模型并绘制色散图；四、建立3×3单元格的EBG结构的仿真模型，设置端口并仿真；五，制板并用VNA测试该板的抑制性能。

Description

一种嵌入蛇形平面电磁带隙结构及其构建方法

(一)技术领域

本发明涉及一种嵌入蛇形的平面电磁带隙(Electromagnetic Bandgap，简称EBG)结构及其构建方法，属于高速电路微波技术领域。提出的EBG结构可以抑制高速电路电源配送网络(Power Distribution Network，简称PDN)从500MHz到14.5GHz的同步开关噪声(SimultaneousSwitching Noise，简称SSN)。

(二)背景技术

近年来，PDN设计已经成为高速电路和混合系统设计的头等难题之一。随着电路系统向着高速率、高密度、低电压的方向发展，PDN设计的挑战将会在接下来的十年内持续增长。据2008年国际半导体技术发展路线图(ITRS)预测，到2022年，印刷电路板(PCB)上互联线间距将降到11.3nm，片上时钟速率会增长到14.3GHz，相应的电源电平会降到0.8V，最大功率密度将上升至1.73W/m²。这些趋势意味着，具有较低直流电压的集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)对高于千兆赫兹(GHz)的快速瞬态电流的需求将大幅增加。并且，由于PDN的分布和寄生效应在高频时起主导作用，高于千兆赫兹的SSN对电路的影响将越发严重。这些噪声会降低电源完整性(PI)、信号完整性(SI)，并诱发电磁干扰(EMI)。

通常来讲，消除SSN有两种方式。第一种方式是通过在芯片、封装和PCB三个层次上引入去耦电容以保持PDN在很广的频率范围内具有非常低的阻抗。理想情况下，这种方式是最有效的，因为低阻抗的PDN可以快速提供三极管跳变时所需的瞬态电流，同时，也可以抑制噪声在整个PDN上传播。然而实际中，由于在使用去耦电容时不可避免地会引入串联电感，这导致了用以旁路高频噪声的去耦电容是带限的，在高于谐振频率的频带内，去耦电容只具有感性而失效。另一种方式是采用隔离的方法将PDN的局部维持在高阻抗以削减SSN的传播。典型的隔离方式包括在电源或地平面上蚀刻缝隙或EBG图案。这种方法能有效地防止SSN传播到整个PDN平面，并且有助于解决EMI和RFI问题。目前，用于抑制SSN的平面EBG结构设计主要关注两个方面。一是阻带带宽的展宽，这是因为数字电路的开关噪声将覆盖越来越大的频率范围。二是小型化技术，这是由封装内系统(System inPackage，简称SiP)和片上系统(System on Chip，简称SoC)两大技术向更小尺寸发展的趋势所决定的。

(三)发明内容

1.发明目的

电路电源配送网络(PDN)中的噪声逐渐延伸到特高频(SHF，3～30GHz)的频率范围内，去耦电容和传统的EBG结构目前并不能很好地在如此高的频段内工作。基于此，本发明提出一种嵌入蛇形平面电磁带隙结构及其构建方法，以实现阻带带宽大、下截止频率小、制作成本低的要求。

2.技术方案

(1)本发明一种嵌入蛇形平面电磁带隙结构，该结构是由一个EBG单元沿X、Y方向在二维平面上周期性延拓形成的3×3EBG结构，每个EBG单元由三层构成，自上而下依次是蚀刻成EBG形式的电源层(以下简称EBG电源层，并定义具有该层形状的平面为EBG平面)、介质层和完整的地层，如图1所示。电源层、地层均为厚度为1.2mil(约0.0305mm)的铜片，平面尺寸为30×30mm²。介质层是30×30×0.4mm³的矩形块，材料是FR-4介质，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.02。上述参数的选取一是依据目前主流设计的尺寸，二是由于实际加工生产受到的限制。

电源层蚀刻的样式(图2)是该发明的重点，我们所强调的创新点也正是体现在单元EBG平面的形式和各参数的尺寸上，下面做详细介绍。为便于叙述，定义每个单元EBG电源层的中心部分的金属片为中心板(图3)，连接两两单元的蛇形微带线为桥(图4)。EBG平面是中心对称的周期单元图形，它由一块中心金属贴片和四个连接两两单元的蛇形微带线构成，蛇形微带线是嵌在中心金属贴片内。如图3所示，最大边沿尺寸29mm，小于每个EBG单元的尺寸30mm，所以两两单元连接时，两个中心板是分离的。桥形状特别，是一条蜿蜒的微带线。如图4所示，定义平行X方向的微带线为臂，平行于Y方向的微带线为连臂，则本发明中共有5条臂、4条连臂。其中，微带线的宽度、臂与臂的间距、臂与中心板的间距、连臂与中心板的间距均为0.5mm，蛇形微带线的始末两端沿X方向的距离为8mm。每个单元中共有四个半桥，其中的任意一个半桥绕中心板的中点旋转90°、180°、270°，可依次得到其余三个半桥。并且，每个半桥都是不连续的，只有当两个单元连起来时，两个半桥接在一起，才能恰好形成一条连续的蛇形微带线，连通两个中心板。

(2)设计基础

1)理论基础

a)谐振理论

平面EBG结构每个单元本身的谐振效应在带隙的形成中起主要作用。只要周期性EBG单元尺寸比其上传播的信号波长小得多，EBG单元就可等效为局部谐振特性比较强的并联LC谐振电路。因为单元谐振时电抗无穷大，EBG结构便可以阻止谐振频率附近的电磁波传播，从而形成频率带隙，即阻带。不失一般性，将平面EBG结构单元等效为如图5所示的电路模型。EBG单元中的半桥等效为电感L_b，中心板等效为串联的的两个π型电路，半个中心板的电容、电感分别用C_p和L_p表示，则阻带的上下截止频率(f_L与f_H)由下式决定：

f_{L} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{1}{C_{p} L_{b}}}

f_{H} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{1}{C_{p} L_{p}}}

由以上两式分析可知，如果要提高上截止频率，必须要减小中心板的面积，以便减小C_p、L_p。与此同时，减小了C_p会导致下截止频率上升，在L_b保持不变的情况下，上截止频率比下截止频率增加要多，因此阻带整体展宽。而为了使下截止频率降低，必须要增大半桥的电感L_b。这是设计EBG单元的要领。

本发明在传统平面EBG结构的基础上，适当减小中心板的面积，以减小其电容电感，使得阻带带宽变大。同时引入蛇形微带线连接两两单元，充分利用冗余空间，增大桥状结构的电感。在合理选取尺寸的前提下，可以得到阻带带宽大、下截止频率低的EBG结构。

b)色散图理论

色散图描述的是EBG结构中可传播的电磁波得相位常数β和频率f之间的对应关系。色散图中，不存在曲线的频率范围表明电磁波在该频段内不能传播，即阻带；反之，则为通带。二维EBG结构的色散图可采用光子晶体结构理论体系中的布里渊区结构理论来求解。当电磁波在二维EBG结构中传播时，可将其看作分别沿X和Y两个方向传播，其中k_x，k_y为X和Y方向上的波常数。二维EBG单元对应的简约布里渊区图如图6所示，其中Г，X，M分别对应k_x＝k_y＝0；k_x＝π/a，k_y＝0；k_x＝k_y＝π/a三点(a为EBG结构单元尺寸)。由此可以观测沿X和Y所有可能波矢量和其他方向上的最大和最小波矢量两个特殊点，通过在这个特殊区的计算可以得到足够的周期结构带隙的信息。因此，色散图可以准确描述EBG结构带隙的分布情况。

2)软件基础

本发明在设计过程中，综合利用了Agilent-ADS、Ansoft-HFSS等软件。

ADS(Advanced Design System)是美国Agilent公司推出的一款应用于微波电路和通信系统的仿真软件。它功能强大，仿真手段丰富，可实现包括时域与频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行成品率分析与优化，提高复杂电路的设计效率。本发明在开发过程中首先利用Agilent-ADS，结合传输线理论，得到EBG结构的电路模型。由于电路模型具有仿真速度快、内存消耗小、但精度不够高的特点，比较适合设计初期大致确定结构各参数的尺寸。完成此过程之后，需要运用另一种微波领域常常要使用到的软件，即HFSS。

HFSS，全称High Frequency Structure Simulator，是Ansoft公司推出的一款基于有限元法(FEM)分析微波工程问题的三维仿真软件。它具有仿真精度和可靠性高、仿真速度快、操作界面简便易用、自适应网格剖分技术稳定成熟等特性。本发明在设计中期采用Ansoft-HFSS，结合色散图理论，绘制EBG结构的色散图，确定EBG结构的带隙分布，并得到EBG结构各参数的尺寸。在设计后期仍然使用Ansoft-HFSS，建立最终结构的模型，仿真优化，定型EBG结构。经过上述流程，可最终确定本发明各参数的尺寸。

(3)设计步骤

本发明一种嵌入蛇形平面电磁带隙结构的构建方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：在确定了使用5条臂的蛇形微带线的前提下，使用传输线法，在Agilent-ADS中建立类似于图5所示的EBG结构的电路模型，使用S参数仿真，扫描优化，大致确定平面EBG单元各参数的尺寸。

步骤二：在Ansoft-HFSS中建立一个EBG单元的三维模型。该模型由三层构成，自上而下依次是EBG电源层、介质层和完整的地层，如图1。电源层、地层均为平面，尺寸为30×30mm²，边界条件设置为理想金属导体(Perfect E)。介质层是尺寸为30×30×0.4mm³的矩形块，材料为FR-4，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.02。此外，基于步骤一得到的初步结果，可以设置单元EBG平面各参数的尺寸。

步骤三：在Ansoft-HFSS中建立平面EBG结构色散图仿真模型并绘制色散图。在步骤二中建立的EBG单元模型上建立一个尺寸为30×30×12mm³的长方体空气盒子，该盒子的下表面与EBG平面重合。紧挨着其上表面，建立一个厚度为2mm的理想匹配层(PML)。再建立一个30×30×14.4mm³的长方体空气壳子，使其上表面与PML层的上表面重合，下表面与EBG单元的地平面重合。将最外层空气盒子沿X和Y方向的两对侧面分别设置为主从边界条件(Master&Slave)。最终建立的仿真模型如图7所示。设置相位为扫描参数，依照色散图原理，如图6，依次得到Г～X、X～M、M～Г三段色散图。将仿真结果导入MATLAB中绘制总色散图，观察得到的结果，并返回优化原来的设计，修改各参数尺寸，直到得到满意的结果，如图8～10所示。记录此时EBG结构各参数尺寸。

步骤四：在Ansoft-HFSS中建立3×3单元格的EBG结构模型，设置端口并仿真两端口间的传输系数S₂₁。依照步骤三中得到的数据，修改步骤二中建立的EBG单元模型，再向X和Y方向延拓得3×3单元格的EBG结构模型，如图11。本发明在设计过程中设置了两个端口，如图11，中心坐标分别在(0，0)，(30，30)。激励源选择集总端口(Lumped Port)。在EBG结构之外设置一个大的空气盒子，该盒子的每个平面到EBG结构的距离都不能小于10mm，其边界条件设置为辐射边界条件(Radiation)。频率扫描范围设置为40MHz～15GHz(与VNA测试范围相照应)。S₂₁仿真结果如图12所示，提出的EBG结构从500MHz到14.5GHz的范围内抑制深度可达30dB以上。

步骤五：制做电路板，并用矢量网络分析仪(VNA)测试该电路板实际抑制电源噪声的性能。制作的电路板由三层构成，自上而下依次是EBG电源层、介质层和完整的地层，如图1。电源层、地层均为平面，尺寸为90×90mm²；介质层是尺寸为90×90×0.4mm³矩形块，材料为FR-4，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.02。单元EBG平面是中心对称图形，它的中心板形状较为规整，最大边沿尺寸29mm。桥是一条蜿蜒的微带线，微带线的宽度、臂与臂的间距、臂与中心板的间距、连臂与中心板的间距均为0.5mm，蛇形微带线的始末两端沿X方向的距离为8mm。依照步骤四中所述的端口位置，在电路板上打通孔，将SMA接头的底座焊接在EBG平面，SMA接头的探针焊接在地平面，务必注意不要让探针与EBG平面接触，以防短路，影响测试结果。使用VNA进行测试，扫描频率设置为40MHz～15GHz，测试结果直接由GPIB卡读出，测试结果如图13所示。

3.优点及功效

(1)本发明中的平面EBG结构较传统EBG结构而言，阻带带宽要大很多，可以抑制高速信号电路不同频段的同步开关噪声(SSN)。

(2)一般情况下，展宽阻带带宽会显著提高下截止频率，而本发明中的平面EBG结构增大阻带带宽的同时，下截止频率依然保持较低的水平。

(3)本发明中的EBG结构采用普通的介质材料FR-4，成本低。

(4)制作工艺与普通印制电路板相同，因而制作简单方便。

(5)目前SSN的频率低于10GHz，但随着技术的发展，其频率会不断攀升，因此未来几年内，该结构仍然具有实用价值。

(四)附图说明

图1是本发明中EBG单元示意图

图2是本发明中单元EBG平面示意图

图3是本发明中单元EBG平面中心板示意图

图4是本发明中蛇形微带线示意图

图5是本发明中EBG单元等效电路模型示意图

图6是平面EBG结构简约布里渊区示意图

图7是本发明在HFSS中建立的色散图求解模型示意图

图8是本发明EBG结构总的色散图示意图

图9是本发明EBG结构在下截止频率处的色散图示意图

图10是本发明EBG结构在上截止频率处的色散图示意图

图11是本发明在HFSS中建立的仿真模型及端口位置示意图

图12是本发明S₂₁的HFSS仿真结果示意图

图13是本发明S₂₁的VNA测试结果示意图

图14是本发明构建流程示意图。

图中符号说明如下：

C_p：EBG单元中半个中心板对应的电容的一半；

L_p：EBG单元中半个中心板对应的电感；

L_b：EBG单元中半桥对应的电感；

Mx：EBG结构单元X方向的主边界面；Sx：EBG结构单元X方向的从边界面；

My：EBG结构单元Y方向的主边界面；Sy：EBG结构单元Y方向的从边界面；

(五)具体实施方法

本发明在设计实施过程中需要用到一台电脑，一台矢量网络分析仪(VNA)和一块加工生产的EBG测试板。电脑用于运行Agilent-ADS和Ansoft-HFSS以便建模仿真该EBG结构，VNA用于测试加工出的EBG结构抑制噪声的实际性能。

如图1～4，本发明是由一个EBG单元沿X、Y方向在二维平面上周期性延拓形成的3×3EBG结构。每个EBG单元由三层构成，自上而下依次是EBG电源层、介质层和完整的地层。电源层、地层均为厚度为1.2mil(约0.0305mm)的铜片，平面尺寸为30×30mm²。介质层是30×30×0.4mm³的矩形块，材料为FR-4介质，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.02。单元EBG电源层是中心对称图形，它的中心板形状较为规整，最大边沿尺寸29mm。它的桥是一条蜿蜒的微带线，由5条臂、4条连臂构成，其中，微带线的宽度、臂与臂的间距、臂与中心板的间距、连臂与中心板的间距均为0.5mm，蛇形微带线的始末两端沿X方向的距离为8mm。

见图14，本发明一种嵌入蛇形平面电磁带隙结构的构建方法，具体实施步骤如下。

步骤三：在Ansoft-HFSS中建立平面EBG结构色散图仿真模型并绘制色散图。首先设置求解类型(Solution type)为本征模求解(Eigenmode)。在步骤二中建立的EBG单元模型上建立一个尺寸为30×30×12mm³的长方体空气盒子，该盒子的下表面与EBG平面重合。紧挨着其上表面，建立一个厚度为2mm的理想匹配层(PML)。再建立一个30×30×14.4mm³的长方体空气壳子，使其上表面与PML层的上表面重合，下表面与EBG单元的地平面重合。将最外层空气盒子沿X和Y方向的两对侧面分别设置为主从边界条件(Master&Slave)。最终建立的仿真模型如图7所示。设置相位为扫描参数，依照色散图原理，如图6，依次得到Г～X、X～M、M～Г三段色散图。将仿真结果导入MATLAB中绘制总色散图，观察得到的结果，并返回优化原来的设计，修改各参数尺寸，直到得到满意的结果，如图8～10所示。记录此时EBG结构各参数尺寸，单元EBG电源层的中心板最大边沿尺寸29mm，蛇形微带线的宽度、臂与臂的间距、臂与中心板的间距、连臂与中心板的间距均为0.5mm，蛇形微带线的始末两端沿X方向的距离为8mm。

步骤四：在Ansoft-HFSS中建立3×3单元格的EBG结构模型，设置端口并仿真两端口间的传输系数S₂₁。首先设置求解类型(Solution type)为模式驱动求解(Driven Modal)。依照步骤三中得到的数据，修改步骤二中建立的EBG单元模型，再向X和Y方向延拓得3×3单元格的EBG结构模型，如图11。事实上，在HFSS中只需将EBG平面复制，平移，再利用作图工具中的布尔加操作，即可得所需EBG平面。然后，将介质层和地层的X和Y方向的增量改为90，就得到了本发明的仿真模型，如图11。本发明在设计过程中设置了两个端口，如图11，中心坐标分别在(0，0)，(30，30)。激励源选择集总端口(Lumped Port)。在EBG结构之外设置一个大的空气盒子，该盒子的每个平面到EBG结构的距离都不能小于10mm，其边界条件设置为辐射边界条件(Radiation)。频率扫描范围设置为40MHz～15GHz(与VNA测试范围相照应)。S₂₁仿真结果如图12所示，提出的EBG结构从500MHz到14.5GHz的范围内抑制深度可达30dB以上。

步骤五：制做电路板，并用矢量网络分析仪(VNA)测试该电路板实际抑制电源噪声的性能。制作的电路板由三层构成，自上而下依次是EBG电源层、介质层和完整的地层，如图1。电源层、地层均为平面，尺寸为90×90mm²；介质层是尺寸为90×90×0.4mm³矩形块，材料为FR-4，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.02。单元EBG平面是中心对称图形，它的中心板形状较为规整，最大边沿尺寸29mm。桥是一条蜿蜒的微带线，微带线的宽度、臂与臂的间距、臂与中心板的间距、连臂与中心板的间距均为0.5mm，蛇形微带线的始末两端沿X方向的距离为8mm。依照步骤四中所述的端口位置，在电路板上打通孔。焊接SMA接头之前，先将EBG平面以过孔中心为圆心的半径3mm圆形区域的金属层刮掉，这是为了不让探针与EBG平面接触，防止短路，影响测试结果。之后再将SMA接头的底座焊接在EBG平面，SMA接头的探针焊接在地平面。使用VNA进行测试，扫描频率设置为40MHz～15GHz，测试结果直接由GPIB卡读出，测试结果如图13所示。该结果表明，当抑制深度为-30dB时，阻带范围从500MHz到14.5GHz，与上述两种仿真结果基本一致。

Claims

1.一种嵌入蛇形平面电磁带隙结构的构建方法，其实施依赖于嵌入蛇形平面电磁带隙结构，该结构是由一个EBG单元沿X、Y方向在二维平面上周期性延拓形成的3×3EBG结构，每个EBG单元由三层构成，自上而下依次是蚀刻成EBG形式的电源层、介质层和完整的地层，电源层、地层是厚度为1.2mi铜片，为0.0305mm，平面尺寸为30×30mm²，介质层是30×30×0.4mm³的矩形块，其材料是FR-4，介电常数为4.3，损耗角正切为0.02，电源层、地层都能蚀刻成EBG平面，EBG平面是中心对称的周期单元，它由一块中心金属贴片和四个连接两两单元的蛇形微带线构成，蛇形微带线是嵌在中心金属贴片内；

其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：在确定了使用5条臂的蛇形微带线的前提下，使用传输线法，在Agilent-ADS中建立EBG结构的电路模型，使用S参数仿真，扫描优化，确定平面EBG单元各参数的尺寸；

步骤二：在Ansoft-HFSS中建立一个EBG单元的三维模型，该模型由三层构成，自上而下依次是EBG电源层、介质层和完整的地层，电源层、地层均为平面，尺寸为30×30mm²，边界条件设置为理想金属导体，介质层是尺寸为30×30×0.4mm³的矩形块，材料为FR-4，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.02；此外，基于步骤一得到的初步结果，设置单元EBG平面各参数的尺寸；

步骤三：在Ansoft-HFSS中建立平面EBG结构色散图仿真模型并绘制色散图，在步骤二中建立的EBG单元模型上建立一个尺寸为30×30×12mm³的长方体空气盒子，该盒子的下表面与EBG平面重合；紧挨着其上表面，建立一个厚度为2mm的理想匹配层，再建立一个30×30×14.4mm³的长方体空气壳子，使其上表面与PML层的上表面重合，下表面与EBG单元的地平面重合；将最外层空气盒子沿X和Y方向的两对侧面分别设置为主从边界条件；设置相位为扫描参数，依照色散图原理，依次得到Γ～Χ、Χ～Μ、M～Γ三段色散图，将仿真结果导入MATLAB中绘制总色散图，观察得到的结果，并返回优化原来的设计，修改各参数尺寸，直到得到结果；

步骤四：在Ansoft-HFSS中建立3×3单元格的EBG结构模型，设置端口并仿真两端口间的传输系数S₂₁；依照步骤三中得到的数据，修改步骤二中建立的EBG单元模型，再向X和Y方向延拓得3×3单元格的EBG结构模型；在设计过程中设置了两个端口，中心坐标分别在(0，0)，(30，30)；激励源选择集总端口；在EBG结构之外设置一个大的空气盒子，该盒子的每个平面到EBG结构的距离都不小于10mm，其边界条件设置为辐射边界条件；频率扫描范围设置为40MHz～15GHz，EBG结构从500MHz到14.5GHz的范围内抑制深度达30dB以上；

步骤五：制做电路板，并用矢量网络分析仪测试该电路板实际抑制电源噪声的性能；制作的电路板由三层构成，自上而下依次是EBG电源层、介质层和完整的地层，电源层、地层均为平面，尺寸为90×90mm²；介质层是尺寸为90×90×0.4mm³矩形块，材料为FR-4，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.02；步骤三所得到的结果为：单元EBG平面是中心对称图形，它的中心板形状规整，最大边沿尺寸29mm，桥是一条蜿蜒的微带线，微带线的宽度、臂与臂的间距、臂与中心板的间距、连臂与中心板的间距均为0.5mm，蛇形微带线的始末两端沿X方向的距离为8mm；依照步骤四中所述的端口位置，在电路板上打通孔，将SMA接头的底座焊接在EBG平面，SMA接头的探针焊接在地平面，探针不与EBG平面接触，以防短路，影响测试结果；使用VNA进行测试，扫描频率设置为40MHz～15GHz，测试结果直接由GPIB卡读出。