CN102957310B - 基于局部电磁带隙结构的电源分配网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于局部电磁带隙结构的电源分配网络，电磁带隙结构局部性的刻蚀在电源平面上；地平面保持完整。电磁带隙结构的基本单元由互补开口环谐振器构成，相邻的电磁带隙结构基本单元之间通过Z-型桥连接在一起。本发明有效解决混合电路系统中同步开关噪声抑制程度不够深，抑制频段不够宽的问题，同时可以解决传统全局性电磁带隙结构对电源平面破坏性较大的问题，基于本发明的电源分配网络具有良好的电源完整性，且能减小电磁干扰的影响。
Description
技术领域
本发明涉及高速电路微波技术，具体涉及一种基于局部带隙结构的电源分配网络，尤其是一种用于解决现代混合系统中电源完整性、信号完整性和电磁完整性问题的电源分配网络，本发明基于局部电磁带隙结构进行设计，在宽阻带抑制同步开关噪声的同时，具有低电磁干扰和良好信号完整性等特性。
背景技术
随着现代无线通信系统的发展，大规模集成电路的集成度和制造工艺在不断提高，为同时满足系统高速度和低功耗的要求，数字电路的工作频率越来越高，高速时钟信号的边沿不断陡峭，信号电压也不断降低。高速混合电路系统中，由高速数字电路中大量的高速开关器件同时状态切换所产生的噪声，称之为同步开关噪声（Simultaneous Switching Noise,SSN），又称之为地弹噪声（Ground BounceNoise,GBN）。同步开关噪声在由电路板的电源、地平面所构成的平行板波导中传播，会激发出平面谐振模式，从而导致严重的信号完整性和电磁干扰等问题，对混合电路系统中射频、模拟电路产生干扰或引发芯片的误动作，从而影响到系统的整体稳定性。另外，电路板中的大量通孔所引起的震荡效应还会导致严重的辐射和电磁干扰问题。因此，如何在保证电路信号完整性和电磁完整性的前提下，设计好电源分配网络（PDN），来有效地抑制同步开关噪声成为目前研究的热点和难点之一。
由于现代高速混合电路系统中，分布了大量的高速开关器件，同步开关噪声的产生不可避免，因此需要有效的抑制同步开关噪声的传播。为解决这一问题，减小电源和地平面之间的同步开关噪声，保证电路系统的信号完整性、电源完整性和电磁完整性，已提出一些电源分配网络的设计方案。典型的方法是添加去耦电容器，但去耦电容的噪声抑制频率范围有限，当系统的工作频率升高时，由去耦电容自身产生的寄生电感会增大电容器的高频阻抗，使得当工作频率大于GHz以上时噪声抑制措施失效。另外还有电源/地平面分割、优化过孔的设计位置、设计过孔防护栏等。这些噪声抑制的方法各异，但也存在一些不足。比如，电源/地平面分割的方法在抑制噪声的同时，会造成返回电流路径的不连续性，从而破坏了高速电路的信号完整性。另外，通过出现谐振现象来选择过孔的位置的方法，虽然可以避开谐振频率的谐振峰值，但平面谐振同时也具有频率相关性，使得该方法只能用于某些特定的谐振频率点，具有一定的局限性。
电磁带隙结构（EBG）是一种由有耗介质、导体金属或其他混合体组成的人工电磁材料。其电磁带隙形成机理分为两种，一种是Bragg散射原理，利用一种介质材料在另一种介质材料中周期分布来形成周期结构，当电磁波传输时，某些频率范围的电磁波强度会因为周期性的介质散射而减弱，从而形成了一定的频率带隙；另外一种是局部谐振机理，通过金属单元与电介质之间的耦合，形成谐振单元，利用结构单元自身的谐振效应，来形成高阻表面，阻止其谐振频率附近的表面波传播，继而形成一定的频率带隙。后一种情形的EBG结构，其阻带中心频率仅仅与局部谐振单元的谐振频率有关，而与结构的周期大小无关，使用常规的PCB加工工艺较为容易实现，因此其应用场景较多。它常常用于改善微波器件和天线的性能，现在也越来越多地应用于高速PCB中同步开关噪声抑制的研究。
在高速混合电路系统的电磁兼容设计中，使用具有频率带隙特性电磁带隙结构来抑制同步开关噪声大致分为两类，一种是蘑菇型EBG结构，其基本单元是在电源平面和地平面之间设计特别的通孔及附加的平面间金属贴片；另外一种是平面型EBG结构，相比较蘑菇型EBG结构，它便于采用标准PCB工艺进行加工，比如带有嵌入层的双平面EBG结构，L-bridge EBG结构，S-bridge EBG结构，级联低频和高频单元的EBG结构等等。然而这些方法多关注于如何降低EBG结构的阻带中心频率和增加阻带带宽来抑制同步开关噪声，对于信号完整性和电磁完整性问题却涉及较少。
而实际上，在系统级封装技术中，高速数字电路芯片和射频/模拟电路芯片常被设计在同一个集成电路系统。而由高速数字处理器的数字开关状态切换不同步所产生的噪声，会通过电源分配网络耦合到射频/模拟这些对噪声较敏感的电路上。传统的利用共面性电磁带隙结构来解决同步开关噪声的设计中，由于电磁带隙结构是一种周期性分布结构，电源平面上周期性的刻蚀槽线，从而破坏了电流的返回路径，很大程度上影响了电源分配网络的信号完整性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于局部电磁带隙结构的电源分配网络，由互补开口环谐振器组成电磁带隙结构的基本单元，电磁带隙结构局部性的刻蚀在电源分配网络的电源平面上，另一侧的地平面则保持完整，从而在宽阻带抑制同步开关噪声的同时可以减小对返回电流路径连续性的破坏，保证了电路的电源完整性和信号完整性。
为实现上述目的，本发明采用的具体方案如下：
本发明提供一种基于局部电磁带隙结构的电源分配网络，包括电源平面分布拓扑结构、电磁带隙结构和互补开口环谐振器；所述电磁带隙结构是周期性结构，其基本单元由互补开口环谐振器组成，相邻的所述基本单元之间由Z-型桥连接，其中，所述互补开口环谐振器根据所述电源平面分布拓扑结构刻蚀在电源平面上，对电源与地平面之间的同步开关噪声进行抑制。
优选地，所述电源平面分布拓扑结构是局部抑制拓扑结构，在混合高速电路系统中，噪声源电路和噪声敏感电路分布于混合高速电路系统的不同区域，所述电磁带隙结构分别位于噪声源电路和噪声敏感电路所在的区域。
优选地，所述电磁带隙结构分布在噪声源电路的高速数字电路和噪声敏感电路的射频/模拟电路所对应的区域。
优选地，所述电磁带隙结构是一种周期性结构，它是一种人工电磁材料，在一定的频率范围内具有阻带特性，可以对噪声信号的传输进行抑制。
优选地，所述互补开口环谐振器是一种人工介质谐振器，它属于微波异性介质，当电场轴向入射到谐振器表面时，会产生负的介电常数，形成一个陡峭的传输禁带。
优选地，所述电源平面由电磁带隙结构局部刻蚀，地平面保持完整，从而保证了信号完整性不受影响。
优选地，所述电源分配网络使用的是FR-4介质基板，为有耗介质材料，相对介电常数=4.4，介质厚度=0.2mm，介质表面的金属厚度=35um，损耗角正切=0.02。
优选地，所述电磁带隙结构与SMA同轴接头连接，连接到矢量网络分析仪来测量噪声耦合传输系数。
优选地，所述电源分配网络，当以-50dB为噪声耦合抑制标准时，该电源分配网络能够在0.26GHz—25GHz频率范围内对同步开关噪声进行抑制。
本发明的有益效果：有效应用于并解决混合高速电路系统中由于瞬态电流变化所引起的电压波动问题，能够明显地抑制电源分配网络中产生的同步开关噪声，减小对混合高速电路系统中射频/模拟电路产生干扰，避免引发芯片的误动作；通过优化互补开口环谐振器的尺寸大小，可以改变电磁带隙结构单元的谐振特性，控制噪声抑制的低频截止频率，增大噪声抑制频率带宽范围；通过在电源分配网络的电源平面上局部性的蚀刻电磁带隙结构可以明显地加大噪声抑制深度；同时基于局部抑制拓扑结构，可以减少对返回电流路径连续性的破坏，相对于全局抑制拓扑结构而言，能够改善高速电路的信号完整性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为电源分配网络的三维结构示意图；
图2为两个相邻电磁带隙结构单元的俯视图；
图3为各端口的噪声抑制散射系数图；
图4为根据本发明所提供电源分配网络的测试结果与仿真结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征与达成目的易于明白理解，以下结合具体实施例进一步阐述本发明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明所涉及的电源分配网络的三维结构示意图。电源分配网络在混合高速电路系统中，混合高速电路系统包括噪声源电路和噪声敏感电路，噪声源电路包括高速数字电路、高速开关电源等，噪声敏感电路包含有射频电路和模拟电路等。由互补开口环谐振器组成的电磁带隙结构局部性的刻蚀在电源分配网络的电源平面上，从而可以在宽频率范围内对电源与地平面之间的同步开关噪声进行抑制，保证系统的电源完整性。
所述电源平面分布拓扑结构是一种局部抑制拓扑结构，在混合高速电路系统中，高速数字电路和射频/模拟电路分布在不同的区域，由互补开口环谐振器形成的电磁带隙结构分布在高速数字电路和射频/模拟电路所对应的区域，测试端口分别位于EBG结构中心。图1中：1代表高速数字电路所在位置，2代表射频/模拟电路所在位置。相比较全局抑制拓扑结构，局部抑制拓扑结构在对同步开关噪声宽阻带抑制的同时，对返回电流路径的连续性破坏较小，从而保证电路的信号完整性。
所述电磁带隙结构是一种周期性结构，又是一种人工电磁材料，通过金属单元与电介质之间的耦合形成谐振单元，利用结构单元自身的谐振效应，来形成高阻表面，阻止谐振频率附近的表面波传播，在一定的频率范围内形成带隙，从而对噪声信号的传输进行抑制。
如图2所示，为本发明所涉及的两个相邻电磁带隙结构基本单元的俯视图。图2中：3代表组成电磁带隙结构基本单元的互补开口环谐振器，4代表连接两个相邻电磁带隙结构的Z-型桥。所述周期性延拓的基本单元之间由Z-型桥组成，采用Z-型桥可以增大等效电感大小，从而减小噪声抑制传输系数的低频截止频率，增大噪声抑制的频带带宽范围。
如图3所示，显示了本发明所涉及的电源分配网络结构中各端口之间的噪声抑制结果图，由图可知，当噪声在端口1（即Port1）产生时，由于位置1处的电磁带隙结构抑制了电磁波传输，其他3个端口(即Port2、Port3、Port4)位置处都能较好的对噪声进行抑制。其中，S21，S31和S41分别表示端口2、端口3、端口4与端口1之间的散射参数。
如图4所示，显示了本发明所涉及的电源分配网络结构的测试结果与仿真结果对比图，由对比图可知，仿真结果和测试结果基本吻合，达到了预计的宽频带高抑制度的噪声抑制效果。
综上，本发明所设计的电源分配网络结构在以-50dB作为噪声抑制参考值时，能够在0.25GHz—25GHz的频率带宽范围内对同步开关噪声进行抑制，可见，本发明可以明显地对同步开关噪声进行抑制，达到宽频带高抑制度的噪声抑制效果，同时减小了对返回电流路径的破坏，保证了电源分配网络的电源完整性和信号完整性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和实现，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (4)
1.一种基于局部电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于：包括电源平面分布拓扑结构、电磁带隙结构和互补开口环谐振器；所述电磁带隙结构是周期性结构，其基本单元由互补开口环谐振器组成，相邻的所述基本单元之间由Z-型桥连接，其中，所述互补开口环谐振器根据所述电源平面分布拓扑结构刻蚀在电源平面上，对电源与地平面之间的同步开关噪声进行抑制；
所述电源平面分布拓扑结构是局部抑制拓扑结构，在混合高速电路系统中，噪声源电路和噪声敏感电路分布于混合高速电路系统的不同区域，所述电磁带隙结构分别位于噪声源电路和噪声敏感电路所在的区域；
所述电源分配网络使用的是FR-4介质基板，为有耗介质材料，相对介电常数＝4.4，介质厚度＝0.2mm，介质表面的金属厚度＝35um，损耗角正切＝0.02；
所述电源平面由电磁带隙结构局部刻蚀，地平面保持完整；
所述电磁带隙结构是一种周期性结构，它是一种人工电磁材料，在一定的频率范围内具有阻带特性，能够对噪声信号的传输进行抑制；
所述电源分配网络，当以-50dB为噪声耦合抑制标准时，该电源分配网络能够在0.26GHz—25GHz频率范围内对同步开关噪声进行抑制；
所述电磁带隙结构通过金属单元与电介质之间的耦合形成谐振单元，利用结构单元自身的谐振效应，阻止谐振频率附近的表面波传播。
2.根据权利要求1所述的基于局部电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于：所述电磁带隙结构分布在噪声源电路的高速数字电路和噪声敏感电路的射频/模拟电路所对应的区域。
3.根据权利要求1所述的基于局部电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于：所述互补开口环谐振器是一种人工介质谐振器，它属于微波异性介质，当电场轴向入射到谐振器表面时，会产生负的介电常数，形成一个陡峭的传输禁带。
4.根据权利要求1所述的基于局部电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于：所述电磁带隙结构与SMA同轴接头连接，连接到矢量网络分析仪来测量噪声耦合传输系数。
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