CN103874323A - 基于垂直级联的共面电磁带隙板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了垂直级联的共面电磁带隙板及其制作方法，主要解决现有的电磁带隙电路板对同时开关噪声抑制能力差的问题。其自上而下包括第一电源层(1)、第一介质层(2)和第一地层(3)，该地层(3)的下方依次为第二介质层(4)、第二地层(5)、第三介质层(6)和第二电源层(7)；两个电源层均蚀刻有L-Bridge型金属图案，两个地层均采用金属光板；三个介质层均采用绝缘材料；各层板上均开有通孔(8)，通过这些通孔实现第一电源层(1)与第二电源层(7)之间的垂直级联，构成整体电磁带隙板。测试表明，本发明增强了对同时开关噪声的抑制能力，增大了抑制带宽，减少了噪声对信号传输的影响，可用于高频电子电路设计。

Description

基于垂直级联的共面电磁带隙板及其制作方法

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，涉及为一种共面电磁带隙板及制作方法，以提高对同时开关噪声的抑制能力，可用于微波、天线和通信等高频电子电路设计中。

背景技术

随着现代数字电路的时钟频率不断提高，一种由同时开关噪声SSN引起的信号完整性问题已经成为高速电路设计和制造的瓶颈，因此设计者的关注目光大部分集中在如何有效地抑制同时开关噪声SSN。传统的解决方案主要有：在电源层和地层之间增加去耦电容，可以抑制噪声传输，但是当噪声频率高于600MHz时去耦电容的作用会大大降低；通过增加过孔数目也可以有效抑制噪声，但是在电路设计过程中过孔的数目和位置难以确定；同时可以采用差分互连线进行信号传输，但是这种设计方法会增加成本。

近年来，电磁带隙结构EBG逐渐被应用于高速电路中来抑制同时开关噪声SSN。电磁带隙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同时开关噪声SSN限制在本地单元内，同时为同时开关噪声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。目前，已有很多学者提出平面型EBG结构，但是提出的结构抑制同时开关噪声SSN的能力较弱，阻带宽度较窄，没有实现超宽带抑制，如L-Bridged EBG结构的抑制带宽只有4GHz。若采用上述结构，同时开关噪声SSN仍然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，提出一种基于垂直级联的共面型电磁带隙结构及其制作方法，以增大阻带宽度，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。

实现本发明目的的技术思路是：通过垂直级联平面型电磁带隙结构，得到能够有效抑制同时开关噪声SSN的新型电磁带隙结构。

一.根据上述思路本发明的共面电磁带隙板，自上而下包括上电源层1、第一介质层2和第一地层3，其特征在于地层3的下方依次为第二介质层4、第二地层5、第三介质层6和下电源层7，形成上、下为电源层，中间为两层地层的整体结构。

所述的电源层由M×N个电磁带隙单元连接而成，其中M≥2，N≥2，每个电磁带隙单元均蚀刻成相同的矩形图案。

所述的介质层使用相对介电常数为4.4的绝缘材料。

所述的地层采用金属光板，且大小与电源层大小相同。

二.根据上述思路，本发明的共面电磁带隙板的制作方法，包括如下步骤

1）制作上电磁带隙板A；

1a）采用相对介电常数为4.4的绝缘材料制作第一介质层2，其厚度为L mm，其中0.1mm≤L≤0.2mm；

1b）以第一介质层2作为基板，在介质层顶层铺设上电源层1，该上电源层1由M×N个电磁带隙单元连接组成，每个电磁带隙单元蚀刻成相同的矩形图案，其中M≥2，N≥2；在介质层底层铺设由金属光板制作的第一地层3，其大小与上电源层1大小相同；

2）制作下电磁带隙板B；

2a）采用相对介电常数为4.4的绝缘材料制作第三介质层6，其厚度为L mm，其中0.1mm≤L≤0.2mm；

2b）以第三介质层6作为基板，在第三介质层6的顶层铺设下电源层7，该下电源层7由M×N个电磁带隙单元连接组成，每个电磁带隙单元蚀刻成相同的矩形图案，其中M≥2，N≥2；在第三介质层6的底层铺设由金属光板制作的第二地层5，其大小与下电源层7大小相同；

3）采用相对介电常数为4.4的绝缘材料制作厚度为H的基板，即第二介质层4，其中0.3mm≤H≤0.4mm；

4）将第二介质层4置于上电磁带隙板A与下电磁带隙板B之间，并在每个电磁带隙单元中间位置分别添加1个过孔，过孔从上到下依次穿过第一介质层2、第一地层3、第二介质层4、第二地层5、第三介质层6，通过这些过孔将最上层的上电源层1与最下层的下电源层7连接在一起，完成垂直级联，得到整体电磁带隙板。

所述的电磁带隙单元的大小为a×a，且25mm≤a≤30mm；电源层的大小与地层的大小均为b×c，其中，b=M×a，c=N×a；介质层的大小为d×e，且d=b+2，e=c+2；

所述的过孔8的孔径为r，2mm≤r≤3mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明由于通过垂直级联两个平面型电磁带隙结构的方法得到新的电磁带隙板，与传统的平面型电磁带隙结构相比，具有如下优点：

1.有效地增强同时开关噪声SSN抑制能力，展宽了阻带宽度；

2.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，

3.减少了电路板上抑制低频噪声的分立去耦电容的使用数目，降低了生产成本。

以下通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的共面电磁带隙板整体结构主视图；

图2为本发明的共面电磁带隙板整体结构俯视图；

图3为本发明的共面电磁带隙板的制作流程图；

图4为本发明中上、下两块电磁带隙板的组合方式图；

图5为本发明两块电磁带隙板组合后添加过孔的各层示意图；

图6为本发明垂直级联后的电磁带隙板与传统电磁带隙板的插入损耗对比图。

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，本发明基于垂直级联的共面电磁带隙板，其自上而下包括上电磁带隙板A、第二介质层4和下电磁带隙板B。其中：

上电磁带隙板A，由第一介质层2、上电源层1和第一地层3构成，且电源层1位于第一介质层2的上面，第一地层3位于第一介质层2的下面；

下电磁带隙板A，由第三介质层6、下电源层7和第二地层5构成，且电源层7位于第三介质层6的下面，第二地层5位于第三介质层6的上面。

所述的上电源层1、第一介质层2、第一地层3、第二介质层4、第二地层5、第三介质层6和下电源层7自上而下依次中心对齐放置，开设通孔8，本实例在每层板上开设但不限于9个通孔，通过这些通孔使顶层的上电源层1与底层的下电源层7连接在一起，形成垂直级联的共面电磁带隙板。

参照图2和图5，所述的上电源层1和下电源层7结构相同，均由大小相同的3×3个电磁带隙单元连接而成，每个电磁带隙单元均蚀刻成L-Bridge型图案，制作材料为铜，相对介电常数为1；

所述的第一地层3与第二地层5结构相同，均采用无任何图案的光板结构，即板上，其制作材料为铜，相对介电常数为1。

所述的第一地层3、第二地层5、上电源层1、下电源层7，均为大小相同的矩形金属板。

所述的第一介质层2、第二介质层4和第三介质层6大小相同，使用相对介电常数为4.4的FR4材料，且第一介质层2与第三介质层6的厚度均为0.1mm，第二介质层4的厚度为0.3mm；这三个介质层的形状均为边长大于地层边长的矩形绝缘板，用于保护第一地层3、第二地层5、上电源层1、下电源层7受到磨损。

参照图3，本发明基于垂直级联的共面电磁带隙板的制作方法，包括如下步骤：

1）制作上电磁带隙电路板A；

1a）制作M×N个边长为a的电磁带隙单元，M≥2，N≥2，25mm≤a≤30mm，本实例取值为M=N=3，a=30mm；每个电磁带隙单元蚀刻成L-Bridge图案，将这些单元连接在一起构成矩形上电源层1；

1b）制作大小为b×c的矩形金属光板作为第一地层3，b=M×a，c=N×a，本实例取值为b=c=90mm；

1c）制作厚度为0.1mm的第一介质层2，该介质层为矩形结构，其长：d=b+2，宽：e=c+2，本实例取值为d=e=92mm；

1d）以第一介质层2为基板，上面铺设上电源层1，下面铺设第二地层3，构成上电磁带隙电路板A。

2）制作下电磁带隙电路板B；

2a）制作M×N个边长为a的电磁带隙单元，M≥2，N≥2，25mm≤a≤30mm，本实例取值为M=N=3，a=30mm，每个电磁带隙单元蚀刻成L-Bridge图案，将这些单元连接在一起构成矩形下电源层7；

2b）制作大小为b×c的矩形金属光板作为第二地层5，b=M×a，c=N×a，本实例取值为b=c=90mm；

2c）制作厚度为0.1mm的第三介质层6，该介质层为矩形结构，其长：d=b+2，宽：e=c+2，本实例取值为d=e=92mm；

2d）以第三介质层6为基板，下面铺设下电源层7，上面铺设第二地层5，构成下电磁带隙电路板B；

3）制作厚度为0.3mm的第二介质层4，该介质层为矩形结构，其长：d=b+2，宽：e=c+2，本实例取值为d=e=92mm。

所述的电磁带隙单元、第一地层3、第二地层5的制作材料为铜，相对介电常数为1；

所述的第一介质层2、第二介质层4、第三介质层6的制作材料为FR4，相对介电常数为4.4；

4）将上、下电磁带隙电路板和第三介质层组合成整体电磁带隙板：

4a）将第二介质层4置于上电磁带隙板A与下电磁带隙板B之间，如图4，

4b）在每个电磁带隙单元中间位置分别添加一个采用沉铜工艺制作的孔径通孔8，如图5所示，孔径r为2mm≤r≤3mm，本实例取值为r=2mm，这些通孔8自上而下依次穿过上电源层1、第一介质层2、第一地层3、第二介质层4、第二地层5、第三介质层6和下电源层7；通过这些通孔8将顶层的上电源层1与底层的下电源层7连接在一起，完成垂直级联，得到整体电磁带隙板。

本发明的性能可通过以下仿真方法与实测方法进行说明：

使用矢量网络分析仪测试整体电磁带隙板实物的插入损耗，验证其抑制同时开关噪声SSN的能力，实测结果如图6中的点虚线所示；在HFSS13软件中，设计整体电磁带隙板的模型图，对电磁带隙板的模型进行仿真，获得插入损耗参数，其仿真结果如图6中的线虚线所示。

图6中，横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为插入损耗，单位为dB。以-30dB作为计算抑制深度的标准，由仿真结果曲线可知，基于垂直级联的共面电磁带隙板的带隙宽度达到9.29GHz，图6中实线代表传统L-Bridge EBG结构的插入损耗图，它的带隙宽度只有4G左右，因此垂直级联电磁带隙板的禁带覆盖频率较宽，对同时开关噪声SSN具有较好的抑制能力，保证信号正常传输。

通过实测结果与仿真结果对比，其仿真结果与实测结果近似，进一步验证了本发明垂直级联电磁带隙板具有较好的同时开关噪声抑制能力，有广阔的发展空间。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于垂直级联的共面电磁带隙板，自上而下包括第一电源层（1）、第一介质层（2）和第一地层（3），其特征在于地层（3）的下方依次为第二介质层（4）、第二地层（5）、第三介质层（6）和第二电源层（7），形成上、下为电源层，中间为两层地层的整体结构。 

2.根据权利要求1所述的基于垂直级联的共面电磁带隙板，其中电源层由M×N个电磁带隙单元连接而成，其中M≥2，N≥2，每个电磁带隙单元均蚀刻成相同的矩形图案。 

3.根据权利要求1所述的基于垂直级联的共面电磁带隙板，其中介质层使用相对介电常数为4.4的绝缘材料。 

4.根据权利要求1所述的基于垂直级联的共面电磁带隙板，其中地层采用金属光板，且大小与电源层大小相同。 

5.一种基于垂直级联的共面电磁带隙板的制作方法，包括如下步骤： 

1）制作上电磁带隙板A； 

1a）采用相对介电常数为4.4的绝缘材料制作第一介质层（2），其厚度为L mm，其中0.1mm≤L≤0.2mm； 

1b）以第一介质层（2）作为基板，在介质层顶层铺设上电源层（1），该上电源层（1）由M×N个电磁带隙单元连接组成，每个电磁带隙单元蚀刻成相同的矩形图案，其中M≥2，N≥2；在介质层底层铺设由金属光板制作的第一地层（3），其大小与上电源层（1）大小相同； 

2）制作下电磁带隙板B； 

2a）采用相对介电常数为4.4的绝缘材料制作第三介质层（6），其厚度为L mm，其中0.1mm≤L≤0.2mm； 

2b）以第三介质层（6）作为基板，在第三介质层（6）的底层铺设下电源层（7）， 该下电源层（7）由M×N个电磁带隙单元连接组成，每个电磁带隙单元蚀刻成相同的矩形图案，其中M≥2，N≥2；在第三介质层（6）的顶层铺设由金属光板制作的第二地层（5），其大小与下电源层（7）大小相同； 

3）采用相对介电常数为4.4的绝缘材料制作厚度为H的基板，即第二介质层（4），其中0.3mm≤H≤0.4mm； 

4）将第二介质层（4）置于上电磁带隙板A与下电磁带隙板B之间，并在每个电磁带隙单元中间位置分别添加一个过孔8，过孔8从上到下依次穿过第一介质层（2）、第一地层（3）、第二介质层（4）、第二地层（5）、第三介质层（6），通过这些过孔8将最上层的上电源层（1）与最下层的下电源层（7）连接在一起，完成垂直级联，得到整体电磁带隙板。 

6.根据权利要求5所述的基于垂直级联的共面电磁带隙板的制作方法，其中电磁带隙单元的大小为a×a，且25mm≤a≤30mm；电源层的大小与地层的大小均为b×c，其中，b=M×a，c=N×a；介质层的大小为d×e，且d=b+2，e=c+2。 

7.根据权利要求5所述的基于垂直级联的共面电磁带隙板的制作方法，其中过孔8采用沉铜工艺制作，孔径为r，2mm≤r≤3mm。 

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