CN105517318A - 基于开环谐振器与x型桥的电源ebg结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于开环谐振器与X型桥的电源EBG结构，包含两层金属层和一层介质层，介质层位于两层金属层之间，上层金属层为电源层，下层金属层为地层，上层金属层即电源层采用刻蚀开环谐振器作为EBG结构的周期性单元，开环谐振器之间采用X型桥连接，下层金属层采用完整的金属平面，所述的开环谐振器通过调整开环谐振器的尺寸进行调节。本发明采用2层金属层设计EBG结构，该结构的周期单元采用互补开环谐振器，并用X型桥连接周期单元，达到增加阻带带宽和抑制深度的效果，因此可以在宽频带范围内实现对电磁噪声的有效抑制。

Description

基于开环谐振器与X型桥的电源EBG结构

技术领域

本发明是一种新型超宽带的电源EBG结构，属于电子信息技术领域，其主要用于高速/微波印刷电路的电源平面，抑制在电源/地层平面间的电磁干扰噪声，实现良好的电源完整性。

背景技术

现代电路系统集成了数字电路、射频电路、模拟电路等，集成密度越来越高，工作频率也越来越高，电源地网络的电磁干扰也越来越明显，对系统的性能带来恶劣影响，必须加以抑制。在电源地网络中，电源面与地面之间形成平面对结构，并在一定频率范围内产生各种谐振。此外，高速数字电路产生的同步开关噪声（SSN），在电源地平面中的谐振幅度会加大，加剧了SSN在电源/地平面对之间的传播。随着电路频率的不断提高，电源地的电磁干扰噪声会越来越显著，必须加以抑制从而保证良好的电源完整性。如何设计出合适的电源结构，对电磁干扰噪声进行抑制，成为目前现代电路技术的研究热点。

目前，为解决电路系统中的电源完整性问题，有多种方法可用来抑制电源的电磁干扰噪声。在工业界中广泛采用的方法是在电路板中添加离散去耦电容，为信号线提供一条低阻抗返回路径来达到抑制SSN噪声的目的。但是集总电容在高频时不再是纯电容，而会产生寄生电感和寄生电容，容易产生谐振，不适合对高频噪声进行抑制。美国的G.W.Peterson等人提出在电源/地平面对的四周嵌入电阻电容（RC）元件来改善终端匹配，以减小电路板边界处的反射，来抑制SSN噪声的传播。同样，采取这种方法由于使用大量的集总元件，在高频时会受到明显的寄生效应影响。采用电源岛或者分割电源平面也是SSN噪声的抑制方法之一，它在电源/地平面对上刻蚀出一个独立的区域,对噪声源模块和噪声敏感电路模块进行隔离。然而采用电源岛方法的噪声抑制频率范围较窄，且在高频时的隔离深度较差。局部的互补开环谐振器具有阻带特性，可以有效抑制高频噪声。电磁带隙（EBG）结构，作为周期性电路结构，可以有效抑制电磁噪声在电源地网络中的传播。目前的EBG结构大多采用三层、或四层金属，其周期性的单元结构有通孔平面对型、蘑菇状等。

蘑菇状、通孔平面对型等大多数电源EBG结构采用三层、或四层金属，与传统的电源地平面相比，除上下两层作为电源平面与地平面之外，还额外引入了1-2层金属层，如具有滤波器特性，可以在宽频带范围内高效地抑制电源地网络的电磁干扰噪声，然而额外金属层的引入大大增加了电路加工的成本。

发明内容

1、本发明的目的。

针对大多数EBG结构采用3-4层金属层，才能够抑制高频噪声，但是成本高的缺点，提出了一种基于开环谐振器与X型桥的电源EBG结构。

2、本发明所采用的技术方案。

基于开环谐振器与X型桥的电源EBG结构，包含两层金属层和一层介质层，介质层位于两层金属层之间，上层金属层为电源层，下层金属层为地层，上层金属层即电源层采用刻蚀开环谐振器作为EBG结构的周期性单元，开环谐振器之间采用X型桥连接，下层金属层采用完整的金属平面。开环谐振器通过调整开环谐振器的尺寸进行调节，具体地开环谐振器中调节所采用的方式为：是开环谐振器单元的等效电容，其计算公式为：

其中t为开环谐振器的内边长，是介质材料的相对介电常数；是自由空间的介电常数。L _b 是开环谐振器所形成的等效电感，其计算公式为：

是其单位长度上的等效电感。开环谐振器的谐振频率近似计算公式为：

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3、本发明的有益效果。

（1）本发明的电源EBG结构采用二层金属层，两层金属层之间为介质层，与大多数电源EBG结构采用3-4层金属层相比，具有电路板层数少，成本低的优点。

（2）本发明的电源EBG结构，其上层金属层刻蚀电磁带隙（EBG）结构，作为电源层；下层为完整金属层作为地层，与大多数非完整地平面的电源地结构设计相比，保证了信号回路的连续性，因而对信号完整性的影响小。

（3）采用本发明的电源EBG两层金属层的结构，并且其周期性单元为开环谐振器，与其他典型的电磁带隙结构单元相比，为了达到相同的低截止频率和高噪声抑制特性，其尺寸小，对信号完整性的破坏小，由于开环谐振器的引入，可在实现电磁干扰噪声宽带高抑制的同时，减小对电源平面的破坏，保证信号完整性。

（4）本发明的电源EBG结构，各周期单元之间采用X型桥连接，其等效电感可以改善EBG结构的阻带宽度，实现对电源噪声的宽频带抑制。

（5）本发明的电源EBG结构，将开环谐振器与X型桥相结合，可以在宽频带范围内有效抑制电源地网络上的电磁干扰噪声，并保证信号的完整性。

综上所述，本发明采用2层金属层设计EBG结构，该结构的周期单元采用互补开环谐振器，并用X型桥连接周期单元，达到增加阻带带宽和抑制深度的效果，因此可以在宽频带范围内实现对电磁噪声的有效抑制。

附图说明

图1基于开环谐振器与X型桥的电源EBG结构。

图2开环谐振器与X型桥。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

实施例

如图1所示，基于开环谐振器与X型桥的电源EBG结构，包含两层金属层和一层介质层（2），介质层（2）位于两层金属层之间，上层金属层（1）为电源层，下层金属层（3）为地层，本发明的电源EBG结构采用二层金属层，两层金属层之间为介质层，与大多数电源EBG结构采用3-4层金属层相比，具有电路板层数少，成本低的优点。

上层金属层（1）即电源层采用刻蚀开环谐振器作为EBG结构的周期性单元，开环谐振器之间采用X型桥连接，下层金属层（3）采用完整的金属平面。如图2所示，开环谐振器的引入，可在实现电磁干扰噪声宽带高抑制的同时，减小对电源平面的破坏，保证信号完整性。下层金属层采用完整的金属平面与大多数非完整地平面的电源地结构设计相比，保证了信号回路的连续性，因而对信号完整性的影响小。

所述的开环谐振器通过调整开环谐振器的尺寸进行调节，其计算公式为：

开环谐振器的内边长为t,外边长为l，开口宽度为g，刻蚀线的宽度为s，刻蚀线间距离为w，相邻开环谐振器的间距为w _l2 .。开环谐振器可等效为电容电感（LC）振荡电路，其中是开环谐振器单元的等效电容，是介质材料的相对介电常数；是自由空间的介电常数。

L _b 是开环谐振器所形成的等效电感，其计算公式为：

L _u 是其单位长度上的等效电感。

开环谐振器的谐振频率近似计算公式为：

由以上公式可知，开环谐振器单元的性能改善可以通过尺寸设计来实现。与其他典型的电磁带隙结构单元相比，开环谐振器为了达到相同的低截止频率和高噪声抑制特性，其尺寸小，对信号完整性的破坏小。

本发明的X型桥连接相邻的两个开环谐振器，可以等效为并联电容Cx与串联电感Lx。因此，X型连桥的引入，增加了谐振单元的等效电容与等效电感，降低了阻带的截止频率，从而扩展了电磁干扰噪声抑制的带宽，改善了电源的性能。

Claims (4)

1.一种基于开环谐振器与X型桥的电源EBG结构，其特征在于：包含两层金属层和一层介质层（2），介质层（2）位于两层金属层之间，上层金属层（1）为电源层，下层金属层（3）为地层，上层金属层（1）即电源层采用刻蚀开环谐振器作为EBG结构的周期性单元，开环谐振器之间采用X型桥连接。

2.根据权利要求1所述的基于开环谐振器与X型桥的电源EBG结构，其特征在于：下层金属层（3）采用完整的金属平面。

3.根据权利要求1或2所述的基于开环谐振器与X型桥的电源EBG结构，其特征在于：所述的开环谐振器通过调整开环谐振器的尺寸进行调节。

4.根据权利要求3所述的基于开环谐振器与X型桥的电源EBG结构，其特征在于所述的开环谐振器中调节所采用的方式为：是开环谐振器单元的等效电容，其计算公式为：

其中t为开环谐振器的内边长，是介质材料的相对介电常数；是自由空间的介电常数，L _b 是开环谐振器所形成的等效电感，其计算公式为：

是其单位长度上的等效电感，开环谐振器的谐振频率近似计算公式为：

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