CN110769592A - 一种印刷电路板及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种印刷电路板及其设计方法，包括：电磁带隙(EBG)结构和绕线结构；其中，EBG结构包括：多个EBG单元，每个EBG单元的电源层平面中直线信道经过补满和挖空处理其边界为矩形且电源层平面上开设有槽孔；绕线结构设置于每个EBG单元四周的挖空部分，绕线结构中绕线的设置方式为从挖空部分的外围至内围或者内围至外围。由于EBG单元的电源层平面上开设了槽孔，因此在抑制噪声带宽和止带深度方面表现更佳。
Description
技术领域
本文涉及数字电路技术，尤指一种印刷电路板及其设计方法。
背景技术
印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)是电子元器件电气连接的提供者，电磁带隙(Electromagnetic Band Gap，EBG)结构是一种控制电磁波传播的周期性结构，常常应用于PCB中以使PCB达到抑制噪声的目的。
相关技术中，共平面EBG结构是一种常见的EBG结构，该结构应用于PCB中使得PCB在抑制噪声带宽、中心频率和止带深度方面都有良好的表现。
然而，基于现有共平面EBG结构的PCB虽然在抑制噪声带宽和止带深度方面有较好表现，但效果仍然不理想。
发明内容
本申请提供了一种印刷电路板及其设计方法，能够在抑制噪声带宽和止带深度方面表现更佳。
本申请提供了一种印刷电路板，电磁带隙EBG结构和绕线结构；
其中，所述EBG结构包括：多个EBG单元，每个所述EBG单元的电源层平面的边界为矩形且所述电源层平面上开设有槽孔；
所述绕线结构设置于每个所述EBG单元四周的挖空部分，所述绕线结构中绕线的设置方式为从所述挖空部分的外围至内围或者内围至外围。
所述槽孔开设于所述电源层平面的中央位置。
所述槽孔为正方形且边长为5mm。
所述绕线结构为4折的绕线结构。
所述绕线结构的宽度为2mm，所述绕线结构的每一折绕线的宽度为0.2mm、长度为20mm。
本申请还提供了一种印刷电路板的设计方法，包括：
对组成EBG结构的每个EBG单元的电源层平面中直线信道进行补满和挖空处理以使所述电源层平面的边界形成矩形；其中，所述印刷电路板包括：所述EBG结构和绕线结构；
在每个EBG单元的电源层平面上开设槽孔；
在每个所述EBG单元四周的挖空部分，从所述挖空部分的外围至内围或者内围至外围设置绕线结构。
所述在每个EBG单元的电源层平面上开设槽孔，包括：
在每个所述EBG单元的电源层平面的中央位置处开设所述槽孔。
所述槽孔为正方形且边长为5mm。
所述绕线结构为4折的绕线结构。
所述绕线结构的宽度为2mm，所述绕线结构的每一折绕线的宽度为0.2mm、长度为20mm。
与相关技术相比，本申请包括：电磁带隙EBG结构和绕线结构；其中，所述EBG结构包括：多个EBG单元，每个所述EBG单元的电源层平面的边界为矩形且所述电源层平面上开设有槽孔；所述绕线结构设置于每个所述EBG单元四周的挖空部分，所述绕线结构中绕线的设置方式为从所述挖空部分的外围至内围或者内围至外围。由于EBG单元的电源层平面上开设了槽孔，因此在抑制噪声带宽和止带深度方面表现更佳。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为相关技术中的一种电磁带隙结构的示意图；
图2为相关技术中一种HIS结构的等效电路模型的示意图；
图3为相关技术中一种共平面式电磁带隙结构的示意图；
图4为相关技术中共平面式EBG结构的等效电路模型的示意图；
图5为相关技术中另一种共平面式电磁带隙结构的示意图；
图6为相关技术中一种电磁带隙结构的示意图；
图7为相关技术中单折信道跟直线信道的仿真示意图；
图8为相关技术中另一种电磁带隙结构的示意图；
图9为相关技术中多折信道与单折信道的仿真示意图；
图10为本申请实施例提供的一种印刷电路板的结构示意图；
图11为本申请实施例提供的一种绕线结构设置于每个EBG单元的示意图；
图12为本申请实施例提供的一种印刷电路板(新型的多折+槽孔信道EBG)与传统采用直线信道的印刷电路板的仿真示意图；
图13为本申请实施例提供的一种印刷电路板(新型的多折+槽孔信道EBG)与新型的多折信道的印刷电路板的仿真示意图；
图14为本申请实施例提供的一种印刷电路板的设计方法的流程示意图。
具体实施方式
本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。
相关技术中，随着接地弹跳噪声(Ground Bounce Noise，GBN)效应对系统的影响愈加显着，抑制GBN效应变得很重要，而利用光子带隙(Photonic band-gap，PBG)结构使电源平面(Power Plane)与完整接地平面(Ground Plane)形成平行板波导结构(Electromagnetic Band-Gap，EBG)，而电源平面的EBG结构就等同于一个串接的LC并联高阶带拒滤波器而达到抑制接地弹跳噪声GBN的效果。
电磁带隙结构的名称最初是以高阻抗表面(High Impedance surface，HIS)发展而来，当时大部分的应用于天线设计方面后来经由多位学者专家在其应用上的探讨，现在可应用的范围已变得相当广泛。此种特殊结构的特性是在于其可有效的阻挡表面电流使其电磁波被衰减掉而不易传播。其最初的结构型态是由一正方形金属片(Patch)加上连通柱(Via)接地所构成，藉由并排组合而成的几何结构以周期性的方式排列，且金属片与接地层之间填充着介电材料，藉由此三层结构的变化使得此结构在特定的频带会产生全方向性的截止频带来阻止电磁波的传播，其整体结构如图1所示。
关于此结构能阻挡电磁波传播的方式，我们可以透过用集总组件电路(LumpedElement Circuit)知道，如图2即为高阻抗结构(High Impedance surface，HIS)的等效电路模型，所形成的电路型态是一个LC并联的电路，其中电容值部份是由两金属片(Patch)之间所生成的，而电感值的部份则是由金属片、连通柱(Via)以及接地层分别所生成。可以透过公式(1.1)来说明工作的原理，当此等效电路产生共振效应(Resonace)的情况时，相当于是一条高阻抗的传播路径，因此就不容易传播。所以我们可以发现其会对电磁波的频带产生一截止频带，而截止频带上的中心频率也就是此等效电路的共振频率，其值可由公式(1.2)得知。
通过上述公式结果的说明，可以知道HIS结构其阻挡电磁波传播的原理。然而此结构通常一开始只运用在天线设计方面，经过数年以后有学者提出了可利用此一种结构的原理应用在PCB印刷电路板上来达成抑制噪声的表现，经由研究证实确实是有良好的抑制噪声效果，于是引起大家的热烈讨论。然而设计构造上不断的变化，其主要的目的就是为了要增加抑制噪声的带宽以及制作成本的减少，因此到目前为止有很多种不同类型的电磁带隙结构型态产生。
根据EBG结构应用于PCB上的类型可分成好几种型态，其中一种为共平面式电磁带隙(Coplanar EBG)结构的设计，它的构造是只有在电源层(Power plane)上做规则的形状切割。另外，针对共平面式结构延伸设计出新型结构，已达到更好的带宽与抑制噪声，如图3所示，其抑制噪声的工作原理也可透过其等效电路模型来做说明。
图4为一个共平面式EBG结构的等效电路模型，主要是藉由电感及电容所形成的并联电路，在特有的带宽下会有共振效应的现象产生，则其输入阻抗会趋近于无穷大。因此对噪声而言，这个共平面结构就等同于一条高阻抗的传播路径，所以就比较不容易被传递。
经由前面共平面的结构分析我们可以发现EBG设计的影响重点在于1.抑制噪声带宽2.中心频率3.止带深度4.讯号完整性，这四大特点来作为判断的基准，因此在设计新结构时必须以这四大特性为考虑，但在之前直线型信道共平面结构的结果发现前三大特性都有大幅改善，只有讯号完整性受到基本单元间隙度拉大，与通道中央本体的间隙度造成电源平面的不完整性影响，因此又出现了以牺牲抑制噪声带宽的方式来换取讯号完整性的新结构，新结构如下：
1.单折信道结构
此结构的设计重点是在图5的基础上，如图6所示，把原先共平面直线EBG外围挖空的部份，从边缘处加入一条弯折的绕线结构，并且跟EBG做信道链接以增加信道间的电感量，而去避免通道与本体之间的互相干扰，藉此来达成拓展带宽与抑制噪声的效果。
具体设计方法如下：
a.先将原始的直线信道G2给补满，此时电源层变为完整的电源层平面
b.在将G1挖空的部分，新增加金属绕线，此时先以单一折为主，增加金属线的目地是为了让公式1.1的LC并联电路，增加L等效电感值，使得输入阻抗变得更大，因此对噪声而言，这个共平面结构就等同于一条高阻抗的传播路径，所以就比较不容易被传递。
单折信道跟直线信道的仿真示意图如图7首先先以单折信道跟直线信道的仿真去做比较看看两者之间噪声的差异和带宽的影响。
2.多折通道结构
由图7可以看出原先单折信道虽然带宽有比直线信道EBG还要大，但是截止深度的改善并不多，此时如图8所示，延伸单折信道EBG的设计结构，利用金属线绕线多折所增加产生的电感性，比较截止深度的变化情形有何影响。
具体设计方法如下：
a.先将原始的单折通道的金属线做延伸弯折，并从原先单一折增加到4折金属线，此时多折区块本身的L互感量也会跟着增加
b.新增加多折4条金属线的目地是为了让前面所提及到公式1.1的LC并联电路，增加L等效电感值，使得输入阻抗变得更大，因此对噪声而言，这个结构就等同于一条高阻抗的传播路径，所以就比较不容易被传递。
针对多折信道与单折信道的仿真比较看看两者之间的差异，可以由图9看出多折有比单折带宽增大而且高频的截止深度也比较好。
本申请实施例提供一种印刷电路板，如图10所示，包括：电磁带隙EBG结构和绕线结构。
其中，所述EBG结构包括：多个EBG单元，每个所述EBG单元的电源层平面中直线信道经过补满和挖空处理其边界为矩形且所述电源层平面上开设有槽孔。
所述绕线结构设置于每个所述EBG单元四周的挖空部分，所述绕线结构中绕线的设置方式为从所述挖空部分的外围至内围或者内围至外围。
在一种示例性实例中，多折
在一种示例性实例中，槽孔是为了不让噪声源给扩散出去，藉此减少它的损耗。
在一种示例性实例中，可直接在电源层做通道切割，增加cell数，不需要再额外增加电源层面。
在一种示例性实例中，所述槽孔开设于所述电源层平面的中央位置。
在一种示例性实例中，所述槽孔为正方形且边长为5mm。
在一种示例性实例中，所述绕线结构为4折的绕线结构。
在一种示例性实例中，所述绕线结构的宽度为2mm，所述绕线结构的每一折绕线的宽度为0.2mm、长度为20mm。
在一种示例性实例中，绕线结构设置于每个EBG单元的示意图如图11所示。
在一种示例性实例中，图12为本申请实施例提供的印刷电路板(新型的多折+槽孔信道EBG)与传统采用直线信道的印刷电路板的仿真示意图，由图12可以看出，比起传统直线信道的EBG，新型的多折+槽孔信道EBG抑制噪声的带宽和止带深度更加优良。
在一种示例性实例中，图13为本申请实施例提供的印刷电路板(新型的多折+槽孔信道EBG)与新型的多折信道的印刷电路板的仿真示意图，由如图13可以看出，比起单纯新型的多折信道的EBG，新型的多折+槽孔信道EBG抑制噪声的带宽和止带深度更加优良。
本申请实施例提供的印刷电路板，由于EBG单元的电源层平面上开设了槽孔，因此在抑制噪声带宽和止带深度方面表现更佳。
本申请实施例还提供了一种印刷电路板的设计方法，如图14所示，包括：
步骤101、对组成EBG结构的每个EBG单元的电源层平面中直线信道进行补满和挖空处理以使电源层平面的边界形成矩形；其中，印刷电路板包括：EBG结构和绕线结构。
步骤102、在每个EBG单元的电源层平面上开设槽孔。
步骤103、在每个EBG单元四周的挖空部分，从挖空部分的外围至内围或者内围至外围设置绕线结构。
在一种示例性实例中，在每个EBG单元的电源层平面上开设槽孔，包括：
在每个EBG单元的电源层平面的中央位置处开设槽孔。
在一种示例性实例中，槽孔为正方形且边长为5mm。
在一种示例性实例中，绕线结构为4折的绕线结构。
在一种示例性实例中，绕线结构的宽度为2mm，绕线结构的每一折绕线的宽度为0.2mm、长度为20mm。
本申请实施例提供的印刷电路板的设计方法，由于EBG单元的电源层平面上开设了槽孔，因此在抑制噪声带宽和止带深度方面表现更佳。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
Claims (10)
1.一种印刷电路板，其特征在于，包括：电磁带隙EBG结构和绕线结构；
其中，所述EBG结构包括：多个EBG单元，每个所述EBG单元的电源层平面中直线信道经过补满和挖空处理其边界为矩形且所述电源层平面上开设有槽孔；
所述绕线结构设置于每个所述EBG单元四周的挖空部分，所述绕线结构中绕线的设置方式为从所述挖空部分的外围至内围或者内围至外围。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述槽孔开设于所述电源层平面的中央位置。
3.根据权利要求1或2所述的印刷电路板，其特征在于，所述槽孔为正方形且边长为5mm。
4.根据权利要求1所述的印刷电路板，其特征在于，所述绕线结构为4折的绕线结构。
5.根据权利要求1或4所述的印刷电路板，其特征在于，所述绕线结构的宽度为2mm，所述绕线结构的每一折绕线的宽度为0.2mm、长度为20mm。
6.一种印刷电路板的设计方法，其特征在于，包括：
对组成EBG结构的每个EBG单元的电源层平面中直线信道进行补满和挖空处理以使所述电源层平面的边界形成矩形；其中，所述印刷电路板包括：所述EBG结构和绕线结构；
在每个EBG单元的电源层平面上开设槽孔；
在每个所述EBG单元四周的挖空部分，从所述挖空部分的外围至内围或者内围至外围设置绕线结构。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述在每个EBG单元的电源层平面上开设槽孔，包括：
在每个所述EBG单元的电源层平面的中央位置处开设所述槽孔。
8.根据权利要求5或6所述的设计方法，其特征在于，所述槽孔为正方形且边长为5mm。
9.根据权利6所述的设计方法，其特征在于，所述绕线结构为4折的绕线结构。
10.根据权利要求6或9所述的设计方法，其特征在于，所述绕线结构的宽度为2mm，所述绕线结构的每一折绕线的宽度为0.2mm、长度为20mm。
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