CN111601452A - 一种基于电磁能隙结构的印制电路板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁能隙结构的印制电路板，包括接地层和由多个金属片平铺组成的电源层，其中，金属片的外围挖空，形成第一挖空结构；金属片的内部设有第二挖空结构；相邻的金属片的第一挖空结构之间通过第一金属线连接形成信道。本发明提供的应用于印制电路板的电磁能隙结构在现有的直线型信道共平面电磁能隙结构的基础上，增加了金属片内部的第二挖空结构，从而从噪声源(板上电源)处抑制了噪声的传播，并在第二挖空结构中填充第二金属线，使得电源层金属片内部的电感性更加平衡，使抑制噪声带宽持续增加，在现有技术的基础上进一步增强了抑制接地弹跳噪声的能力，优化了现有技术中直线型信道共平面电磁能隙结构的讯号完整性问题。
Description
技术领域
本发明涉及印制电路板技术领域，特别是涉及一种基于电磁能隙结构的印制电路板。
背景技术
在现代科技产品向高速、微型化的发展过程中，尤其是在高效能服务器中芯片信号传输速率越来越快的情况下，信号受到干扰破坏以导致接收到的信号失真的问题越来越需要重视，影响信号完整性的因素可能有讯号对时序的问题、信号振铃、信号反射、近端和远程的串扰、开关的噪声、地弹和电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电池干扰等，而信号输入端与信号输出端之间的接地弹跳噪声(Ground Bounce Noise，GBN)是主要的噪声来源之一。
现有技术提出一种利用光子带隙(Photonic band-gap，PBG)结构使印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)的电源层(Power Plane)与接地层(Ground Plane)形成平行板波导结构(又称为电磁能隙结构(Electromagnetic Band-Gap，EBG))的方案。
图1为现有技术中的一种电磁能隙结构示意图；图2为图1所示的电磁能隙结构的等效电路示意图。
电磁能隙结构的名称最初是以高阻抗表面(High Impedance surface，HIS)发展而来，最开始应用于天线领域，该结构能够有效地阻挡表面电流造成其电磁波衰减而不易传播。如图1所示，电磁能隙结构由一个金属片(Patch)及连通柱(Via)接地后构成，多个金属片(Patch)藉由并排组合而成的几何结构以周期性的方式排列组成印制电路板的电源层，即图1所示的电磁能隙金属片(EBG patches)；金属片与接地层(Ground Plane)之间为填充着介电材料的基底(Substrate)。
藉由图1所示的三层结构的变化使得电磁能隙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，其原理如图2所示，图2左侧是图1所示的三层结构的侧视图，图2右侧为图1所示三层结构的等效电路模型，其中，电容C部分是由两金属片(Patch)之间的空隙形成的，电感L部分则是由金属片(Patch)、连通柱(Via)以及接地层(GroundPlane)分别形成。该等效而成的LC并联电路的阻抗Zin由下述公式(1)计算得到：
可以看到，当
时，Zin→∞。则当图2所示的等效电路产生共振效应(Resonace)时，该三层结构相当于一条高阻抗的传播路径，噪声因此不易传播，该传播路径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，该共振频率fres如下述公式(2)所示：
在上述高阻抗表面结构抑制噪声传播的原理的基础上，将电磁能隙结构应用于印制电路板。图3为现有技术中的一种应用于印制电路板的电磁能隙结构的示意图；图4为图3所示电磁能隙结构的等效电路。
共平面式电磁能隙(Coplanar EBG)结构是一种常见的应用于印制电路板的电磁能隙结构，它的构造是有在电源层(Power Plane)上做规则的形状切割，一种常见的直线信道的共平面式电磁能隙结构如图3所示，其中，深色部分为金属片(Patch)的实体部分，浅色部分为挖空部分，将金属片(Patch)的外围进行挖空以形成金属片(Patch)之间的空隙，各金属片(Patch)之间通过直线型金属线连接，即直线型信道，同时将金属片(Patch)的直线型金属线的两侧进行深入挖空。图3中的直线信道的共平面式电磁能隙结构的等效电路如图4所示，其中，L1由金属片(Patch)、直线信道、连通柱(Via)以及接地层(Ground Plane)形成，C1由金属片(Patch)在直线信道两侧的挖空部分形成，C2由金属片(Patch)之间的空隙形成，主要通过电感L1和电容C1形成对噪声的高阻抗传播路径，达到抑制电源层产生的接地弹跳噪声传播的效果。
综上可以看到，在印制电路板上的电磁能隙结构设计主要以抑制噪声带宽、中心频率、止带深度、讯号完整性(SI)这四大特点来作为效果优劣的判断基准，但是在仿真过程中发现，虽然现有的直线型信道共平面电磁能隙结构的前三项特性都有大幅改善，但保持讯号完整性的效果依然不佳。
提供一种更好的抑制接地弹跳噪声以优化印制电路板电源层的讯号完整性性能，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电磁能隙结构的印制电路板，相较于现有的直线型信道共平面电磁能隙结构能够更好地抑制抑制接地弹跳噪声的传播，优化了现有技术中直线型信道共平面电磁能隙结构的讯号完整性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于电磁能隙结构的印制电路板，包括接地层和由多个金属片平铺组成的电源层；
所述金属片的外围挖空，形成第一挖空结构；所述金属片的内部设有第二挖空结构；相邻的所述金属片的第一挖空结构之间通过第一金属线连接形成信道；所述第二挖空结构中设有用于连通所述金属片的未挖空部分的第二金属线。
可选的，所述第二金属线具体构成X型结构。
可选的，所述第二金属线具体构成多个X型结构。
可选的，所述第一金属线具体为直线型结构。
可选的，所述第一金属线具体为弯折型结构。
可选的，所述第一金属线具体为多折结构。
可选的，所述金属片具体为边长30mm的正方形结构，所述第一挖空结构的宽度具体为2mm，所述第一金属线具体为四折结构。
可选的，所述第二挖空结构具体为边长10mm的正方形结构。
本发明所提供的基于电磁能隙结构的印制电路板，包括接地层和由多个金属片平铺组成的电源层，其中，金属片的外围挖空，形成第一挖空结构；金属片的内部设有第二挖空结构；相邻的金属片的第一挖空结构之间通过第一金属线连接形成信道。本发明提供的应用于印制电路板的电磁能隙结构在现有的直线型信道共平面电磁能隙结构的基础上，增加了金属片内部的第二挖空结构，从而从噪声源(板上电源)处抑制了噪声的传播，并在第二挖空结构中填充第二金属线，使得电源层金属片内部的电感性更加平衡，使抑制噪声带宽持续增加，在现有技术的基础上进一步增强了抑制接地弹跳噪声的能力，优化了现有技术中直线型信道共平面电磁能隙结构的讯号完整性问题。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种电磁能隙结构示意图；
图2为图1所示的电磁能隙结构的等效电路示意图；
图3为现有技术中的一种应用于印制电路板的电磁能隙结构的示意图；
图4为图3所示电磁能隙结构的等效电路；
图5为本发明实施例提供的一种基于电磁能隙结构的印制电路板的电源层的仰视图；
图6为图3所示的电磁能隙结构的仰视图；
图7为本发明实施例提供的另一种基于电磁能隙结构的印制电路板的电源层的仰视图；
图8为图7所示的电磁能隙结构的等效电路示意图；
图9为图7所示的电磁能隙结构抑制噪声能力的仿真曲线图。
其中，P为金属片，G1为第一挖空结构，G2为第三挖空结构，G3为第二挖空结构，s1为第一金属线，s2为第二金属线。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于电磁能隙结构的印制电路板，相较于现有的直线型信道共平面电磁能隙结构能够更好地抑制抑制接地弹跳噪声的传播，优化了现有技术中直线型信道共平面电磁能隙结构的讯号完整性差的问题。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图5为本发明实施例提供的一种基于电磁能隙结构的印制电路板的电源层的仰视图；图6为图3所示的电磁能隙结构的仰视图。
本发明实施例提供的基于电磁能隙结构的印制电路板包括接地层和由多个金属片P平铺组成的电源层；
金属片P的外围挖空，形成第一挖空结构G1；金属片P的内部设有第二挖空结构G3；相邻的金属片P的第一挖空结构G1之间通过第一金属线s1连接形成信道。
如图5所示，将印刷电路板电源层的金属片P的外围挖空后形成第一挖空结构G1；将金属片P的内部挖空后形成第二挖空结构G3，优选在电源附近进行挖空。由于电源层的金属片P上需要承载电源器件及周边电路，第一挖空结构G1和第二挖空结构G3的面积需要视所在金属片P上器件所需的面积而定。一种常见的金属片P设计为边长为30mm的正方形结构，则第一挖空结构G1的宽度可以为0.5-2mm。
通过在第一挖空结构G1中加入第一金属线s1用于与另一金属片P相应的第一金属线s1连接，并且利用第一金属线s1与电磁能隙结构链接以增加信道间的电感量，从而避免信道与金属片P本体之间的相互干扰，藉此来达成拓展带宽与抑制噪声的效果。
第一金属线s1可以为如图3所示的直线型结构，其仰视图如图6所示，深色部分为金属片P实体，框出的空白部分为金属片P的挖空部分，则金属片P外围的挖空部分为第一挖空结构G1，金属片P上直线信道(第一金属线s1)两侧的挖空部分为第三挖空结构G2。第三挖空结构G2的宽度可以为1.5mm，长度L可以为5.0mm；G1的宽度可以为0.5mm；第一金属线s1的宽度W可以为0.15mm。
在图6的基础上，第一金属线s1还可以为图5所示的弯折型结构，具体为将第三挖空结构G2填满，保留并拓宽第一挖空结构G1以为第一金属线s1提供绕线空间，增加弯折型的第一金属线s1，参考本文背景技术部分的公式(1)，弯折型的第一金属线s1相较于直线型的金属线长度更长，增加了L的等效电感值，可以使输入阻抗Zin变得更大。
在此原理的基础上，使第一金属线s1尽可能占据第一挖空结构G1，使得L的等效电感值尽可能大，则第一金属线s1设置为多折结构。参考上文的参数：金属片P设计为边长30mm的正方形结构，第一挖空结构G1的宽度为2mm，则第一金属线s1可以为四折结构；为避免金属片P各边上的第一金属线s1相互干扰，第一金属线s1的绕线长度可以为20mm。
通过在金属片P内部电源的附近设置第二挖空结构G3，可以阻碍噪声源传播噪声，从而起到减少信号损耗的作用。第二挖空结构G3具体可以为边长10mm的正方形结构。
在实际应用中，根据金属片P上器件所占据的空间不同，除了本发明实施例中所列出的尺寸外，还可以设计其他尺寸。
本发明实施例提供的基于电磁能隙结构的印制电路板，包括接地层和由多个金属片平铺组成的电源层，其中，金属片的外围挖空，形成第一挖空结构；金属片的内部设有第二挖空结构；相邻的金属片的第一挖空结构之间通过第一金属线连接形成信道。本发明实施例提供的应用于印制电路板的电磁能隙结构在现有的直线型信道共平面电磁能隙结构的基础上，增加了金属片内部的第二挖空结构，从而从噪声源(板上电源)处抑制了噪声的传播，在现有技术的基础上进一步增强了抑制接地弹跳噪声的能力，优化了现有技术中直线型信道共平面电磁能隙结构的讯号完整性问题。
图7为本发明实施例提供的另一种基于电磁能隙结构的印制电路板的电源层的仰视图；图8为图7所示的电磁能隙结构的等效电路示意图；图9为图7所示的电磁能隙结构抑制噪声能力的仿真曲线图。
在上述实施例的基础上，为了进一步阻碍噪声传播，提高讯号完整性，在本发明实施例提供的基于电磁能隙结构的印制电路板中，在第二挖空结构G3中设置用于连通金属片P的未挖空部分的第二金属线s2，从而使电源层金属片P内部的电感性更加平衡，也可以让抑制噪声带宽持续增加。
图7中的电磁能隙结构的等效电路如图8所示，与图4类似的，第一挖空结构G1中的第一金属线s1形成了由电感L1和电容C1并联而成的等效电路，在设置第二挖空结构G3并加入第二金属线s2后，进一步增加了由电感L2和电容C3组成的等效电路。参照背景技术部分的公式(1)，第一金属线s1设置为弯折结构后增加了L的等效电感值，使得输入阻抗变得更大，提高了噪声传播路径的阻抗Zin。在此基础上，加入第二挖空结构G3和第二金属线s2后可以推算得到下述公式(3)，第二金属线s2可以让噪声的共振频率点往高频延伸：
在具体实施中，第二金属线s2可以为直线型结构，贯通第二挖空结构G3两侧的金属片P实体，也可以构成X型结构，即由两条第二金属线s2组成连通的路径。在空间允许的前提下，可以理解的是，更长的第二金属线s2有助于进一步增加L的等效电感值，则第二金属线s2可以构成多个X型结构。如图7所示，第二金属线s2组成两个X型结构(形成X型结构的单条线段可以长10mm)，相应的，在图8所示的等效电路中，对应两组由电感L2和电容C3组成的等效电路。
分别对现有技术中的直线信道的共平面式电磁能隙结构和本发明实施例提供的X型结构(第二金属线s2)+四折弯折结构(第一金属线s1)进行仿真，得到如图9所示的结果。图9的纵坐标S21(dB)为增益，横坐标F(GHz)为共振频率。从图9可以看到，在高频段，本发明实施例提供的X型结构(第二金属线s2)+四折弯折结构(第一金属线s1)明显具有更好的抑制噪声的能力。
以上对本发明所提供的一种基于电磁能隙结构的印制电路板进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (8)
1.一种基于电磁能隙结构的印制电路板，其特征在于，包括接地层和由多个金属片平铺组成的电源层；
所述金属片的外围挖空，形成第一挖空结构；所述金属片的内部设有第二挖空结构；相邻的所述金属片的第一挖空结构之间通过第一金属线连接形成信道；所述第二挖空结构中设有用于连通所述金属片的未挖空部分的第二金属线。
2.根据权利要求1所述的印制电路板，其特征在于，所述第二金属线具体构成X型结构。
3.根据权利要求2所述的印制电路板，其特征在于，所述第二金属线具体构成多个X型结构。
4.根据权利要求1所述的印制电路板，其特征在于，所述第一金属线具体为直线型结构。
5.根据权利要求1所述的印制电路板，其特征在于，所述第一金属线具体为弯折型结构。
6.根据权利要求5所述的印制电路板，其特征在于，所述第一金属线具体为多折结构。
7.根据权利要求6所述的印制电路板，其特征在于，所述金属片具体为边长30mm的正方形结构，所述第一挖空结构的宽度具体为2mm，所述第一金属线具体为四折结构。
8.根据权利要求7所述的印制电路板，其特征在于，所述第二挖空结构具体为边长10mm的正方形结构。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114245564A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-25 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 一种印刷电路板 |
| CN114245564B (zh) * | 2021-11-30 | 2023-07-14 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 一种印刷电路板 |
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