CN112652872A - 一种微带扇形组阵级联去耦电路 - Google Patents

一种微带扇形组阵级联去耦电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微带扇形组阵级联去耦电路，该微带扇形组阵级联去耦电路由多组微带线和扇形线以及一块介质基板构成，其中一组高阻微带线和一组扇形阵构成一级去耦单元，本微带扇形组阵级联去耦电路由四级去耦单元级联。该微带扇形组阵级联去耦电路用于集成电路电源去耦，它可以防止射频交流信号通过电源这个端口耦合到其他芯片上，从而影响整个电路的运行。该微带扇形组阵级联去耦电路的有效去耦带宽为1GHz‑4GHz，在该频段内电源和芯片之间的S21均小于‑70db，可以有效的阻止射频交流信号通过电源耦合到其他芯片。

Description

一种微带扇形组阵级联去耦电路
技术领域
本发明涉及电源完整性设计领域，特别涉及一种宽频带的微带扇形组阵级联去耦电路。
背景技术
现代通信系统中发射机和接收机往往采用同一套直流电源供电，这样带来的问题就是大功率的发射信号可能会通过直流电源耦合进入接收机，由于发射信号功率过大导致接收机堵塞，从而失去接收小信号的能力。随着电子器件的工作频率越来越高，耦合到电源路径上信号的频率也越来越高。传统的集总参数去耦元件的有效工作频率一般最高在几百兆赫兹左右，然而我们设计集成电路用的芯片的工作频率往往是以GHz为单位，所以传统的集总元件电源去耦在该频段效果不佳。本发明提出一种扇形微带组阵级联去耦电路，用微带线和扇形线代替传统的电容电感，以达到去耦频率在1GHz-4GHz的范围内的去耦效果。本发明为集成电路电源端口提供一个干净的电源，从而保证电路的正常工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是用微带线和扇形阵组合的方式为集成电路电源提供一种宽频带的去耦电路，保证集成电路拥有一个干净的电源。该电路有效的工作频段为1GHz-4GHz。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种微带扇形组阵级联去耦电路，这种电路由多组扇形线和多组微带线组成。该电路既是模拟集成电路的去耦电路，同时也是芯片的直流偏置电路。
该微带扇形组阵级联去耦电路，包括四组扇形阵以及用于连接扇形阵的五组高阻抗微带线和介质基板。每组扇形阵包括三个半径不同的扇形微带线，五组高阻抗微带线的阻抗值相同均为100欧姆。每个扇形阵和其身后用于连接其他扇形阵的高阻抗微带线构成一级去耦单元，总共有四级去耦单元。
传统的微带去耦电路为高阻抗微带线加扇形线的形式，带宽一般较宽，但是对于一些对去耦带宽要求较高的集成电路来说，该形式仍然满足不了要求。本发明的每一级去耦单元采用了一个扇形阵后面连接一段高阻抗微带线的特殊结构，每个扇形阵包括并联的三组扇形线。扇形线的阻抗很低，所以可以把单个扇形线等效成一个电容，三个扇形线并联相当于三个电容并联。芯片耦合到电源端的交流信号可以通过扇形线这个等效电容回到地，这样就可以阻止交流信号通过电源耦合到其他芯片上。微带线阻抗很高，所以可以把微带线等效成一个电感。微带线的阻抗远远大于芯片电源端的阻抗，可以阻止芯片工作频率的信号经电源路径传输到其他芯片形成交流噪声，影响其他芯片的正常工作。扇形线的去耦频率范围和扇形线的半径有关，为了达到宽频去耦的目的，本发明采用了扇形阵的形式。所有扇形阵的结构和说明书附图三相同，现在根据说明书附图三对扇形阵的结构进行说明。每一个扇形阵中间的扇形线半径最长，右边的扇形线半径比中间的扇形线半径小，左边的扇形线半径最小。中间的扇形线角度为α3，α3等于60度。左边的扇形线角度为α1，α1等于50度。右边的扇形线角度为α5，α5等于50度。左边扇形线和中间扇形线之间的间隔为α2，α2为5度。中间扇形线和右边扇形线之间的间隔为α4，α4为5度。左边的扇形线和高阻抗微带线的间隔为α6，α6为5度。右边的扇形线和高阻抗微带线的间隔为α7，α7为5度。这三个扇形线就相当于并联在高阻线上的三个电容。因为扇形线的半径是和去耦有效频带相关，半径最长的扇形线对频率较低的频段去耦效果好，半径稍微小一点的扇形线对频率较高的频段的去耦效果好，扇形线的角度越大去耦效果越好。由于扇形阵中扇形线的尺寸存在变化，所以每个扇形线都会在不同频段呈现出电容特性，由于扇形线具有较宽的去耦频带，只要各个扇形线半径变化大小在可接受范围之内就可以通过这种设置不同半径扇形组阵的方式进一步拓展带宽。本发明总共级联了四级去耦单元，从芯片到电源端依次是第四级去耦单元、第三级去耦单元、第二级去耦单元、第一级去耦单元。从第四级去耦单元到第一级去耦单元它们各自的扇形阵尺寸和高阻抗微带线尺寸依次减小。每一级的扇形阵里面的扇形线的半径也是渐变的，通过这种渐变结构能够有效的拓展带宽，实现宽频带的去耦效果。
本发明所有模块所用的介质材料是FR4,介质材料厚度为1mm，其介电常数为4.4，正切损耗值为0.02，所用微带线的材料为铜，铜的厚度为0.05mm，微带线的阻抗为100欧姆，微带线的宽度为0.43mm。
芯片端口通过第五高阻微带线连接第四扇形阵和第四高阻微带线，第五高阻微带线主要是把去耦电路和芯片端连接起来，同时该段高阻微带线也能抑制芯片的交流信号耦合到电源端。第五高阻微带线的长度为频率为1.45GHz的电磁波的1/4波导波长。第四扇形阵和第四高阻微带线构成第四级去耦电路。第四高阻微带线的长度为频率为1.55GHz电磁波的1/4波导波长。第四扇形阵中间的扇形线半径最长，长度为频率为1.55GHz的电磁波的1/4波导波长，第四扇形阵右边扇形线的半径为第四扇形阵中间扇形线半径的0.85倍，第四扇形阵左边扇形线的半径为第四扇形阵右边扇形线半径的0.85倍。第四高阻微带线连接第三高阻微带线，在第三高阻微带线和第四高阻微带线的连接处连接第三扇形阵。为了保证扇形阵之间不重叠，第三扇形阵位于第四扇形阵相反的一侧。第三高阻微带线的长度为频率为1.8GHz电磁波的1/4波导波长。第三扇形阵中间的扇形线的半径为第四扇形阵中间的扇形线半径的0.85倍，第三扇形阵右边的扇形线的半径为第三扇形阵中间的扇形线半径的0.85倍，第三扇形阵左边的扇形线的半径为第三扇形阵右边的扇形线的0.85倍。第三高阻微带线连接第二高阻微带线，在第三高阻微带线和第二高阻微带线的连接处连接第二扇形阵。第二扇形阵位于第三扇形阵相反的一侧。第二高阻微带线的长度为频率为2.2GHz电磁波的1/4波导波长。第二扇形阵中间的扇形线半径为第三扇形阵中间的扇形线半径的0.85倍。第二扇形阵右边的扇形线的半径为第二扇形阵中间的扇形线半径的0.85倍。第二扇形阵左边的扇形线半径为第二扇形阵右边的扇形线半径的0.85倍。第二高阻微带线连接第一高阻微带线，在第二高阻微带线和第一高阻微带线的连接处连接第一扇形阵。第一扇形阵位于第二扇形阵相反的一侧。第一高阻微带线的长度为频率为2.6GHz电磁波的1/4波导波长。第一扇形阵中间的扇形线半径为第二扇形阵中间的扇形线的半径的0.85倍。第一扇形阵右边的扇形线半径为第一扇形阵中间的扇形线半径的0.85倍。第一扇形阵左边的扇形线半径为第一扇形阵右边的扇形线半径的0.85倍。第一高阻微带线的另外一端连接直流电源。
虽然没有一级去耦单元里面扇形线的半径或者高阻线的长度是4GHz电磁波的1/4波导波长，但是却可以达到1GHz-4GHz的去耦带宽。这主要是因为扇形线本身具有较大的去耦带宽，比如一个扇形线的尺寸是2.6GHz电磁波的1/4波导波长，它的有效去耦带宽可能覆盖了4GHz。总之尺寸较大的去耦单元对低频段有宽带去耦效果，尺寸较小的去耦单元对高频段有宽带的去耦效果，每个去耦单元都对1GHz-4GHz中的一个频带去耦效果好，通过将这种不同尺寸的去耦单元级联可以实现1GHz-4GHz的宽带去耦。下面按照仿真得到的具体数据，通过相关的公式进一步说明去耦效果。按照上述尺寸设计的微带扇形组阵级联去耦电路在HFSS当中建模的仿真结果可知在电磁波频率为1GHz-4GHz的范围内|S12|＝|S21|≤-70dB,|S21|和|S12|均小于-70dB，说明在微带扇形组阵级联去耦电路输入输出两端都匹配的情况下，频率在1GHz-4GHz的电磁能量无论是从1端口传输到2端口还是从2端口传输到1端口，能量衰减都非常大。假设现在有在1GHz-4GHz的频带范围中内阻值为0.1欧姆至10欧姆的直流电流源，这个电流源需要给在频率为1GHz-4GHz范围中阻抗值为100欧姆至10000欧姆的集成电路芯片供电，在直流电源和集成电路芯片中间接入微带扇形组阵级联去耦电路。如果从集成电路芯片端口存在一个1GHz-4GHz的电磁波信号要泄漏到电源上，根据两端口网络的输入、输出端任意阻抗的功率增益公式
Figure BDA0002816205310000041
可以计算从集成电路芯片端口泄漏到电源上的功率大小。公式中|S21|、|S22|是微带扇形组阵级联去耦电路的S参数，S参数的归一化阻抗是50欧姆。|TL|是负载端的反射系数，|Tin|是输入端的反射系数，
Figure BDA0002816205310000042
我们希望从集成电路芯片泄漏到直流电源的功率越小越好。把集成电路芯片看成是微带扇形组阵级联去耦电路输入端口的源，直流电源是微带扇形组阵级联去耦电路输出端口的负载，根据公式(1)可知，当|S21|确定时，当|TL|越小，并且|Tin|、|S22|越大的情况下，那么从集成电路芯片泄漏到直流电源的功率越大。集成电路芯片的阻抗在100欧姆至10000欧姆之间，那么|Tin|最大为0.99，|S22|在1GHz-4GHz最大为0.56，电源的阻抗值在0.1欧姆至10欧姆之间，那么|TL|最小为0.66。|S21|和|S12|在1GHz-4GHz之间均小于-70db，以-70db计算，最终计算出的功率增益为45*10-7。如果频率范围在1GHz-4GHz的电磁波从集成电路芯片泄漏的功率为1W，经过微带扇形组阵级联去耦电路到达电源的功率最高为45*10-7W。
附图说明
图1是本发明的总体框图
图2是去耦单元结构图
图3是本发明HFSS仿真S11结果图
图4是本发明HFSS仿真S12结果图
图5是本发明HFSS仿真S21结果图
图6是本发明HFSS仿真S22结果图
图7是本发明微带电路结构图
具体实施方式
在图5中，一种微带扇形组阵级联去耦电路由多组高阻微带线和多组扇形阵构成，一组高阻微带线和该微带线之前的扇形阵构成一级去耦单元，总共有四级去耦单元，将四级去耦单元级联构成一种微带扇形组阵级联去耦电路。微带扇形组阵级联去耦电路的微带线的介质材料为FR4,介质材料厚度为1mm，其介电常数为4.4，正切损耗值为0.02，微带线的材料为铜，铜的厚度为0.05mm，所有高阻微带线的特性阻抗为100欧姆。
上述具体实施例中，如图5所示，集成电路电源端口接第一高阻微带线，第一高阻微带线的宽度为0.43mm，第一高阻微带线的长度为15.65mm。第一高阻微带线的侧端接第一扇形阵，第一扇形阵位于第一高阻微带线的上端。第一扇形阵左边的扇形线与第一高阻微带线的夹角为5度，第一扇形阵左边的扇形线半径为12.5mm，第一扇形阵左边扇形线的角度为50度。第一扇形阵中间的扇形线半径为17.8mm，第一扇形阵中间的扇形线角度为60度。第一扇形阵左边的扇形线和第一扇形阵中间的扇形线夹角为5度，第一扇形阵中间的扇形线和第一扇形阵右边的扇形线夹角为5度。第一扇形阵右边的扇形线半径为15mm，第一扇形阵右边的扇形线的角度为50度。第一扇形阵右边的扇形线与第二高阻微带线的夹角为5度。第一扇形阵和第一高阻微带线构成第一级去耦单元。
上述具体实施例中，如图5所示，第一级去耦单元连接第二高阻微带线，第二高阻微带线的宽度为0.43mm，第二高阻微带线的长度为18.6mm。第二高阻微带线的侧端连接第二扇形阵，第二扇形阵位于第二高阻微带线的下端。第二扇形阵左边的扇形线与第二高阻微带线的夹角为5度，第二扇形阵左边的扇形线半径为15mm，第二扇形阵左边扇形线的角度为50度。第二扇形阵中间的扇形线半径为21.2mm，第二扇形阵中间的扇形线角度为60度。第二扇形阵左边的扇形线和第二扇形阵中间的扇形线夹角为5度，第二扇形阵中间的扇形线和第二扇形阵右边的扇形线夹角为5度。第二扇形阵右边的扇形线半径为17.8mm，第二扇形阵右边的扇形线的角度为50度。第二扇形阵右边的扇形线与第三高阻微带线的夹角为5度。第二扇形阵和第二高阻微带线构成第二级去耦单元。
上述具体实施例中，如图5所示，第二级去耦单元连接第三高阻微带线，第三高阻微带线的宽度为0.43mm，第三高阻微带线的长度为22.5mm。第三高阻微带线的侧端连接第三扇形阵，第三扇形阵位于第三高阻微带线的上端。第三扇形阵左边的扇形线与第三高阻微带线的夹角为5度，第三扇形阵左边的扇形线半径为17.8mm，第三扇形阵左边扇形线的角度为50度。第三扇形阵中间的扇形线半径为25.2mm，第三扇形阵中间的扇形线角度为60度。第三扇形阵左边的扇形线和第三扇形阵中间的扇形线夹角为5度，第三扇形阵中间的扇形线和第三扇形阵右边的扇形线夹角为5度。第三扇形阵右边的扇形线半径为21.2mm，第三扇形阵右边的扇形线的角度为50度。第三扇形阵右边的扇形线与第四高阻微带线的夹角为5度。第三扇形阵和第三高阻微带线构成第三级去耦单元。
上述具体实施例中，如图4所示，第三级去耦单元连接第四高阻微带线，第四高阻微带线的宽度为0.43mm，第四高阻微带线的长度为18.6mm。第四高阻微带线的侧端连接第四扇形阵，第四扇形阵位于第四高阻微带线的下端。第四扇形阵左边的扇形线与第四高阻微带线的夹角为5度，第四扇形阵左边的扇形线半径为15mm，第四扇形阵左边扇形线的角度为50度。第四扇形阵中间的扇形线半径为21.2mm，第四扇形阵中间的扇形线角度为60度。第四扇形阵左边的扇形线和第四扇形阵中间的扇形线夹角为5度，第四扇形阵中间的扇形线和第四扇形阵右边的扇形线夹角为5度。第四扇形阵右边的扇形线半径为17.8mm，第四扇形阵右边的扇形线的角度为50度。第四扇形阵右边的扇形线与第五高阻微带线的间隔为5度。第四扇形阵和第四高阻抗微带线构成第四级去耦单元。第三级去耦单元连接第五高阻微带线，第五高阻微带线的宽度为0.43mm，第五高阻微带线的长度为25.2mm，第五高阻微带线的另外一端连接芯片。

Claims (3)

1.一种微带扇形组阵级联去耦电路，其特征在与：由四级尺寸不同的去耦单元构成。每一级去耦单元由一段高阻微带线和一个扇形阵构成。高阻抗微带线阻抗均为100欧姆。第五高阻微带线的长度为频率为1.45GHz电磁波的1/4波导波长。第四高阻微带线的长度为频率为1.55GHz电磁波的1/4波导波长。第三高阻微带线的长度为频率为1.8GHz电磁波的1/4波导波长。第二高阻微带线的长度为频率为2.2GHz电磁波的1/4波导波长。第一高阻微带线的长度为频率为2.6GHz电磁波的1/4波导波长。第四扇形阵中间扇形线的半径为1.55Ghz电磁波的1/4波导波长，第四扇形阵右边扇形线的半径为第四扇形阵中间扇形线半径的0.85倍，第四扇形阵左边扇形线的半径为第四扇形阵右边扇形线半径的0.85倍。第三扇形阵中间的扇形线的半径为第四扇形阵中间的扇形线半径的0.85倍，第三扇形阵右边的扇形线的半径为第三扇形阵中间的扇形线半径的0.85倍，第三扇形阵左边的扇形线的半径为第三扇形阵右边的扇形线的0.85倍。第二扇形阵中间的扇形线半径为第三扇形阵中间的扇形线半径的0.85倍。第二扇形阵右边的扇形线的半径为第二扇形阵中间的扇形线半径的0.85倍。第二扇形阵左边的扇形线半径为第二扇形阵右边的扇形线半径的0.85倍。第一扇形阵中间的扇形线半径为第二扇形阵中间的扇形线的半径的0.85倍。第一扇形阵右边的扇形线半径为第一扇形阵中间的扇形线半径的0.85倍。第一扇形阵左边的扇形线半径为第一扇形阵右边的扇形线半径的0.85倍。微带扇形组阵级联去耦电路的有效工作频段为1GHz-4GHz。
2.根据权利要求1所述的一种微带扇形组阵级联去耦电路，其特征在于：每一级去耦单元由一个扇形阵和一段高阻微带线构成，其中扇形阵的结构如下所述：
每一个扇形阵中间的扇形线半径最长，右边的扇形线半径比中间的扇形线半径小，左边的扇形线半径最小。中间的扇形线角度为60度。左边的扇形线角度为50度。右边的扇形线角度为50度。左边扇形线和中间扇形线之间的间隔为5度。中间扇形线和右边扇形线之间的间隔为5度。左边的扇形线和高阻抗微带线的间隔为5度。右边的扇形线和高阻抗微带线的间隔为5度。
3.根据权利要求1所述的一种微带扇形组阵级联去耦电路，其特征在于：微带扇形组阵级联去耦电路由四级级联的去耦单元构成，每一级去耦单元的尺寸不一样，由第四级去耦单元到第一级去耦单元尺寸存在一个由大到小的渐变的过程。尺寸较大的去耦单元对对低频段去耦效果好，尺寸较小的去耦单元对高频段去耦效果好。通过这样一个四级去耦单元级联的渐变结构能够有效拓展去耦带宽，实现宽频带去耦的效果。
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