CN112738975A - 基于三维l型桥的混合电磁带隙结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维L型桥的混合电磁带隙结构，主要解决现有电磁带隙结构抑制同时开关噪声的带宽低、下限截止频率高的缺点。该混合电磁带隙结构包括电源层(1)、高阻抗层(2)、地层(3)以及介质(4)。其中，电源层是由9个金属贴片单元(101)形成的3×3阵列结构，各单元间通过三维L型桥连接；高阻抗层(2)是由9个高阻抗单元(201)形成的3×3阵列结构，每个高阻抗单元(201)通过金属过孔(202)与电源层进行垂直连接。本发明不仅降低阻带下截止频率，增强低频噪声抑制能力，并且提高了阻带上截止频率，在更宽频率范围内能抑制同时开关噪声的传播，可用于高速混合信号系统和芯片互连封装设计中。

Description

基于三维L型桥的混合电磁带隙结构

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，特别涉及一种混合电磁带隙结构，可用于高速混合信号系统和芯片互连封装设计中。

背景技术

随着集成电路系统的发展，电路的集成度越来越高，模拟/射频和数字电路通常会集成在单片上构成高性能的高速混合电路系统。在高速混合信号系统工作时大量的逻辑门的同时开关会产生同步开关噪声，并在电源/地平面对构成的平行板波导中传播，激起平面谐振，导致电源电压波动剧烈，出现信号电平传输错误和电磁干扰问题，从而影响到系统的整体稳定性。由于快速信号边沿上升速率，高时钟频率和低电压电平等原因使得电源平面与地平面之间的同步开关噪声问题变得越来越突出，所以研究如何有效抑制同时开关噪声在高速混合信号系统和芯片互连封装设计领域具有重要意义。

针对同步开关噪声问题，典型的抑制方法有使用分立式去耦电容、使用嵌入式电容、电源/地平面分割等，但是这些方法均存在一定缺陷。比如分立式去耦电容会随着频率升高，寄生效应更明显而导致去耦作用失效；嵌入式电容要求特殊的材料和工艺而引入额外的成本；电源/地平面分割在高频时无法抑制边缘耦合的高频噪声。近来使用电磁带隙结构EBG可以在一定的频段内抑制电磁表面波的传播，并且制作成本低，被广泛应用于高速混合信号系统同步开关噪声抑制的研究中。

目前，国内外针对抑制同步开关噪声提出的电磁带隙结构有L型桥电磁带隙结构，弯曲线桥电磁带隙结构,S型桥电磁带隙结构以及C型桥电磁带隙结构等，但是这些电磁带隙结构阻带由于带宽十分有限，且低频截止频率都高于200MHz，同步开关噪声分布在一个从直流到GHz的宽频率范围，因而不能满足高带宽、低下限截止频率的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于三维L型桥的混合电磁带隙结构，以提高在宽频率范围内对同步开关噪声的抑制能力和对低频噪声的抑制能力，满足使用中对高带宽、低下限截止频率的要求。

为实现上述目的，本发明的混合电磁带隙结构，包括：电源层、地层，其特征在于：电源层的下方高阻抗层，各层之间填充有介质,用于层间的相互隔离；

所述电源层，是由9个金属贴片单元形成的3×3阵列结构，这些金属贴片单元之间通过三维L型桥连接，用于抑制高频噪声在电源层传播。

所述高阻抗层，由9个高阻抗单元形成的3×3阵列结构，其与电源层垂直连接，用于构成阻带滤波器，对阻带内噪声进行滤除和抑制。

进一步，其特征在于：

每个金属贴片单元的四条边分别设有N根上金属条，上金属条之间填充有介质，N为大于1的正整数；

上金属条正下方的电源层与高阻抗层之间设有N-1根下金属条，下金属条之间填充有介质。

每个金属贴片单元四条边的第1根上金属条下端与其第N根上金属条上端的垂直方向均设有连接金属条，用于将每个金属贴片单元的每边与邻近的上金属条之间进行互连。

进一步，其特征在于，第M根上金属条与第M根下金属条的上端，及第M根下金属条与第M+1根上金属条的下端均设有连接过孔，用于上金属条与下金属条之间的互连，M取1到N-1。

进一步，其特征在于，电源层与高阻抗层之间的介质中设有金属过孔，通过该过孔使电源层与高阻抗单元的中心进行垂直连接。

进一步，其特征在于，所述上金属条、下金属条、连接过孔和连接金属条构成三维L型桥，用该三维L型桥实现对金属贴片单元之间的连接，以增加金属贴片单元间的电感。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明通过三维L型桥连接邻近金属贴片单元，增加金属贴片单元之间的电感值，使阻带下截止频率降低，提升对低频噪声的抑制能力。

2、本发明引入高阻抗单元，构成阻带滤波器，提高了在宽频率范围内对同步开关噪声的抑制能力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中的单元结构示意图；

图3为本发明的仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述。

参照图1，本发明基于三维L型桥的混合电磁带隙结构,给出如下三种实施例：

实施例1，

本实例包括：电源层1，高阻抗层2，地层3和介质4，高阻抗层2位于电源层1的下方，地层3位于高阻抗层2的下方，介质4填充在各层之间。

所述电源层1，是由9个金属贴片单元101形成的3×3阵列结构，每个金属贴片单元101均为结构相同的正方形，这些金属贴片单元之间通过三维L型桥连接，用于抑制高频噪声在电源层传播，为结构提供电源电压；电源层1的材料为铜但不限于铜，其厚度不超过0.1mm。

所述高阻抗层2，是由9个高阻抗单元201形成的3×3阵列结构，每个高阻抗单元201均为结构相同的正方形，高阻抗层2的材料为铜但不限于铜，其厚度不超过0.1mm。

所述地层3，其采用厚度不超过0.1mm的铜材料，但不限于铜，用于为结构提供地电位。

所述介质4，采用但不限于FR4材料，用于填充电源层1、高阻抗层2和地层3之间的空间，使电源层1、高阻抗层2和地层3之间相互隔离。

参照图2，每个金属贴片单元101的宽度w1为10mm,其四条边分别设有N根上金属条102，该上金属条102的宽度均为0.2mm，上金属条之间的间距g1为0.2mm，上金属条与金属贴片单元101边缘的距离g2为0.2mm，长度为10mm,上金属条之间填充有介质4，N为大于1的正整数。

上金属条102正下方的电源层1与高阻抗层2之间设有N-1根下金属条103，下金属条103的宽度均为0.2mm，下金属条之间填充有介质4。

每个金属贴片单元101四条边的第1根上金属条102下端与其第N根上金属条上端的垂直方向均设有连接金属条104，连接金属条104到金属贴片单元101边缘的距离g3为0mm，用于将每个金属贴片单元101的每边与邻近的上金属条之间进行互连。

第M根上金属条102与第M根下金属条103的上端，及第M根下金属条103与第M+1根上金属条102的下端均设有连接过孔105，连接过孔105的半径为0.1mm,高度为0.1mm，用于上金属条与下金属条之间的互连，M取1到N-1。

电源层1与高阻抗层2之间的介质中设有金属过孔202，其半径为0.1mm，高度为0.1mm，通过该过孔实现电源层与高阻抗单元201中心的垂直连接，高阻抗单元201的宽度w2为10mm，该高阻抗单元与地层3的距离h为0.1mm。

所述上金属条102、下金属条103、连接过孔105和连接金属条104构成三维L型桥，用该三维L型桥实现对金属贴片单元101之间的连接，以增加金属贴片单元101间的电感,降低阻带下限截止频率，且可在更宽频率范围内抑制电源层1中同步开关噪声的传播。

实施例2，

本实例的结构与实施例1相同仅对如下参数进行了调整

金属贴片单元101的宽度w1为20mm，

高阻抗单元201的宽度w2为20mm，

高阻抗单元与地层3的距离h为0.5mm，

金属贴片单元101每边设有的金属条个数N为9，

上金属条的长度为15mm，

上金属条之间的间距g1为1mm，

上金属条与金属贴片单元101边缘的距离g2为1mm，

连接金属条104到金属贴片单元101边缘的距离g3为2mm，

上金属条102、下金属条103及连接金属条104的宽度均为1mm，

连接过孔105的半径为0.5mm,高度为0.4mm，

金属过孔202的半径为0.5mm,高度为0.6mm。

实施例3，

本实例的结构与实施例1相同仅对如下参数进行了调整

金属贴片单元101的宽度w1为60mm，

高阻抗单元201的宽度w2为60mm，

高阻抗单元与地层3的距离h为2mm，

金属贴片单元101每边设有的金属条个数N为10，

上金属条的长度为50mm，

上金属条之间的间距g1为2mm，

上金属条与金属贴片单元101边缘的距离g2为2mm，

连接金属条104到金属贴片单元101边缘的距离g3为5mm，

上金属条102、下金属条103及连接金属条104的宽度均为2mm，

连接过孔105的半径为1mm,高度为2mm，

金属过孔202的半径为2mm,高度为2mm。

本发明的效果可通过仿真实验进一步说明：

1.仿真条件：

整个基板的大小为90×90×0.8mm³，采用300×300×200mm³空气腔将基板包裹在内部，并设置为辐射边界。

仿真设有两个采用同轴激励的集中端口，分别位于中心和角落金属贴片单元101的中心，波端口阻抗为50欧姆。

求解类型设置为模型求解，求解频率为35GHz，收敛误差标准为0.02，最大迭代次数为15。扫频设置为差值扫频，求解步长为0.01GHz，范围为10MHz～35GHz。

2.仿真实验内容：

在上述条件下，用本发明的实施例2和传统L型桥电磁带隙结构分别在三维电磁仿真软件中对两者进行双端口插入损耗S₂₁进行仿真实验，结果如图3。其中图3的实线为本发明的双端口插入损耗仿真曲线，虚线为传统L型桥的电磁带隙结构的双端口插入损耗仿真曲线。

从图3可见，在噪声抑制能力为-30dB时，本发明抑制噪声的阻带低截止频率为120MHz，阻带上截止频率为30.4GHz，阻带带宽为30.2GHz；而传统L型桥的传统电磁带隙结构的阻带低截止频率为600MHz，阻带上截止频率为4.6GHz，阻带带宽为4GHz。

仿真结果表明，本发明进一步降低阻带下截止频率，增强低频噪声抑制能力，同时提高了阻带上截止频率，在更宽频率范围内抑制同时开关噪声的传播。

用本实例所制作的混合电磁带隙结构，可用于高速混合信号系统中模拟电路和数字电路之间的隔离，在宽频率范围内可以抑制数字电路产生的同时开关噪声向噪声敏感的模拟电路传播，且能够提升对低频噪声的抑制能力。

以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三维L型桥的混合电磁带隙结构，包括：电源层(1)、地层(3)，其特征在于：电源层(1)的下方设有高阻抗层(2)，各层之间填充有介质(4),用于层间的相互隔离；

所述电源层(1)，是由9个金属贴片单元(101)形成的3×3阵列结构，这些金属贴片单元之间通过三维L型桥连接，用于抑制高频噪声在电源层(1)传播。

所述高阻抗层(2)，是由9个高阻抗单元(201)形成的3×3阵列结构，其与电源层(1)垂直连接，用于构成阻带滤波器，对阻带内噪声进行滤除和抑制。

2.根据权利要求1所述的混合电磁带隙结构，其特征在于：

每个金属贴片单元(101)的四条边分别设有N根上金属条(102)，上金属条之间填充有介质(4)，N为大于1的正整数；

上金属条(102)正下方的电源层(1)与高阻抗层(2)之间设有N-1根下金属条(103)，下金属条之间填充有介质(4)；

每个金属贴片单元(101)四条边的第1根上金属条(102)下端与其第N根上金属条上端的垂直方向均设有连接金属条(104)，用于将每个金属贴片单元(101)的每边与邻近的上金属条之间进行互连。

3.根据权利要求2所述的混合电磁带隙结构，其特征在于，第M根上金属条(102)与第M根下金属条(103)的上端，及第M根下金属条(103)与第M+1根上金属条(102)的下端均设有连接过孔(105)，用于上金属条与下金属条之间的互连，M取1到N-1。

4.根据权利要求1所述的混合电磁带隙结构，其特征在于，电源层(1)与高阻抗层(2)之间的介质中设有金属过孔(202)，通过该过孔使电源层与高阻抗单元的中心进行垂直连接。

5.根据权利要求3所述的混合电磁带隙结构，其特征在于，所述上金属条(102)、下金属条(103)、连接过孔(105)和连接金属条(104)构成三维L型桥，用该三维L型桥实现对金属贴片单元(101)之间的连接，以增加金属贴片单元(101)间的电感。

6.根据权利要求1所述的混合电磁带隙结构，其特征在于：

所述的电源层(1)、高阻抗层(2)、地层(3)均采用铜材料，其厚度相等，均且不超过0.1mm；

所述的介质(4)采用相对介电常数为4.4的FR4材料。

7.根据权利要求1所述的混合电磁带隙结构，其特征在于：

每个金属贴片单元(101)均为结构相同的正方形，其宽度w1为10mm～60mm；

每个高阻抗单元(201)均为结构相同的正方形，其宽度w2为10mm～60mm,该高阻抗单元与地层(3)的距离h为0.1mm～2mm。

8.根据权利要求2所述的混合电磁带隙结构，其特征在于：

上金属条(102)、下金属条(103)及连接金属条(104)的宽度均为0.2mm～2mm；

上金属条之间的间距g1为0.2mm～2mm，

上金属条与金属贴片单元(101)边缘的距离g2为0.2mm～2mm，长度为10mm～50mm,连接金属条(104)到金属贴片单元(101)边缘的距离g3为0mm～5mm。

9.根据权利要求3所述的混合电磁带隙结构，其特征在于，连接过孔(105)的半径为0.1mm～1mm,高度为0.1mm～2mm。

10.根据权利要求4所述的混合电磁带隙结构，其特征在于，所述的金属过孔(202)的半径为0.1mm～2mm,高度为0.1mm～2mm。

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