CN116782492A - 一种超宽带电磁带隙结构及电路板 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超宽带电磁带隙结构及电路板，涉及电磁带隙结构领域，结构包括阵列设置的多个电磁带隙单元；每个电磁带隙单元包括从上到下依次设置的电源平面、介质基板和接地平面；电源平面包括贴片、耦合互补分裂环谐振器和多个半改进Z型桥结构；贴片上嵌入耦合互补分裂环谐振器；贴片的每条边均设置半改进Z型桥结构；耦合互补分裂环谐振器设置在多个半改进Z型桥结构形成的环内；半改进Z型桥结构包括依次连接的第一横枝、第一竖枝、第二横枝和第二竖枝；第二竖枝与贴片连接；相邻电磁带隙单元的第一横枝相互连接。本发明能有效抑制同步开关噪声。

Description

一种超宽带电磁带隙结构及电路板

技术领域

本发明涉及电磁带隙结构领域，特别是涉及一种超宽带电磁带隙结构及电路板。

背景技术

随着集成电路的发展，混合电路系统中高速数字的时钟运行速率不断加快、信号上升/下降沿时间不断变短，同步开关噪声问题越来越明显。同步开关噪声（SSN）在电路板的电源、地平面所构成的平行板波导中传播，容易激起平面谐振，进而会引起电源分配网络(PDN)或多层印刷电路板(PCB)的电压波动，导致严重的信号完整性(SI)问题。因此为了保证系统正常工作，探索抑制混合信号系统宽带SSN的新方法受到广泛关注。

其中一种典型的抑制SSN的方法是在噪声源的附近安装接地的去耦电容，但引入的去耦电容的数量、位置等，都会对噪声的抑制程度产生影响，且当频率高于几百MHz时，去耦电容会产生寄生电感，与电容产生自谐振，限制了频率带宽，从而无法有效抑制SSN。

而电磁带隙（EBG）结构可以抑制GHz以上噪声的传播，它是一种周期性结构，具有高阻抗特性，可以阻断电磁波在特定频段的传播。典型的EBG结构有蘑菇型EBG结构和共面型EBG结构。蘑菇型EBG结构加工复杂度以及制造成本较大，而共面型EBG结构简单常被用于抑制SSN。但由于其在电源平面上刻蚀图案，破坏了电源平面的完整性，会恶化信号完整性（SI），且目前的EBG结构存在以下问题：下限截止频率不够低、抑制深度不够深、抑制范围不够广。因此无法有效的抑制同步开关噪声。

发明内容

本发明的目的是提供一种超宽带电磁带隙结构及电路板，以有效抑制同步开关噪声。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超宽带电磁带隙结构，包括：阵列设置的多个电磁带隙单元；

每个所述电磁带隙单元包括从上到下依次设置的电源平面、介质基板和接地平面；

所述电源平面包括贴片、耦合互补分裂环谐振器和多个半改进Z型桥结构；

所述贴片上嵌入耦合互补分裂环谐振器；

所述贴片的每条边均设置半改进Z型桥结构；所述耦合互补分裂环谐振器设置在多个所述半改进Z型桥结构形成的环内；所述半改进Z型桥结构包括依次连接的第一横枝、第一竖枝、第二横枝和第二竖枝；所述第二竖枝与所述贴片连接；所述第一横枝与所述第二横枝平行；所述第一竖枝与所述第二竖枝平行；所述第一横枝与所述第一竖枝垂直；相邻所述电磁带隙单元的第一横枝相互连接。

可选地，所述第一横枝与所述第二横枝之间的距离、第二横枝与所述贴片之间的距离、第二竖枝的宽度以及第二横枝的宽度均相等；所述第一横枝的宽度和所述第一竖枝的宽度相等；所述第一横枝的宽度小于所述第二横枝的宽度。

可选地，所述耦合互补分裂环谐振器包括第一矩形环和第二矩形环；所述第二矩形环设置在所述第一矩形环内；

所述第一矩形环的第一边上设置第一开口；所述第一开口靠近所述半改进Z型桥结构的一侧还设置一对第一耦合线；每根所述第一耦合线与所述第一开口的一端垂直连接；

所述第二矩形环的第二边上设置第二开口；所述第二开口靠近贴片中心的一侧还设置一对第二耦合线；每根所述第二耦合线与所述第二开口的一端垂直连接；所述第一开口与所述第二开口的连线穿过贴片中心。

可选地，所述电源平面的材料为铜。

可选地，所述介质基板的材料为FR4，所述介质基板的相对介电常数为4.4，所述介质基板的损耗角正切为0.02。

可选地，所述接地平面的材料为铜。

可选地，所述电源平面与所述接地平面的厚度相同。

本发明还提供一种电路板，包括顶面介质基板、底面介质基板和所述的超宽带电磁带隙结构；

每个所述电磁带隙单元的所述电源平面设置在所述介质基板和所述顶面介质基板之间；每个所述电磁带隙单元的所述接地平面设置在所述介质基板和所述底面介质基板之间。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种超宽带电磁带隙结构，包括：阵列设置的多个电磁带隙单元；每个所述电磁带隙单元包括从上到下依次设置的电源平面、介质基板和接地平面；所述电源平面包括贴片、耦合互补分裂环谐振器和多个半改进Z型桥结构；所述贴片上嵌入耦合互补分裂环谐振器；所述贴片的每条边均设置半改进Z型桥结构；所述耦合互补分裂环谐振器设置在多个所述半改进Z型桥结构形成的环内；所述半改进Z型桥结构包括依次连接的第一横枝、第一竖枝、第二横枝和第二竖枝；所述第二竖枝与所述贴片连接；所述第一横枝与所述第二横枝平行；所述第一竖枝与所述第二竖枝平行；所述第一横枝与所述第一竖枝垂直；相邻所述电磁带隙单元的第一横枝相互连接。通过相邻电磁带隙单元的半改进Z型桥结构形成的Z型桥来增加单元间的串联电感，从而起到阻带作用，利用半改进Z型桥结构和耦合互补分裂环振器产生的感应电感，谐振环之间产生缝隙电容，进而有效抑制同步开关噪声。

另外，本发明提供的电路板具有良好的信号完整性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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EBG结构单元三维视图；

图2为EBG结构单元底面-接地平面示意图；

图3为电源平面示意图；

图4为3×3EBG结构三维视图；

图5为EBG单元的简化后等效电路模型图；

图6为不同结构下S21仿真结果图；

图7为铜厚为0.035mm对IR-Drop的影响图；

图8为铜厚为0.05mm对IR-Drop的影响图；

图9为铜厚为0.07mm对IR-Drop的影响图；

图10为铜厚为0.1mm对IR-Drop的影响图；

图11为4层PCB信号传输剖面图；

图12为差分传输线对信号传输三维图；

图13为差分传输线对信号传输背面图；

图14为差分传输线对信号传输的眼图仿真结果图；

图15为改进Z型桥结构示意图；

图16为传统Z型桥EBG结构单元电源平面示意图。

符号说明：

电源平面-1，介质基板-2，接地平面-3，耦合互补分裂环谐振器-4。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种超宽带电磁带隙结构及电路板，在保持良好的信号完整性下可有效抑制同步开关噪声。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种超宽带电磁带隙结构，包括：阵列设置的多个电磁带隙单元；每个所述电磁带隙单元包括从上到下依次设置的电源平面1、介质基板2和接地平面3。

所述电源平面1包括贴片、耦合互补分裂环谐振器4和多个半改进Z型桥结构；所述贴片上嵌入耦合互补分裂环谐振器4（C-CSRR）；具体是在方形贴片的中心嵌入耦合互补分裂环谐振器4。

所述贴片的每条边均设置半改进Z型桥结构；所述耦合互补分裂环谐振器4设置在多个所述半改进Z型桥结构形成的环内；所述半改进Z型桥结构包括依次连接的第一横枝、第一竖枝、第二横枝和第二竖枝；所述第二竖枝与所述贴片连接；所述第一横枝与所述第二横枝平行；所述第一竖枝与所述第二竖枝平行；所述第一横枝与所述第一竖枝垂直；相邻所述电磁带隙单元的第一横枝相互连接。

所述第一横枝与所述第二横枝之间的距离、第二横枝与所述贴片之间的距离、第二竖枝的宽度以及第二横枝的宽度均相等；所述第一横枝的宽度和所述第一竖枝的宽度相等；所述第一横枝的宽度小于所述第二横枝的宽度。

所述耦合互补分裂环谐振器4包括第一矩形环和第二矩形环；所述第二矩形环设置在所述第一矩形环内；所述第一矩形环的第一边上设置第一开口；所述第一开口靠近所述半改进Z型桥结构的一侧还设置一对第一耦合线；每根所述第一耦合线与所述第一开口的一端垂直连接。

所述第二矩形环的第二边上设置第二开口；所述第二开口靠近贴片中心的一侧还设置一对第二耦合线；每根所述第二耦合线与所述第二开口的一端垂直连接；所述第一开口与所述第二开口的连线穿过贴片中心。

所述电源平面1的材料为铜。厚度为0.035mm，电源平面1为图案化平面。所述介质基板2的材料为FR4，所述介质基板2的相对介电常数为4.4，所述介质基板2的损耗角正切为0.02。厚度为0.4mm。所述接地平面3的材料为铜。接地平面3保持完整，厚度为0.035mm。所述电源平面1与所述接地平面3的厚度相同。

本发明还提供一种电路板，包括顶面介质基板、底面介质基板和所述的超宽带电磁带隙结构。

每个所述电磁带隙单元的所述电源平面1设置在所述介质基板2和所述顶面介质基板之间；每个所述电磁带隙单元的所述接地平面3设置在所述介质基板2和所述底面介质基板之间。即在原3×3EBG基础上设计了一个4层PCB板，在EBG电源平面上加一层与FR4厚度相同的FR4介质板，在EBG接地平面下加一层与FR4厚度相同的FR4介质板，两端添加了介质板后的结构为4层PCB板。

直流电流会造成EBG平面上的电压降（IR-Drop），电压降会影响多层PCB板中的电源链，因此应用于电源分配网络中，需要对EBG平面的IR-Drop进行准确分析，在3×3EBG方形的对角线两远端的耦合互补分裂环谐振器4中心还设置完美导电体辅助砖。

本发明的EBG结构是一种具有嵌入式的改进型EBG结构，其结构为：图案化的电源平面1，FR4介质基板，完整接地平面，FR4处于电源平面1和完整接地平面中间，如图1和图2所示。

图案化电源平面为在方形贴片上嵌入一个耦合互补分裂环谐振器4（C-CSRR），构成了EBG结构的单元，材料为铜，EBG单元之间采用改进Z型桥进行连接，如图3所示，其结构参数如下，电源平面1边长a=30mm，第一矩形环与第二矩形环之间的距离w1=0.4mm，第二竖枝的宽度w2=第二横枝的宽度w3=第二横枝与所述贴片之间的距离g2=第一横枝与所述第二横枝之间的距离g3=0.2mm,第一横枝的宽度w4=第一竖枝的宽度w5=0.1mm，第二竖枝与贴片之间的距离g1=0.3mm，耦合线长度l1=0.68mm，第二竖枝与贴片对应的长度l2=9mm，第二矩形环的内径d1=10mm，开口长度c=0.6mm，耦合互补分裂环谐振器两环宽度s=0.3mm。

如图15框中所示的改进Z型桥来增加单元间的串联电感，这样“改进Z型”连接桥和片式结构的组合产生的大小交替的电感值就可以起到阻带作用。单元间相互连接的金属枝节及单元结构内部的C-CSRR均会产生感应电感，C-CSRR之间的间隙会产生缝隙电容。改进Z型桥长度比传统Z型桥长度加长从而增大LC等效电路的电感值，进而降低EBG结构的下限截止频率，增大其阻带抑制宽度的效果，图16为传统Z型桥EBG结构单元电源平面。当EBG工作在高频时，由于EBG结构单元的总体长度和工作波长相差不大，此时等效电路模型将不再适用。此时，电源平面1和接地平面3之间就构成了一个平行板谐振腔，所以用平行板谐振腔模型来预测其的上限截止频率，而嵌入C-CSRR会提高其上限频率。因此采取这一结构可以达到超宽带抑制SSN的效果。并且采用差分信号对对该结构进行传输，以保证良好的信号完整性。

图3显示了所提出EBG结构单元的电源平面图，其改进Z型桥为迂回Z型桥，嵌入其中的C-CSRR为在CSRR每个开口环的开口端添加一对耦合线，改变了整个结构的等效电路参数，从而表现出不同的频率响应。图4为3×3个EBG结构单元组成的总尺寸为的双层PCB板，四个端口如图4所示。等效电路模型如图5，它表征了在低频下EBG电源平面1和连续地平面之间的传播行为，因为改进型EBG结构的细长传输线电容和两结构单元之间的平板间隙电容很小，可以近似为开路，所以等效电路模型忽略了的/>、/>对电路的影响。/>和/>分别表示C-CSRR贴片的等效电感和电容，可以表示为：

其中d1为图3中所示尺寸，h为介质板厚度，为C-CSRR桥的长度，w1为图3中对应尺寸，/>是衬底的介电常数，/>和/>分别是自由空间的磁导率和介电常数。

和/>分别是CSRR中连接桥的共面波导（CPW）的电容和电感，可通过以下公式计算：

s为图3中对应尺寸，是CPW的单位长度电感，/>和/>分别是其特性阻抗和有效介电常数。/>为自由空间中的光速。

、/>分别代表1/4正方形环形金属贴片的等效电感和电容，其计算公式为：

表示贴片正对面积，/>为改进Z型桥的传输长度，w为桥的连线宽度。

为改进型Z桥的等效电感，/>为缝隙电容，/>为连接桥对地的电容，简化电路模型中省略/>、/>，计算公式如下：

k为常数0.2 n H/mm，l为EBG单元块的边长，p为EBG单元块周期长度，g为相邻单元的距离。

该电路由三个谐振电路回路级联形成，即为图5中①②③三个电路，其谐振点分别如下式表示：

由于三个谐振电路回路级联，该结构的下截止频率应为三个谐振频率中的最小值，即/>，其中，/>为回路①的谐振频率点，/>为回路②的谐振频率点，/>为回路③的谐振频率点，所以可算出/>为308MHz。同时通过软件仿真验证其性能，S21结果如图6所示，与传统Z-Bridge相比，该EBG结构在-50dB的抑制深度下具有超宽带抑制SSN的效果，其阻带范围为320MHz-20GHz，实际仿真下限截止频率与前文算出的理论值相差12MHz，原因在于根据等效电路估算时忽略了电容。

如图7至图10所示，在所提出的结构中端口1和端口2增加了两个完美导电体辅助砖，导体辅助砖为1×1×0.1mm的长方体，厚度为0.1mm。其中端口1和端口2中心和图4所示Port1和Port2中心位置一样，分别在3×3结构左上角单元中心和右下角单元中心，即图7中每个图示所表现的。端口1提供1A的直流输入电流，而端口2用作1A的输出电流，可计算EBG平面上的电压分布，其中，图7为铜厚为0.035mm对IR-Drop的影响图，图8为铜厚为0.05mm对IR-Drop的影响图，图9为铜厚为0.07mm对IR-Drop的影响图，图10为铜厚为0.1mm对IR-Drop的影响图，图7显示了铜箔厚度为0.035mm时的直流压降，根据欧姆定律可计算其直流阻抗为389mΩ，阻抗相对较大，这是因为改进型EBG的直流阻抗较大，这是因为提出的EBG较为复杂，改进型EBG连接桥长度更长，桥宽度更窄，更宽更短的桥允许更多直流电流流动，所以改进型EBG直流阻抗增加，且插入了C-CSRR，使得阻抗变大。因此采用增加电源平面铜箔厚度的方式降低其直流阻抗，图8在0.05mm的铜厚下直流阻抗为273 mΩ；图9在0.07mm的铜厚下直流阻抗为195 mΩ；图10在0.1mm的下直流阻抗为136 mΩ，随着铜厚的增加直流阻抗逐渐减小，所以可以采用增加铜厚方法减小提出的EBG电源平面1的直流阻抗，从而减小对电流传输的影响。

本发明提供的结构可以有效地抑制SSN，但是刻蚀电源平面1会导致信号传输质量的恶化。因此，有必要对信号传输特性进行分析。为了测试EBG功率平面对SI的影响，在本发明中设计了一个四层电路板，如图11所示，其中，图11为4层PCB信号传输剖面图，信号迹线从第一层通过过孔到达第四层，然后再通过过孔返回到第一层，第二层是被刻蚀的EBG电源平面，第三层是固体接地平面，每个FR4层厚为0.4mm，每个FR4衬底层的厚度为0.4mm，每条信号迹线的总长度62mm，线宽1mm，特性阻抗为50欧姆。端口1、端口2分别位于信号迹线的两端。眼图仿真是衡量PCB中信号传输质量的重要指标，眼图的质量主要由最大眼宽(MEW)和最大眼高(MEO)这两个参数决定的。眼宽指示传输线上信号的时序抖动，而眼高反映传输线上信号的噪声容限。首先采用单条传输线对信号进行传输，结果眼图严重失真。对于新EBG结构的功率平面，由于回程电流路径的连续性被破坏，而单端信号走线是被刻蚀的不完美平面，导致信号质量严重恶化，SI性能下降。为了提高SI性能，采样用差分传输线代替单条传输线进行信号传输。如图12和图13所示，图12为差分传输线对信号传输三维图，图13为差分传输线对信号传输背面图，信号线宽度为1mm，两信号线之间距离为1mm，每根信号线长度保持62mm，仿真结果如图14所示，图14为差分传输线对信号传输的眼图仿真结果。最大眼宽为974.7ps，最大眼高为456.9mV，可以清楚地观察到信号波形基本保持完整，因此采用差分信号对上述结构进行传输时，不存在严重的SI问题，有良好的信号完整性。

本发明采取嵌入改进型结构，其介质板厚度较厚为0.4mm，具有较低的下限截止频率，阻带带宽超过20GHz，达到了超宽带效果，同时其对同步开关噪声的抑制深度有极大的提升，达到-50dB以下。对其IR-Drop进行仿真，结果表明增加铜箔厚度可以减小其直流电阻，从而减小对电流传输影响。并且和单条传输线相比，采用差分信号进行传输时，其SI性能良好，眼图波形保持完整不失真。

本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。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种超宽带电磁带隙结构，其特征在于，包括：阵列设置的多个电磁带隙单元；

每个所述电磁带隙单元包括从上到下依次设置的电源平面、介质基板和接地平面；

所述电源平面包括贴片、耦合互补分裂环谐振器和多个半改进Z型桥结构；

所述贴片上嵌入耦合互补分裂环谐振器；

所述贴片的每条边均设置半改进Z型桥结构；所述耦合互补分裂环谐振器设置在多个所述半改进Z型桥结构形成的环内；所述半改进Z型桥结构包括依次连接的第一横枝、第一竖枝、第二横枝和第二竖枝；所述第二竖枝与所述贴片连接；所述第一横枝与所述第二横枝平行；所述第一竖枝与所述第二竖枝平行；所述第一横枝与所述第一竖枝垂直；相邻所述电磁带隙单元的第一横枝相互连接。

2.根据权利要求1所述的超宽带电磁带隙结构，其特征在于，所述第一横枝与所述第二横枝之间的距离、第二横枝与所述贴片之间的距离、第二竖枝的宽度以及第二横枝的宽度均相等；所述第一横枝的宽度和所述第一竖枝的宽度相等；所述第一横枝的宽度小于所述第二横枝的宽度。

3.根据权利要求1所述的超宽带电磁带隙结构，其特征在于，所述耦合互补分裂环谐振器包括第一矩形环和第二矩形环；所述第二矩形环设置在所述第一矩形环内；

所述第一矩形环的第一边上设置第一开口；所述第一开口靠近所述半改进Z型桥结构的一侧还设置一对第一耦合线；每根所述第一耦合线与所述第一开口的一端垂直连接；

所述第二矩形环的第二边上设置第二开口；所述第二开口靠近贴片中心的一侧还设置一对第二耦合线；每根所述第二耦合线与所述第二开口的一端垂直连接；所述第一开口与所述第二开口的连线穿过贴片中心。

4.根据权利要求1所述的超宽带电磁带隙结构，其特征在于，所述电源平面的材料为铜。

5.根据权利要求1所述的超宽带电磁带隙结构，其特征在于，所述介质基板的材料为FR4，所述介质基板的相对介电常数为4.4，所述介质基板的损耗角正切为0.02。

6.根据权利要求1所述的超宽带电磁带隙结构，其特征在于，所述接地平面的材料为铜。

7.根据权利要求1所述的超宽带电磁带隙结构，其特征在于，所述电源平面与所述接地平面的厚度相同。

8.一种电路板，其特征在于，包括顶面介质基板、底面介质基板和如权利要求1-7任意一项所述的超宽带电磁带隙结构；

每个所述电磁带隙单元的所述电源平面设置在所述介质基板和所述顶面介质基板之间；每个所述电磁带隙单元的所述接地平面设置在所述介质基板和所述底面介质基板之间。