CN205071428U

CN205071428U - 一种电磁带隙结构及印刷电路板

Info

Publication number: CN205071428U
Application number: CN201520528281.8U
Authority: CN
Inventors: 李欢欢
Original assignee: Xian Zhongxing New Software Co Ltd
Current assignee: Xian Zhongxing New Software Co Ltd
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2025-07-20
Also published as: WO2016177160A1

Abstract

本实用新型实施例公开了一种电磁带隙结构，所述电磁带隙结构包括：非导电基板、覆盖于非导电基板上下两面的金属板，嵌入在两层金属板中间的第一电磁带隙EBG层和第二电磁带隙EBG层；其中，所述第一电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联构成，所述第二电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联构成；所述第一电磁带隙EBG层和第二EBG进行纵向级联。本实用新型实施例还公开了一种印刷电路板。

Description

一种电磁带隙结构及印刷电路板

技术领域

本实用新型涉及电路设计技术领域，特别涉及一种电磁带隙结构及印刷电路板。

背景技术

在高速数字电路系统中，随着系统时钟和信号传输速率的提高，信号切换速度越来越快，数字IC规模不断扩大，印刷电路板(PCB，PrintedCircuitBoard)的元件数量和布线密度均急剧增加，以至于PCB的电磁效应已不能忽略。另外，随着数字系统向低功耗方向的发展，对供电系统的稳定性要求也越来越高。目前集成电路晶体管尺寸已小至50nm，供电电压低至0.6V，未来晶片的频率将走向10GHz时代。当前，PCB已成为一个高性能的系统，而不像以往设计，只是将其作为支撑电子元器件的平台。

在多层PCB中，通常是由作为电源层和地层的一对平行金属平板来构成供电系统，为有源器件提供直流电源。当频率很低时，电源层和地层起到了一个大容量去耦电容器的作用，但在频率较高时，电源层和地层相当于一个平行平板谐振器，在某种意义上也相当于一个微波贴片天线。谐振时产生的高阻抗，会导致较大的电磁干扰辐射，同时也会产生同步开关噪声(SSN，SimultaneousSwitchingNoise)，影响高速数字电路中的信号完整性。

所述SSN是指PCB上的多个有源器件同时处于开关状态时，产生的瞬间变化的电流在经过回流路径上存在的电感时形成交流压降，从而引起的噪声，SSN会产生信号完整性与电磁兼容等问题。在未来传输速率更高、信号切换速度更快、供电平稳性要求更高、集成度更高和PCB日益小型化的设计中，SSN问题会变得更为严重，因此如何消除高速电路中的同步开关噪声已成为PCB设计人员必须要面对和攻克的一个重要难题。

5G网络预计在2020年实现商用，其峰值速率将达到10GHz，是4G峰值速率的100倍，因此5G终端产品，如智能手机、数据卡类等，的PCB设计势必需要解决同步开关噪声等信号完整性和电磁兼容问题。

现有技术中，为了抑制SSN，已经提出了很多方案，如在电源与地平面之间增加去耦电容器，但是，在频率很高时，电容不能再被当作理想的电容看待，电容的寄生参数的影响不能再被忽略，考虑到电容具有一定的物理尺寸，以及起连接作用的安装焊盘和过孔，其寄生参数包括一个等效串联电感和一个等效串联电阻，电容的简化模型如图1所示；

对电容的高频特性影响最大的是寄生电感L_s和寄生电阻R_s，由图1可知电容的阻抗Z_c和谐振频率f_R为：

Z_{c} = \sqrt{{R_{s}}^{2} + {(2 {πf}_{R} L_{s} - \frac{1}{{2 πf}_{R} C})}^{2}}

f_{R} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{s} C}}

由上述公式可知，电容器在谐振频率以下时，表现为容性；而在谐振频率以上时，表现为感性，感性情况下，电容器的去耦作用逐渐减弱；电容器的等效阻抗随着频率的增加先减小后增大，当处于串联谐振频率时，等效阻抗达到最小值R_s。由于电容在谐振点的阻抗最低，所以设计时尽量选用f_R和实际工作频率相近的电容。

一般情况下，尺寸小的电容器电感值较小，容值也小，因而其谐振频率较高，常用于高频去耦；尺寸较大的电容器，能提供较大的电流，其容值较大，谐振频率较低，只能用作低频去耦；为了得到较大的容值和较高的谐振频率，通常会把多个小电容并联使用，用来增大容值，降低等效串联电阻(ESR，EquivalentSeriesResistance)和等效串联电感(ESL，EquivalentSeriesInductance)。n个相同的电容并联后，等效电容C变为nC，ESL变为L/n，ESR变为R/n，但谐振频率不变。电源层和地层平面对本身就是一个等效的电容，所以它也会和在一定频率下呈感性的电容发生并联谐振。去耦电容在谐振频率附近处呈现低阻抗，可以为返回电流提供更短的路径，从而在一定程度上抑制SSN的传播。

但是，由于去耦电容封装本身的寄生电感，使得电容的作用范围十分有限，当工作频率高于600MHz时，寄生电感会与电容器产生自谐振，限制了频率带宽，因此采用去耦电容器的旁路技术不能有效地解决高频同步开关噪声问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例期望提供一种电磁带隙结构及印刷电路板，能够实现在连续超宽频段范围内对同步开关噪声的有效抑制。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型实施例提供了一种电磁带隙结构，所述电磁带隙结构包括：非导电基板、覆盖于非导电基板上下两面的金属板，嵌入在两层金属板中间的非导电基板中的第一电磁带隙EBG层和第二电磁带隙EBG层；

其中，所述第一电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联构成，所述第二电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联构成。

上述方案中，所述非导电基板材料为FR4材料。

上述方案中，所述覆盖于非导电基板上下两面的金属板分别为电源层和地层；所述第一电磁带隙EBG层与电源层相邻，所述第二电磁带隙EBG层与地层相邻。

上述方案中，所述第一电磁带隙EBG层的两种不同尺寸的电磁带隙元件与所述第二电磁带隙EBG层的两种不同尺寸的电磁带隙元件的尺寸不同。

上述方案中，所述第一电磁带隙EBG层的两种电磁带隙元件为两种不同尺寸的正方形金属贴片，所述金属贴片在中心处通过金属过孔和地层相连。

上述方案中，所述的第二电磁带隙EBG层的两种电磁带隙元件分别为不同尺寸的正方形和长方形金属贴片，所述金属贴片在中心处通过金属过孔和电源层相连。

上述方案中，所述金属贴片之间有间隙。

本实用新型实施例还提供了一种印刷电路板，所述印刷电路板包括上述任一项所述电磁带隙结构。

本实用新型实施例提供的电磁带隙结构包括：非导电基板、覆盖于非导电基板上下两面的金属板，嵌入在两层金属板中间的第一电磁带隙(EBG，ElectromagneticBandGap)层和第二电磁带隙EBG层；其中，所述第一电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联构成，所述第二电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联构成；所述第一电磁带隙EBG层和第二EBG进行纵向级。如此，采用现有常规PCB制造工艺，通过在电源层和地层之间引入两层电磁带隙结构，在保持电源层和地层均完整的情况下，实现了连续超宽频段范围内对同步开关噪声的有效抑制，易于实现，降低了设计成本。

附图说明

图1为电容的简化模型示意图；

图2为本实用新型实施例电磁带隙结构侧视示意图；

图3为本实用新型实施例第一电磁带隙EBG层结构俯视示意图；

图4为本实用新型实施例第二电磁带隙EBG层结构俯视示意图；

图5为本实用新型实施例第一电磁带隙EBG层和第二电磁带隙EBG层纵向级联结构俯视示意图；

图6为本实用新型实施例测试端口的S21的仿真曲线示意图；

图7为本实用新型实施例印刷电路板结构示意图。

具体实施方式

在本实用新型实施例中，所述电磁带隙结构包括：非导电基板、覆盖于非导电基板上下两面的金属板，嵌入在两层金属板中间的非导电基板中的第一电磁带隙EBG层和第二电磁带隙EBG层；其中，所述第一电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联构成，所述第二电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联构成；所述第一电磁带隙EBG层和第二EBG进行纵向级联。

本实用新型实施例中，EBG结构是具有带阻特性的周期性结构，可以采用金属、铁磁或铁电等材料植入基质材料，或者由多种符合要求的材料周期性排列而成；本实用新型实施例中，以金属贴片为例，所述EBG结构通过金属贴片周期性排列而成，当电磁波入射到EBG结构时，金属贴片表面会产生感应电流，电流从一个金属贴片通过金属过孔和地面流到另一个金属贴片，形成电感；电荷在金属贴片窄缝的边缘以及贴片和地面之间积累形成电容；所以本实用新型实施例所述EBG结构可以等效为电容电感并联网络。当入射电磁波的频率等于所述等效网络即EBG结构的谐振频率时，EBG结构和地平面之间的阻抗Z趋于无限大，形成了高阻抗平面，也就是说当入射电磁波的频率在谐振频率附近时，所述入射电磁波将被高阻表面阻挡而不能传播，从而达到降低SSN的目的。

下面结合附图及具体实施例，对本实用新型电磁带隙结构进行进一步详细的说明。

图2为本实用新型实施例电磁带隙结构侧视结构示意图，本实施例中，所述电磁带隙结构包括：非导电基板21、覆盖于非导电基板上下两面的金属板22、嵌入在两层金属板22中间的非导电基板21中的第一电磁带隙EBG层23和第二电磁带隙EBG层24，其中，

所述第一电磁带隙EBG层23由两种不同尺寸的电磁带隙元件231周期性横向级联构成，所述第二EBG24层由两种不同尺寸的电磁带隙元件241周期性横向级联构成；所述第一电磁带隙EBG层23和第二EBG24进行纵向级联。

本实用新型实施例中，所述非导电基板21材料为FR4材料；

如图2所示，所述覆盖于非导电基板21上下两面的金属板22分别为电源层和地层；所述第一电磁带隙EBG层23与电源层相邻，所述第二电磁带隙EBG层24与地层相邻。

图3为本实用新型实施例第一电磁带隙EBG层结构俯视示意图，图4为本实用新型实施例第二电磁带隙EBG层结构俯视示意图，如图2、图3和图4所示，所述第一电磁带隙EBG层23的两种不同尺寸的电磁带隙元件231与所述第二电磁带隙EBG层24的两种不同尺寸的电磁带隙元件241的尺寸不同：所述第一电磁带隙EBG层23的两种电磁带隙元件231为两种不同尺寸的正方形金属贴片2311和2312，所述金属贴片2311和2312在中心处通过金属过孔2313和地层相连；所述的第二电磁带隙EBG层24的两种电磁带隙元件241分别为不同尺寸的正方形和长方形金属贴片2411和2412，所述金属贴片2411和2412在中心处通过金属过孔2413和电源层相连。所述第一电磁带隙EBG层23和所述第二电磁带隙EBG层24的电磁带隙元件(231、241)之间有间隙232和242。

由于不同尺寸的金属贴片级联产生的阻带的频段范围不同，因此，可以通过选择合适的基板材料和金属贴片尺寸，可实现连续宽频段范围内的阻带效果，从而达到对同步开关噪声更好的抑制。

下面结合具体数据，对本实用新型实施例所述电磁带隙结构及其功能进行描述。本实用新型实施例中，仅仅是以下述数据为例，实际应用中，所述电磁带隙结构中的元件可以根据实际需求选取符合要求的具体尺寸。

如图3所示，第一电磁带隙EBG层23由两种不同尺寸的正方形金属贴片2311和2312周期性排列横向级联构成，金属贴片2311尺寸为3.75mm×3.75mm，金属贴片2312尺寸为1.75mm×1.75mm，所有金属贴片之间的间隙232均为0.25mm，如图2所示，每个金属贴片中心通过金属过孔2313和地层相连。如图4所示，第二电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的金属贴片2411和2412周期性排列横向级联构成，金属贴片2411为正方形贴片单元，尺寸为7.75mm×7.75mm，金属贴片2412为长方形贴片单元，其尺寸为5.75mm×3.75mm；所有金属贴片间隙均为0.25mm，如图2所示，每个金属贴片中心通过金属过孔2413和电源层相连。

图5为本实用新型实施例第一电磁带隙EBG层和第二电磁带隙EBG层纵向级联结构俯视示意图。以图5和图2所述电磁带隙结构为例，通过仿真，证明本实用新型实施例所述电磁带隙结构对同步开关噪声的抑制效果。

选择作为电源层和地层的金属板的尺寸均为40mm×32mm，电源层和地层的距离为0.7mm，电源层和地层之间填充的非导电基板材料为常见的FR4材料，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，电源层和地层保持连续完整，第一电磁带隙EBG层和第二电磁带隙EBG层嵌入到电源层和地层FR4材料中，其中第一电磁带隙EBG层距电源层为0.1mm，第二电磁带隙EBG层距地层为0.1mm；

在坐标为(4mm，8mm)，(34mm,8mm)的位置处，分别加载1个测试端口P1和P2，这两个测试点和原点的坐标如图5所示。两个测试端口的S21的仿真曲线示意图如图6所示：抑制深度为-40dB时，由仿真曲线可知，所述EBG结构的阻带频段范围为1.3GHz～23.5GHz，阻带带宽大约为22GHz；因为两个测试端口的距离仅有30mm，因此，本实用新型实施例所述EBG结构可以应用于小型化的PCB上。

本实用新型所述电磁带隙结构，由于较大尺寸的金属贴片级联产生的阻带位于低频率范围，较小尺寸的金属贴片级联产生的阻带位于高频率范围，通过选择合适的金属贴片的尺寸和基板介质材料，可以获得连续频段内的超宽带阻带带宽；由以上具体实例可以看出，本实用新型所述电磁带隙结构可以在保证电源层和地层完整的情况下，实现了在大约22GHz的连续超宽带阻带范围内对同步开关噪声的抑制，抑制深度达到-40dB以下，且便于在小型化PCB上实现，能够与现有的印制电路板工艺兼容，易实现，成本低，效益高，可应用在未来对速率等方面性能要求更高的终端产品(如5G终端产品)的PCB设计中，提高产品的整体性能指标。

以上所述仅为本实用新型的一个具体实施例，并不限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，对本实用新型所述三维级联的电磁带隙结构，包括EBG结构贴片形状(如多边形、圆形等)、贴片尺寸、贴片单元之间的间隙、每层EBG结构的不同贴片单元的数量(如两种或更多)、基板介质材料等方面所作的任何简单修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内

本实用新型实施例还提供了一种印刷电路板，图7为本实用新型实施例印刷电路板结构示意图，所述印刷电路板包括图2至图6任一种电磁带隙结构。

下面结合具体实施例，对本实用新型PCB板进行进一步详细描述，如图7所示，所述PCB板包括：信号层71、地层72、EBG结构73、信号层74、地层75、信号层76、地层77、信号层78、底层79，每层之间填充合适的非导电基板材料，如常见的FR4或高介电常数的陶瓷介质材料等，PCB自身的尺寸大小以及板层之间的距离依据具体的产品需求和PCB制作工艺水平确定，通过选择EBG结构73内部元件的参数，可抑制高速PCB板上内部产生的同步开关噪声，从而保证PCB板的整体性能指标。

虽然本实用新型以一种较佳的实施例揭露如上，然而并非限定本实用新型，在不背离本实用新型实质的情况下，可以对本实用新型做出各种相应的改变和变形，这些改变和变形都属于本实用新型的权利要求保护范围。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种电磁带隙结构，其特征在于，所述电磁带隙结构包括：非导电基板、覆盖于非导电基板上下两面的金属板，嵌入在两层金属板中间的非导电基板中的第一电磁带隙EBG层和第二电磁带隙EBG层；

2.根据权利要求1所述电磁带隙结构，其特征在于，所述非导电基板材料为FR4材料。

3.根据权利要求1所述电磁带隙结构，其特征在于，所述覆盖于非导电基板上下两面的金属板分别为电源层和地层；所述第一电磁带隙EBG层与电源层相邻，所述第二电磁带隙EBG层与地层相邻。

4.根据权利要求3所述电磁带隙结构，其特征在于，所述第一电磁带隙EBG层的两种不同尺寸的电磁带隙元件与所述第二电磁带隙EBG层的两种不同尺寸的电磁带隙元件的尺寸不同。

5.根据权利要求4所述电磁带隙结构，其特征在于，所述第一电磁带隙EBG层的两种电磁带隙元件为两种不同尺寸的正方形金属贴片，所述金属贴片在中心处通过金属过孔和地层相连。

6.根据权利要求4所述电磁带隙结构，其特征在于，所述的第二电磁带隙EBG层的两种电磁带隙元件分别为不同尺寸的正方形和长方形金属贴片，所述金属贴片在中心处通过金属过孔和电源层相连。

7.根据权利要求5或6所述电磁带隙结构，其特征在于，所述金属贴片之间有间隙。

8.一种印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板包括权利要求1至6任一项所述电磁带隙结构。