一種擴展蘑菇型EBG結構阻帶帶寬的新方法

史凌峰 王海鵬

(西安電子科技大學超高速電路設計與電磁兼容教育部重點實驗室 西安 710071)

(西安電子科技大學電路CAD所 西安 710071)

1 引言

同步開關噪聲(Simultaneous Switching Noise,SSN)，又稱地彈噪聲或者是ΔI噪聲，是由高速數(shù)字電路系統(tǒng)工作時門電路的快速同時開關產(chǎn)生。如果SSN在設計過程中不能被及時發(fā)現(xiàn)和抑制，將會導致數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的信號完整性(Signal Integrity, SI)，電源完整性(Power Integrity, PI)以及電磁干擾(Electro-Magnetic Interference, EMI)等問題[1]。所以伴隨著數(shù)字系統(tǒng)向高時鐘頻率，高速數(shù)據(jù)傳輸速率和低供電電壓趨勢發(fā)展，研究如何有效抑制 SSN的工作對于多層印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)的設計具有重要意義。

早期的研究工作中提出許多抑制SSN的方法，主要包括使用去耦電容[2]，嵌入式電容器[3]，電源層分割和電源島的方法[4]以及采用差分信令[5]，但是這些方法存在不足：去耦電容由于其存在的等效串聯(lián)電感只能應用在600 MHz以下低頻范圍；嵌入式電容存在制作費用和有限阻帶帶寬的限制；使用分割電源層和電源島的缺點是破壞了電源平面電流返回路徑的連續(xù)性，當傳輸線經(jīng)過分割層時會使SI嚴重下降；利用差分信令技術可以提高信號的傳輸質量，但需要增大 PCB的面積和布線密度，增加制作成本，只適合個別數(shù)據(jù)率要求特別高的信號布線使用。

目前，文獻[6]提出使用蘑菇型(mushroom-like)電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)結構對高速電路兩層平行板電源分布網(wǎng)絡中的SSN進行抑制。該EBG結構在阻帶內有很好的SSN抑制能力，但阻帶帶寬較窄。因為多層PCB中SSN分布在一個從直流到 6 GHz的寬頻率范圍，且信號在EBG結構阻帶內傳輸特性最好[7]，所以增加阻帶帶寬和降低阻帶的中心頻率成為研究的重點。葉狀(leafy)結構[8]和回旋 L-bridge結構[9]等共面型 EBG結構可以在比較寬的頻率范圍內抑制SSN，但是單元面積較大。利用阻帶不同的共面型單元分別部分陣列刻蝕在電源層和地層[10]或將共面型 EBG 與高阻抗平面(High Impedance Surface, HIS)垂直級聯(lián)[11]可增加阻帶帶寬。增加每個EBG單元的過孔數(shù)量可擴展阻帶帶寬[12]，但是其阻帶頻率位于GHz以上，低頻范圍內不能起到抑制噪聲的作用。HIS添加螺旋平面可降低阻帶中心頻率[13]，但阻帶不連續(xù)。

本文通過對蘑菇型 EBG 結構的等效電路進行分析，提出一種擴展EBG結構阻帶寬度的方法：插入交指電容(Inter-Digital Capacitor, IDC)法，即把蘑菇型EBG單元的電源層和HIS層之間的平行板電容用T型交指電容代替。使用這種電容可以顯著降低下截止頻率，提高上截止頻率，增大阻帶帶寬。這種方法具有連續(xù)寬阻帶、單元面積小等優(yōu)點。

2 蘑菇型EBG結構和等效電路

圖1是蘑菇型EBG結構的典型設計結構，由電源層、地層和HIS組成。HIS單元是由一個金屬片和連接金屬片到地層的過孔組成。圖2表示蘑菇型EBG單元的等效電路[14]，其中L1,C1和C2組成的π型電路表示電源層與HIS層之間的平行板結構的電感和電容，L2表示 HIS層的電感。L3和C4表示電源層與地層之間平行板結構的電感及電容，Lv和C3組成的并聯(lián)電路表示連接HIS和地層的過孔和兩層之間的電容。文獻[14]給出了蘑菇型EBG結構的下截止頻率fL和上截止頻率fH的近似解析式：

圖1 蘑菇型EBG結構的典型設計

圖2 典型蘑菇型EBG單元的等效電路

3 插入交指電容展寬阻帶寬度

從式(1)和式(2)可知，增大等效電容C1可以有效地降低EBG結構阻帶的下截止頻率，減小等效電感L2可提高阻帶的上截止頻率，進而展寬阻帶帶寬。因此為滿足實際應用中需要低頻、寬阻帶抑制SSN的需求，本文通過對蘑菇型 EBG的電源層和 HIS間插入交指電容來提高蘑菇型EBG的阻帶性能。

使用插入交指電容方法設計一種新型的蘑菇型EBG結構，這里將其命名為 T型交指電容 EBG(TIDC-EBG)結構。該 EBG 單元的立體結構如圖3(a)所示，圖3(b)是該EBG單元的側視圖。從圖中可以看到，交指電容是由 2N個等間距垂直相同的矩形金屬層相互嵌套構成的電容并聯(lián)組成，其中P1到PN是N個垂直連接到PCB電源層的金屬層，G1到GN是N個垂直連接到HIS的金屬層，相鄰的兩金屬層作為每個電容的兩個極板，相鄰金屬層之間縫隙填充的介質作為電容介質。通過增加交指的金屬層數(shù)，可以顯著增大并聯(lián)連接的電容量。在實際PCB加工中，每個金屬層可以近似用相互連接的盲孔并排放置構成，盲孔的孔徑等于金屬片的厚度，盲孔的深度等于金屬片的長度。其中盲孔采用激光鉆孔技術實現(xiàn)。

本文以IDC取N=1時EBG結構的阻帶寬度進行分析。圖 3(c)中虛線框內電路表示N=1時 IDC的等效電路，其中CIDC表示IDC兩層之間的電容，LP和LG表示IDC中分別連接電源層和HIS的PN和GN層(如圖3(b)所示)的電感，L表示兩層之間的耦合互感。相對于典型的蘑菇型EBG結構，使用交指電容的 TIDC-EBG結構顯著增大電源層與 HIS之間的等效電容C1，且由于 IDC結構使電源層與HIS厚度增大進而使L3增大，根據(jù)式(1)可知fL將下移，同時HIS的電感與IDC結構的等效電感LG并聯(lián)使HIS的實際電感L2減小，根據(jù)式(2)可得fH上移。

圖3 TIDC-EBG結構的設計

如圖3(a)所示，對EBG結構單元的幾何參數(shù)用以下參數(shù)集(p,w,h1,h2,r,ε1,ε2,N,l1,l2,d)表示，其中p表示單元周期，w表示HIS的邊長，h1和h2分別是HIS與電源層和地層的距離，r表示過孔的孔徑，ε1和ε2分別是HIS與電源層和地層之間介質的相對介電常數(shù)，N表示IDC個數(shù)，l1和l2分別是T型IDC每一個平面的長度和寬度，d表示IDC中相鄰平面之間的間距。

4 仿真結果及分析

為了驗證使用IDC方法的有效性，分別設計3種不同參數(shù)TIDC-EBG結構的PCB測試板，同時利用平行板電源/地結構和典型的蘑菇型EBG結構進行對比。圖3(a)為N=5的TIDC-EBG測試板示意圖，所有的測試板面積均為60×40 mm2，端口1和端口2用于測量插入損耗，以測試板左上角為坐標原點，橫向為X軸，縱向為Y軸，端口1和端口2的位置分別是(19.9 mm, 9.9 mm)和(19.9 mm,54.9 mm)。其中，測試板TVA是兩層平行板電源/地結構，兩層之間采用厚度為0.45 mm，介電常數(shù)為4.4的FR4材料；測試板TVB是典型蘑菇型EBG結構，參數(shù)含義見第3節(jié)EBG結構單元，參數(shù)為(10 mm, 9.8 mm, 0.05 mm, 0.4 mm, 0.15 mm, 4.4, 4.4)；測試板TVC, TVD和TVE是3種N取不同值時的TIDC-EBG結構，參數(shù)含義見第3節(jié)EBG結構單元，且參數(shù)集分別為(10 mm, 9.8 mm, 5 mm, 0.4 mm,0.15 mm, 4.4, 4.4, 3, 4.95 mm, 9.8 mm, 0.05mm),(10 mm, 9.8 mm, 10 mm, 0.4 mm, 0.15 mm, 4.4, 4.4,1, 9.95 mm, 9.8 mm, 0.05 mm),(10 mm, 9.8 mm, 2 mm, 0.4 mm, 0.15 mm, 4.4, 4.4, 5, 1.95 mm, 9.8 mm,0.05 mm)。

本文采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS V11對測試板進行插入損耗|S21|仿真，圖 4是測試板 TVC的仿真結果，并與測試板TVA和TVB的仿真結果進行比較。從圖中可以看出，-30 dB時測試板TVB的阻帶為930 MHz到7 GHz，阻帶寬度為6.1GHz，而測試板TVC的阻帶為290 MHz到7.4 GHz，阻帶寬度為7.1 GHz，所以TIDC-EBG結構比典型蘑菇型 EBG結構具有更寬的阻帶帶寬和更低的下截止頻率。圖5是改變IDC參數(shù)N和l1的兩種TIDCEBG結構的測試板TVD和TVE插入損耗仿真結果，從圖中可以看出，TVD和TVE抑制SSN能力與TVC的性能接近，根據(jù)TVD和TVE的設計參數(shù)可知，相比于TVC，TVD的IDC正對面積增大，但IDC個數(shù)減小，而TVE的IDC正對面積減小，但IDC個數(shù)增大。所以在不降低TIDC-EBG結構性能的情況下，增大IDC設計參數(shù)N可使IDC正對面積相應減少，進而降低整個EBG結構的厚度，提高TIDC-EBG結構在高速多層PCB中寬阻帶抑制SSN的性能。不過由于使用IDC結構，使得該方法在PCB制作成本上相比于蘑菇型EBG結構有所增加，采用IDC的個數(shù)越多，其成本越高。所以需要合理選擇IDC的個數(shù)及其正對面積，節(jié)約PCB的制造成本。

圖4 測試板TVA, TVB, TVC插入損耗|S21|仿真圖

圖5 測試板TVD, TVE插入損耗|S21|仿真圖

5 結論

本文基于蘑菇型 EBG結構提出一種新穎的展寬阻帶寬度的方法，并設計TIDC-EBG結構，從理論上分析IDC結構提高阻帶帶寬的原因。通過仿真驗證該 EBG 結構可以有效的抑制高速多層印刷電路板中存在的 SSN，并經(jīng)分析討論在不改變TIDC-EBG結構性能的情況下，適當增大IDC設計參數(shù)N可以降低 EBG結構的厚度，為寬帶多層EBG設計方法提供理論參考。

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