一種抑制同步開(kāi)關(guān)噪聲的超寬帶電磁帶隙結(jié)構(gòu)

史凌峰 蔡成山 孟 辰 成立業(yè)

(1.西安電子科技大學(xué)超高速電路設(shè)計(jì)與電磁兼容教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071；2.西安電子科技大學(xué)電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)所，陜西 西安 710071)

引 言

隨著電子系統(tǒng)朝著高速度、高密度和低功耗等方向的發(fā)展，這就要求高頻時(shí)鐘信號(hào)具有更陡的跳變沿和更低的電壓冗余量.在這些要求中，時(shí)域范圍內(nèi)陡峭上升沿和下降沿將導(dǎo)致頻域內(nèi)更寬的頻譜.同時(shí)，數(shù)字系統(tǒng)中信號(hào)電壓的降低要求有嚴(yán)格的噪聲冗余量.高速時(shí)鐘頻率也帶來(lái)諸如電源完整性(Power Integrity,PI)、地彈噪聲(Ground Bound Noise,GBN)等問(wèn)題[1-3].尤其是由大量驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)不停的開(kāi)斷而造成的同步開(kāi)關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise,SSN)問(wèn)題在電源、地平面當(dāng)中不可避免.這些噪聲不僅會(huì)造成信號(hào)傳輸抖動(dòng)和電磁干擾(Electro-Magnetic Interference,EMI)等問(wèn)題，還會(huì)導(dǎo)致敏感射頻、模擬電路的誤操作等嚴(yán)重的信號(hào)完整性(Signal Integrity,SI)問(wèn)題.

現(xiàn)在已經(jīng)有很多有效的方法來(lái)抑制SSN，各種形式的EBG結(jié)構(gòu)在抑制SSN傳播有相當(dāng)好的效果.如文獻(xiàn)[4]～[6]提到的平面EBG結(jié)構(gòu)，在低頻獲得良好的結(jié)果.然而由于EBG結(jié)構(gòu)受其自身電特性限制，帶隙較窄從而無(wú)法達(dá)到大范圍抑制SSN作用.文獻(xiàn)[7]提出結(jié)構(gòu)在提高抑制帶寬同時(shí)，也降低對(duì)低頻的抑制.而文獻(xiàn)[8]提出的結(jié)構(gòu)雖然同時(shí)提高帶寬和低頻抑制效果，但是電源平面連續(xù)性降低，影響信號(hào)完整性.針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種新穎的垂直級(jí)聯(lián)式EBG結(jié)構(gòu)，稱為折疊垂直級(jí)聯(lián)式(Fold Superimposition Type,FST)EBG結(jié)構(gòu).它是通過(guò)折線(Meander Line)EBG結(jié)構(gòu)和高阻抗平面(High Impedance Surface,HIS)垂直級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)SSN的抑制，其電磁帶隙抑制深度為-40 dB時(shí)阻帶范圍750 MHz到15.7 GHz，帶寬達(dá)到14.95 GHz，抑制帶寬得到顯著地提高.

1 傳統(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理

本文EBG的帶隙形成為局域諧振機(jī)理，通過(guò)EBG結(jié)構(gòu)的表面波阻抗隨著電磁波頻率不同而不同的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)特定頻率噪聲抑制.其中，可將表面波阻抗等效為對(duì)有著特定諧振頻率的集總LC網(wǎng)絡(luò)，利用單元諧振時(shí)電抗無(wú)窮大的特性，阻止諧振頻率附近的電磁波的傳播，以形成頻率帶隙.帶隙的中心頻率和相對(duì)帶寬近似由表面單元等效電容C和等效電感L決定[9].

(1)

(2)

式中:η為自由空間波阻抗.由式(1)和(2)可以看出，為了使結(jié)構(gòu)單元既具有低的中心頻率，以使其在低頻范圍具有良好的抑制效果.同時(shí)也要求其具有寬的抑制帶寬，通過(guò)增大單元的等效電感就成為實(shí)現(xiàn)超寬帶EBG結(jié)構(gòu)比較好的方法.文獻(xiàn)[10]～[12]提出的結(jié)構(gòu)都是通過(guò)增加平面各EBG結(jié)構(gòu)單元的等效電感來(lái)提高低頻的抑制效果，而文獻(xiàn)[13]提出的多過(guò)孔EBG結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在高頻具有較寬的帶寬抑制作用.

2 FST-EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

研究L-bridge和蘑菇型(Mushroom)EBG結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[4,7]，提出新型的FST-EBG結(jié)構(gòu).此結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成，圖1所示的是具有FST-EBG結(jié)構(gòu)單元的側(cè)視圖.頂層為Meander Line電源層，中間為折疊式HIS層，底層為地平面層.

圖1 FST-EBG結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖

2.1 Meander Line電源層

設(shè)計(jì)的Meander Line電源層結(jié)構(gòu)單元的特點(diǎn)就是通過(guò)螺旋線來(lái)增加各個(gè)單元塊間的電感，同時(shí),又由于螺旋線在每個(gè)單元塊內(nèi)部，使得相鄰結(jié)構(gòu)單元間距更易達(dá)到小型化，實(shí)現(xiàn)緊湊型EBG結(jié)構(gòu).圖2給出的是Meander Line電源面結(jié)構(gòu)單元俯視圖.

圖2 Meander Line電源面結(jié)構(gòu)單元俯視圖

2.2 折疊式高阻抗層

2.2.1 設(shè)計(jì)原理

提出的高阻抗平面由折疊式蘑菇型(Fold Mushroom)單元構(gòu)成，圖3所示為新型折疊式Mushroom結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)小單元的尺寸示意圖.對(duì)于傳統(tǒng)的Mushroom結(jié)構(gòu)，電源平面保持連續(xù)性，可以通過(guò)增加結(jié)構(gòu)單元的過(guò)孔數(shù)來(lái)提高抑制帶寬，但過(guò)孔數(shù)的增加不僅帶來(lái)成本的增加，而且會(huì)加大接地平面的不連續(xù)性，產(chǎn)生嚴(yán)重的SI問(wèn)題.因此，提出Fold Mushroom結(jié)構(gòu)，通過(guò)將EBG結(jié)構(gòu)層和地平面層折疊式連接，增加之間的電感量.在同一個(gè)結(jié)構(gòu)小單元中，只有一個(gè)過(guò)孔連接到地平面，這使地平面也更大限度的保持連續(xù)性，有助于提高SI.

圖3 折疊Mushroom結(jié)構(gòu)及尺寸

圖3中，H1=0.1 mm，H2=1 mm，G=0.1 mm.如圖3所示在HIS層中，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元由兩個(gè)孔折疊組合而成，其對(duì)應(yīng)的尺寸為：p=3 mm，g=0.65 mm，h1=0.4 mm，h2=0.4 mm，a=0.2 mm.

2.2.2 仿真結(jié)果及分析

為了測(cè)試這種折疊Mushroom結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)抑制SSN的效果，建立測(cè)試模型，測(cè)試的折疊Mushroom結(jié)構(gòu)的外圍尺寸為20 mm×20 mm×1.1 mm.與傳統(tǒng)1-via Mushroom結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比[7]，其尺寸與折疊Mushroom相同.此時(shí)，保持電源平面的連續(xù)性.電源平面與地平面中間的電介質(zhì)為普通的FR4.仿真的S21參數(shù)結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看出，在帶隙深度為-40 dB時(shí)，F(xiàn)old Mushroom抑制帶寬從3.3 GHz到19.9 GHz，1-via Mushroom是從2.9 GHz到18.7 GHz，其新結(jié)構(gòu)帶寬增加0.8 GHz.

圖4 Fold Mushroom與傳統(tǒng)Mushroom S 參數(shù)比較

2.2.3 SI分析

通過(guò)HFSS Designer對(duì)S參數(shù)模型進(jìn)行眼圖分析.在Designer中，設(shè)置信號(hào)源產(chǎn)生255的偽隨機(jī)二進(jìn)制碼，數(shù)據(jù)的傳輸速率為2.5 GHz，上升沿和下降沿均為125 ps，仿真結(jié)果具體如表1所示.由圖5(a)和圖5(b)比較可知：相比于傳統(tǒng)1-via Mushroom結(jié)構(gòu)，F(xiàn)old Mushroom結(jié)構(gòu)具有更好的信號(hào)質(zhì)量.

表1 眼圖分析數(shù)據(jù)表

(a) Fold Mushroom結(jié)構(gòu)圖仿真

(b) 傳統(tǒng)1-via Mushroom結(jié)構(gòu)眼圖仿真圖5

3 仿真結(jié)果與分析

給出了FST-EBG結(jié)構(gòu)的單元尺寸，在電源Meander Line結(jié)構(gòu)單元層中，如圖2所示，L=12.4 mm，L1=1.5 mm，W1=0.2 mm，W2=0.1 mm，W3=0.3 mm，W4=0.1 mm.圖1中高阻抗平面結(jié)構(gòu)類型和圖3相同，圖3的尺寸為p=4 mm，g=0.9 mm，h1=0.4 mm，h2=0.4 mm，a=0.2 mm，其中，設(shè)置仿真參數(shù)和2.2.2相同.如圖6所示，原點(diǎn)設(shè)在結(jié)構(gòu)面的左上角，激勵(lì)端口1，2位置分別為(7 mm，7 mm)和(19.5 mm，32 mm)，其中1端口是輸入端，2端口是輸出端.

圖6 FST-EBG結(jié)構(gòu)測(cè)試點(diǎn)位置

S21參數(shù)如圖7所示.在抑制深度為-40 dB時(shí)，阻帶帶寬為14.95 GHz.為了說(shuō)明這種FST-EBG結(jié)構(gòu)的特性，通過(guò)與同尺寸傳統(tǒng)1-via Mushroom EBG結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行比較.通過(guò)比較可以看出，本文所提出的結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)Mushroom EBG結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展了3.65 GHz的帶寬，具有較好的SSN抑制帶寬性能.

圖7 不同模型下S參數(shù)特性對(duì)比圖

4 結(jié) 論

從分析傳統(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)等效電路和平面導(dǎo)線電感對(duì)電磁帶隙特性產(chǎn)生機(jī)理著手，提出Fold Mushroom結(jié)構(gòu).仿真結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)Mushroom結(jié)構(gòu)，不僅具有更好的抑制帶寬，而且有良好的SI.同時(shí)，提出的一種新穎FST-EBG結(jié)構(gòu)單元，它突破傳統(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)抑制帶隙窄的缺陷.與傳統(tǒng)1-via Mushroom EBG結(jié)構(gòu)相比，其帶寬增加3.65 GHz，實(shí)現(xiàn)了超帶寬抑制噪聲作用.

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