一種抑制同步開關(guān)噪聲的電磁帶隙結(jié)構(gòu)微帶線互連

王香婷，李曉春， 毛軍發(fā)

(上海交通大學(xué) 高速電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電磁兼容研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

微帶線由接地板、介質(zhì)基板和信號(hào)線組成，由于其加工方便，且易于與其他無源、有源等微波器件集成，在微波集成電路中得到了廣泛應(yīng)用.然而，隨著集成電路的時(shí)鐘頻率越來越高，電源供電電壓逐步降低，由高時(shí)鐘頻率、低電壓水平和陡峭的信號(hào)邊緣等原因?qū)е碌耐介_關(guān)噪聲(SSN)的問題日益嚴(yán)重[1].受封裝結(jié)構(gòu)的分布電感和分布電容的影響，SSN信號(hào)會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部傳播，且會(huì)不斷被激勵(lì)和惡化，引發(fā)嚴(yán)重的電源完整性以及信號(hào)完整性問題.因此，只有有效地抑制SSN才能保證信號(hào)完整性和電源完整性.

電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)是一種典型的人工電磁材料，它由周期性的圖案組成，可以在一定的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生帶隙特性，抑制在該頻段內(nèi)電磁波的傳播[2].將EBG應(yīng)用于微帶線上的研究有4種類型：刻蝕在接地板上，刻蝕在介質(zhì)上，刻蝕在信號(hào)線上和混合刻蝕.第1種研究為在微帶線的接地板上刻蝕EBG結(jié)構(gòu).在文獻(xiàn)[3]中，Radisic將3排圓孔刻蝕在微帶線的接地板上，刻蝕后的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了阻帶抑制特性.然而在封裝時(shí)，為了避免電磁干擾(EMI)，電路通常被固定在一個(gè)金屬盒內(nèi)，當(dāng)EBG結(jié)構(gòu)被刻蝕在接地板上時(shí)，由于EBG地平面和金屬基底之間的近距離接觸，EBG結(jié)構(gòu)的噪聲抑制特性將會(huì)減弱甚至消失.第2種研究為在微帶線的介質(zhì)上刻蝕EBG結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于功率放大器[4]和天線[5].第3種研究為在微帶線的信號(hào)線上刻蝕EBG結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)[6]中提出在信號(hào)線兩側(cè)添加旁路單元的EBG結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[7-8]中提出在信號(hào)線上刻蝕EBG的結(jié)構(gòu).此種類型的研究可以應(yīng)用于濾波器[6]、耦合器[7]和天線[8]上.第4種研究為混合刻蝕，即同時(shí)在接地板以及信號(hào)線上刻蝕EBG結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[9]中采用此種刻蝕方式，并將其應(yīng)用于濾波器上.綜合以上分析可知，現(xiàn)有的關(guān)于EBG微帶線的研究，均沒有考慮在微帶線的信號(hào)線上刻蝕EBG來進(jìn)行基帶信號(hào)的傳輸.

針對(duì)基帶信號(hào)容易受到SSN的影響而產(chǎn)生信號(hào)完整性的問題，本文提出了一種抑制SSN的EBG微帶線互連.該互連結(jié)構(gòu)由級(jí)聯(lián)的寬、窄信號(hào)線的周期排列形成.給出了該EBG微帶線互連的具體設(shè)計(jì)方法，采用印制電路板(PCB)工藝對(duì)該互連進(jìn)行了加工，并測試了該互連的S參數(shù).仿真與測試結(jié)果一致，表明該互連具有良好的通帶傳輸特性和阻帶抑制特性.最后，本文結(jié)合高速互連的電路模型，在基帶信號(hào)源中引入SSN，并對(duì)所提出的EBG微帶線互連的時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析.結(jié)果表明，與相同尺寸的在接地板上刻蝕EBG結(jié)構(gòu)的微帶線互連相比，本文提出的互連具有更強(qiáng)的抑制SSN的能力，更好地保證信號(hào)傳輸?shù)耐暾?

1 原理與設(shè)計(jì)

在高速數(shù)字電路中，信號(hào)源為基帶信號(hào).另外，很多電路共用接地板和饋電線，大量信號(hào)的快速翻轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致電流的大量涌動(dòng)，由于寄生電感的存在，在電源和地平面之間產(chǎn)生大量的噪聲，即稱為SSN，它的值可以表示為[10]

(1)

式中：N為同時(shí)改變狀態(tài)的邏輯開關(guān)數(shù)目；L為電路中的回路電感；i為單個(gè)邏輯開關(guān)跳變時(shí)在電路中產(chǎn)生的電流.由式(1)可知，信號(hào)翻轉(zhuǎn)的速度越快，則SSN越大，而且，當(dāng)同時(shí)切換工作狀態(tài)的邏輯器件較多時(shí)，SSN會(huì)很大，SSN噪聲不但會(huì)引起電源的完整性問題，還會(huì)引起信號(hào)的完整性問題.

圖1給出了高速互連的電路模型.圖中：信號(hào)源為基帶信號(hào)；Vin1和Vin2分別為輸入的基帶信號(hào)和加入SSN之后受干擾的輸入信號(hào)；Vout為通過互連結(jié)構(gòu)之后的信號(hào).圖2給出了基帶信號(hào)與同步開關(guān)噪聲的時(shí)域頻域圖.可以看出，SSN會(huì)引起信號(hào)的畸變.因此，為了保證傳輸信號(hào)的完整性，需要對(duì)SSN進(jìn)行抑制.

圖1 高速互連的電路模型Fig.1 The modal of high-speed interconnect circuits

圖2 基帶信號(hào)和同步開關(guān)噪聲Fig.2 Spectrum of base-band signal and simultaneous switching noise

傳統(tǒng)微帶線作為電路中一種常用的互連結(jié)構(gòu)，如圖3所示.圖中：h1為介質(zhì)厚度；h2為金屬導(dǎo)體厚度；w為信號(hào)線寬度；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù).對(duì)于非常薄的金屬導(dǎo)體，其厚度h2可以忽略不計(jì).微帶線的等效介電常數(shù)記為εe，特性阻抗記為Z0[11].

圖3 傳統(tǒng)微帶線的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of the traditional microstrip line

當(dāng)w/h1≤1時(shí),

(2)

(3)

當(dāng)w/h1≥1時(shí),

(4)

(5)

當(dāng)介質(zhì)厚度h1和介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr固定時(shí)，Z0隨著線寬w的增大而減小.

根據(jù)光子晶體理論，當(dāng)平面的EBG結(jié)構(gòu)滿足Bragg反射條件時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出一定的阻帶抑制特性，EBG結(jié)構(gòu)參數(shù)之間需要滿足[3]：

式中：λg為波導(dǎo)波長；k為波導(dǎo)波長對(duì)應(yīng)的波數(shù)；c為自由空間中的光速；f0為阻帶的中心頻率；d為EBG單元的周期長度.由式(6)～(8)可得f0和d的關(guān)系：

(9)

結(jié)合EBG結(jié)構(gòu)的原理，文獻(xiàn)[9]中提出了如圖4所示結(jié)構(gòu)，并且將其應(yīng)用于濾波器上.然而，為了解決干擾信號(hào)的SSN問題，本文提出了將該互連應(yīng)用于SSN的抑制與信號(hào)的傳輸上.

圖4 EBG微帶線互連Fig.4 The structure of the EBG microstrip line interconnect

圖4所示互連結(jié)構(gòu)由接地板、介質(zhì)基底和級(jí)聯(lián)的周期性寬、窄信號(hào)線組成.圖中：l為該新型EBG微帶線結(jié)構(gòu)的長度；w1和w2分別為寬、窄信號(hào)線的寬度；a為窄信號(hào)線的長度；b為刻蝕結(jié)構(gòu)的寬度.w1、w2和b之間滿足：

w1=w2+2b

(10)

本文提出的EBG微帶線互連的設(shè)計(jì)方法如下：

(1)選取合適的工藝和材料.確定介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr，介質(zhì)厚度h1和金屬導(dǎo)體厚度h2.

(2)設(shè)計(jì)寬信號(hào)線對(duì)應(yīng)的微帶線特性阻抗.為了實(shí)現(xiàn)EBG微帶線互連與其他器件之間的阻抗匹配，寬信號(hào)線對(duì)應(yīng)的微帶線的特性阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)為50 Ω.結(jié)合步驟(1)中的參數(shù)，使用微帶線的特性阻抗式(2)～(5)來確定寬信號(hào)線的寬度w1.

(3)針對(duì)具體的SSN，確定d和a的值.針對(duì)具體想要抑制的SSN噪聲頻率，結(jié)合式(8)確定EBG結(jié)構(gòu)的周期長度d.針對(duì)阻帶抑制特性，本文對(duì)窄信號(hào)線的長度a進(jìn)行了優(yōu)化分析.圖5給出了不同窄信號(hào)線長度a對(duì)應(yīng)的EBG微帶線互連的插入損耗S21，其中d=16 mm.可以看出，在d確定時(shí)，隨著a的增大，阻帶抑制深度先增大后減小，且在a=d/2處，阻帶抑制深度最大.因此，為了獲得最佳的阻帶抑制特性以確保信號(hào)的完整性，a取為d的1/2.

(4)綜合考慮通帶傳輸特性和阻帶抑制特性，確定刻蝕結(jié)構(gòu)的寬度b的值.本文對(duì)刻蝕結(jié)構(gòu)的寬度b進(jìn)行了優(yōu)化分析.圖6給出了不同刻蝕結(jié)構(gòu)的寬度b對(duì)應(yīng)的EBG微帶線互連的S21.可以看出，隨著b的增大，阻帶抑制深度越來越大，同時(shí)，通帶的傳輸特性會(huì)變差.因此，b的取值應(yīng)該綜合考慮通帶傳輸特性和阻帶抑制特性來確定.

圖5 不同a對(duì)應(yīng)的EBG微帶線互連的S21Fig.5 S21 parameters of the EBG microstrip line interconnect for different values of a

圖6 不同b對(duì)應(yīng)的EBG微帶線互連的S21Fig.6 S21 parameters of the EBG microstrip line interconnect for different values of b

(5)通過調(diào)整周期數(shù)n的值來進(jìn)一步優(yōu)化阻帶抑制特性，最大程度地保證信號(hào)的完整性.為了研究EBG結(jié)構(gòu)的周期數(shù)n對(duì)該互連特性的影響，本文分析了在相同尺寸、材質(zhì)下，具有不同EBG周期數(shù)的EBG微帶線.圖7給出了n為3和7的2種EBG微帶線的S參數(shù)，圖中S11為回波損耗.可以看出，相比于周期數(shù)n=3和7的EBG微帶線具有更大的抑制深度，即刻蝕EBG的數(shù)目越多，該EBG微帶線互連對(duì)SSN的抑制能力越強(qiáng)，越能保證信號(hào)的完整性.因此，在進(jìn)行EBG微帶線互連的設(shè)計(jì)時(shí)，可以在微帶線長度一定的情況下，盡量增加刻蝕的EBG結(jié)構(gòu)的周期數(shù)n，以便更好地抑制SSN，保證信號(hào)完整性.

圖7 不同周期數(shù)目的EBG微帶線互連的SFig.7 Simulated S parameters of the EBG microstrip line interconnect with different number of cycles

圖8 加工樣品以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Processed sample and experimental platform

2 仿真和實(shí)驗(yàn)

本文采用PCB工藝對(duì)提出的微帶線互連進(jìn)行了設(shè)計(jì)和加工，加工樣品及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示.選取Rogers RT/duroid 5880板材作為PCB介質(zhì)材料，其εr=2.2，損耗角正切為 0.000 9，厚度h1=1.575 mm；金屬選取銅，厚度h2=0.017 5 mm.本文提出的EBG微帶線互連的設(shè)計(jì)參數(shù)具體如下：EBG微帶線互連的長度l=75 mm，寬和窄信號(hào)線的寬度w1和w2分別為 5.068 和 2.568 mm，EBG單元的周期長度d=10 mm，窄信號(hào)線的長度a=5 mm，設(shè)EBG結(jié)構(gòu)的周期數(shù)n=7.將互連的參數(shù)代入式(9)，可得阻帶中心頻率為 10.95 GHz.

采用雙端口的網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent 8722ES對(duì)樣品進(jìn)行S參數(shù)的測試，并且將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示.可以看出，本文提出的EBG微帶線互連的實(shí)物測試結(jié)果與仿真結(jié)果有良好的一致性，表明該互連具有良好的SSN抑制能力與通帶傳輸特性.

圖9 EBG微帶線互連的S參數(shù)仿真與測試結(jié)果Fig.9 Comparison of simulated results and measured results of the EBG microstrip line interconnect

另外，為了對(duì)比在信號(hào)線上刻蝕EBG的微帶線和在接地板上刻蝕相同尺寸的EBG的微帶線的性能差異，本文利用HFSS軟件對(duì)相同尺寸及材質(zhì)的2種微帶線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，對(duì)比兩者的S參數(shù)，結(jié)果如圖10所示.可以看出，相比在接地板上刻蝕EBG的微帶線結(jié)構(gòu)而言，本文提出的EBG微帶線互連在抑制SSN方面具有更大的抑制寬度以及更強(qiáng)的抑制深度.

圖10 在信號(hào)線上刻蝕EBG的微帶線和在接地板上刻蝕EBG的微帶線的仿真結(jié)果Fig.10 Simulated results of the microstrip line with EBG etched on the signal line and the ground plane

圖11 在信號(hào)線上刻蝕EBG的微帶線和在接地板上刻蝕EBG的微帶線的去噪能力對(duì)比Fig.11 Comparison between the microstrip line with EBG etched on the signal line and the ground plane

結(jié)合圖1，在ADS軟件中建立了高速互連的等效電路，從信號(hào)時(shí)域響應(yīng)的角度進(jìn)行了研究.基帶信號(hào)源由時(shí)鐘頻率為 2.19 GHz的方波信號(hào)提供，它的幅值為1 V，上升時(shí)間為 0.091 ns，下降時(shí)間為 0.07 ns，占空比為50%.SSN頻率為 10.95 GHz，幅值為 0.2 V.RL設(shè)置為50 Ω.圖11給出了在信號(hào)線上刻蝕EBG的微帶線和在接地板上刻蝕EBG的微帶線這2種互連的時(shí)域響應(yīng)波形.圖中：Vin1和Vin2分別為輸入基帶信號(hào)和加入SSN之后的輸入信號(hào)；Vout1和Vout2分別為通過在信號(hào)線上刻蝕EBG的微帶線和在接地板上刻蝕EBG的微帶線之后的時(shí)域響應(yīng)信號(hào).可以看出，本文提出的在信號(hào)線上刻蝕EBG的微帶線能夠得到更理想的時(shí)域響應(yīng)波形，保證了信號(hào)傳輸?shù)耐暾?

3 結(jié)語

本文針對(duì)基帶信號(hào)容易受到SSN的影響而產(chǎn)生信號(hào)完整性的問題，提出了一種抑制SSN的EBG微帶線互連設(shè)計(jì)方法.該互連結(jié)構(gòu)由級(jí)聯(lián)的寬、窄信號(hào)線的周期結(jié)構(gòu)組成，具有良好的通帶傳輸特性和阻帶抑制特性，能夠抑制同步開關(guān)噪聲，保證信號(hào)的完整性.仿真與測試結(jié)果表明，與相同尺寸的在接地板上刻蝕EBG結(jié)構(gòu)的微帶線互連相比，本文提出的在信號(hào)線上刻蝕EBG的微帶線互連具有更強(qiáng)的抑制SSN的能力，能夠得到更為理想的信號(hào)波形.