一種適用于高速電路中SSN抑制的緊湊型電磁帶隙新結構

史凌峰 侯 斌

(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

隨著現代數字通信系統的發展，系統的集成度不斷提高，同時為滿足系統高速度和低功耗的要求，高速時鐘信號的邊沿不斷變陡，信號電壓不斷降低。高速電路系統工作過程中大量的高速開關器件同時切換狀態產生的同步開關噪聲(Simultaneous Switching Noise, SSN)，也稱為地彈噪聲(Ground Bounce Noise, GBN)在電路板的電源、地平面所構成的平行板波導中傳播，容易激起平面諧振，導致嚴重的信號完整性(SI)和電磁干擾(EMI)問題，對周圍高速設備產生干擾或引發芯片的誤動作，從而影響到系統的整體穩定性[1]。如何在保證信號完整性的前提下，有效地抑制SSN成為目前研究的熱點。

由于數字通信系統中集成了大量的高速開關器件，SSN不可避免，并且主要分布在6 GHz以下的頻帶范圍內，因此需要有效地抑制SSN的傳播，典型的方法是添加去耦電容，通過為SSN提供低阻抗的本地通路來達到抑制SSN的目的，但去耦電容抑制SSN的頻率范圍有限，僅在系統的工作頻率低于600 MHz時，有較好的抑制作用，而系統的工作頻率升高時，由于去耦電容自身產生的寄生電感而對SSN的抑制作用減弱。此外，分割電源地平面、采用差分線等方法也可以較好的抑制SSN，但存在很多的不足，不利于電路的設計[2]。

EBG結構常常用于改善微波器件和天線的性能，現在也越來越多的應用于高速PCB中SSN抑制的研究，其中很多的研究關注于如何降低EBG結構阻帶的中心頻率和增加阻帶帶寬來有效的抑制SSN，并獲得很多的研究結果，例如多帶隙Mushroom-like結構[3]，帶有一層嵌入面的雙面EBG結構[4]，L-Bridge結構[5]，π-Bridge結構[6]以及S-Bridge結構[7]等，其中很多的研究工作注重于SSN的抑制，卻較少涉及到信號完整性問題。對此本文提出了一種適用于高速電路中 SSN抑制的緊湊型EBG結構，在抑制深度為-30 dB時，阻帶范圍為0.6-6.4 GHz，阻帶帶寬為5.8 GHz，并通過時域仿真驗證該結構具有較好的信號完整性。

2 原理分析與設計思想

2.1 EBG的帶隙形成機理

EBG 的帶隙形成機理分為兩種[8-10]：一種是Bragg散射機理，利用一種介質材料在另一種介質材料中周期分布形成的周期結構，當電磁波經過這種結構時，某些頻段的電磁波強度會因為周期性的介質散射而減弱，從而在頻譜上形成頻率帶隙。根據Bragg散射理論，該種結構的周期需要與帶隙中心頻率對應的波長相當，結構過大的尺寸在一定程度上限制了其在實際中的應用。另一種為局域諧振機理，利用金屬單元與電介質特殊的連接關系，形成局域電容與電感的諧振單元，利用結構單元本身的諧振效應，形成高阻平面，阻止諧振頻率附近的表面波傳播，從而形成頻率帶隙。該種結構的帶隙中心頻率僅僅與局域諧振單元的諧振頻率有關，而與結構的周期大小無關，可以采用集總參數的并聯LC電路模型來對帶隙結構進行描述和估算。Mushroom-like結構和共面緊湊(UC)結構是局域諧振機理EBG的兩種主要結構，由于Mushroom-like結構所需的多層金屬成本較高，EBG結構逐漸演化為以共面EBG結構為主。

2.2 EBG結構的設計思想

共面EBG結構單元可以等效為如圖1所示的電路，結構單元的貼片可以等效為旁路電容，結構單元的橋接連線等效為串聯電感，阻帶的上下限頻率可以由式(1)和式(2)得出，其中Cp1,Cp2和Lp1對應結構單元貼片的等效電容和電感，Lb對應橋接連線的等效電感[11]。由式(3)可以推導出，通過增加結構單元的等效電感L和等效電容C可以降低帶隙的中心頻率。

圖1 共面EBG的等效電路

實際應用中為較好地抑制SSN，在降低帶隙的中心頻率的同時需要展寬阻帶的頻帶寬度，由式(4)可以得出帶隙寬度與等效電容的平方根成反比，與等效電感的平方根成正比，因此，增大單元的橋接連線的等效電感可以滿足實際應用中的要求[12-14]，本文即通過增大結構單元的橋接連線，增加阻帶帶寬來實現對SSN的抑制。

3 仿真模型及結果分析

3.1 SSN的抑制

本文提出了一種回旋L-bridge結構，其平面結構單元尺寸如圖2所示，在結構單元尺寸相同的條件下，該結構通過盡可能小的減少貼片的面積來保證結構單元的等效電容，同時盡可能充分利用結構單元的間隙，增加結構單元結構間的橋接連線長度來增加相應的等效電感，從而獲得較低的帶隙中心頻率和較大的阻帶帶寬，結構也更為緊湊。

圖2 回旋L-bridge EBG結構單元

圖3為本文中設計的3×3單元的兩層PCB模型，模型尺寸為90 mm×90 mm×0.4 mm，其中電源平面與地平面間填充厚度為0.4 mm，介電常數為4.4的FR4介質。如圖3中所示，原點位于PCB平板的右下方，為驗證該結構的頻域特性，在電源平面上的(15 mm, 15 mm), (15 mm, 45 mm), (45 mm,45 mm)處分別添加50 Ω的集總同軸端口，其中端口1為輸入端口，端口2和端口3為輸出端口。

圖4為平板電源層、L-bridge結構作為電源層和回旋L-bridge結構作為電源層的仿真結果對比，當傳輸參數(S21)為-30 dB時，回旋L-bridge結構對應的阻帶從0.6-6.4 GHz，帶寬為5.8 GHz，而文獻[5]中傳統的L-bridge結構對應的阻帶帶寬為0.6-4.6 GHz，帶寬為4 GHz。本文中所設計的回旋L-bridge結構與傳統的L-bridge結構相比，阻帶帶寬增加了1.8 GHz，相對帶寬增加了45%，在SSN主要分布的頻率范圍(6 GHz以下)內具有較好的抑制作用。此外，在低頻范圍(1 GHz以下)，回旋L-bridge結構在200-500 MHz的范圍內的S21低于-30 dB，說明該結構對于低頻的SSN也有一定的抑制作用。

圖3 回旋L-bridge電源地平面結構示意圖

圖5為端口1到端口2和端口3的傳輸參數比較。通過分析不同位置的傳輸特性，從而驗證本文提出的新型結構的有效性，如圖5所示，在相同激勵的情況下，端口1到端口2和端口3的傳輸參數(S21和S31)特性曲線基本一致，從而可以得出在整個電源層表面其SSN噪聲都可以得到有效抑制。

3.2 信號完整性分析

兩層的 PCB已經很好地表明本文中所提出結構對SSN抑制的效果，但是需要通過4層的PCB來對回旋L-bridge結構的信號完整性進行分析。如圖6(a)中所示的4層PCB的電源層為3×3 EBG結構單元，該結構的尺寸為90 mm×90 mm×1.2 mm，中間的兩層為電源層和地層，上下兩層為信號層，層與層之間的間距為0.4 mm。信號層上的信號線穿過電源層地層的過孔連接，端口阻抗為50 Ω。信號沿著頂層的信號線傳播，由過孔傳播到底層，再由過孔返回到頂層。

通過Ansoft HFSS仿真獲得該結構的S參數矩陣，再在Ansoft Designer中通過信號源產生210-1的偽隨機二進制序列，對該結構進行時域仿真，通過獲得的眼圖進行信號完整性分析，其中數據的傳輸速率為2 GHz，信號的上升和下降時間均為125 ps，信號的幅值為 0.5 V，源端阻抗為50 Ω。該結構所獲得的眼圖如圖 6(b)所示，其中眼高為 393 mV，眼寬為476 ps，通過圖中可以看出輸出的波形比較平滑，擾動較小，具有較好的信號完整性。

4 結論

圖4 平行板電源地平面、L-bridge結構及回旋L-bridge結構頻率響應

圖5 回旋L-bridge結構S21和S31參數比較

圖6 帶有信號層的4層PCB結構及其眼圖

EBG結構的很多研究關注于如何降低阻帶的中心頻率和增加阻帶帶寬來有效抑制SSN，本文根據EBG結構的帶隙形成機理以及共面EBG結構的等效電路，提出一種適用于高速電路中SSN抑制的緊湊型EBG新結構，在抑制深度為-30 dB時，阻帶范圍為0.6-6.4 GHz，阻帶帶寬為5.8 GHz，實現了較低的帶隙中心頻率以及較寬的阻帶帶寬，并通過時域仿真驗證該結構具有較好的信號完整性。

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