一種新型多周期平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)

史凌峰 張 穎 王海鵬 張 科

（1.西安電子科技大學超高速電路設(shè)計與電磁兼容教育部重點實驗室，陜西 西安 710071；2.西安電子科技大學電路計算機輔助設(shè)計（CAD）所，陜西 西安 710071）

引 言

隨著現(xiàn)代互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術(shù)的發(fā)展，尤其是系統(tǒng)時鐘頻率和脈沖邊沿轉(zhuǎn)換速率的增加，以及電源供給電壓和噪聲容限的減小，如何抑制電源或地平面上的同步開關(guān)噪聲（SSN），即地彈噪聲（GBN），成為高速電路設(shè)計中的一個瓶頸。在過去的十多年中，研究人員一直在通過各種不同的方法來抑制SSN，從而維持一個無噪的電源分配系統(tǒng)（PDS），其中，最典型的方法是使用去耦電容。然而當系統(tǒng)工作在高頻時，由于去耦電容的固有導線電感的存在，使得這種方法不再有效。

EBG結(jié)構(gòu)是由Sievenpiper首先提出用于在天線應(yīng)用方面對表面波進行抑制［1］。由于EBG結(jié)構(gòu)具有在一定帶寬范圍內(nèi)禁止電磁波傳播的特性，近年來其被廣泛應(yīng)用于在電源平面上抑制SSN.在EBG結(jié)構(gòu)研究初期，研究者常常采用蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)［2-6］，然而這種帶有埋孔的多層EBG結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的PCB制造工藝下，增加了制造的難度和成本。隨著平面EBG結(jié)構(gòu)的提出，其由于具有簡單、平面、低損耗和易加工等優(yōu)點而受到特別的關(guān)注［7-8］。平面EBG結(jié)構(gòu)由于受自身諧振特性的限制，往往帶隙寬度較窄，帶寬上的瓶頸在一定程度上限制了其應(yīng)用的范圍，使其應(yīng)用往往局限于窄帶器件和電路。現(xiàn)在越來越多的研究關(guān)注于擴展平面EBG結(jié)構(gòu)的帶隙寬度，但其中大部分僅局限于通過增大單元結(jié)構(gòu)的橋接連線來實現(xiàn)［9-11］。

作者提出一種適用于在高速電路中有效抑制SSN的新型多周期平面EBG結(jié)構(gòu)，在抑制深度為-30dB時，其阻帶范圍為0.7～8.4GHz，阻帶寬度為7.7GHz，相對于傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)，其帶隙寬度有較為明顯的展寬，為展寬平面EBG結(jié)構(gòu)的帶寬提供一種新方法，并通過時域仿真驗證該結(jié)構(gòu)具有較好的信號完整性。

1.傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)的原理和等效電路

與蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)在電源層和地層之間內(nèi)嵌周期性結(jié)構(gòu)不同，平面EBG結(jié)構(gòu)是在電源層的金屬表面上光刻或腐蝕出周期性結(jié)構(gòu)。通過對單元結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，使其單元可等效為局域諧振特性比較強的并聯(lián)電感電容（LC）電路，以增加單元的諧振性能，然后利用單元諧振時阻抗無窮大的特性，阻止諧振頻率附近的電磁波傳播，形成頻率帶隙［10］。傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)單元及參數(shù)（d，l，w，p1，p2）如圖1所示。

每個結(jié)構(gòu)單元可由如圖2所示的等效電路表示［5］。該等效電路包含兩個部分:第一部分通過EBG結(jié)構(gòu)單元金屬方塊的等效電感Lp和等效電容Cp描述了單元金屬塊與地平面之間的傳播特性；第二部分則描述了兩個相鄰單元之間的連接特性，其中Lb為對應(yīng)橋接連線的等效電感，Cb為橋接連線的等效電容，Cg為兩個相鄰單元之間的等效間隙電容。該帶阻結(jié)構(gòu)的輸入阻抗可表示為式（1）。

當Zin趨于無窮大時，可以得到截止頻帶的中心頻率如式（2）所示。

帶隙寬度可由自由空間的波阻抗η和輸入阻抗Zin之間的關(guān)系推導出，如式（3）所示。

2.新型多周期平面EBG結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

對于周期不同的平面EBG結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)單元的大小以及相鄰單元對應(yīng)橋接連線長短的不同，其各自對應(yīng)的Cg、Lb均不相同，所以其截止頻帶的中心頻率以及帶隙寬度也均不相同。因此，可以將周期不同的兩種平面EBG結(jié)構(gòu)看作兩個特性參數(shù)不同的帶阻濾波器。而根據(jù)濾波器理論，兩種帶寬不同的帶阻濾波器級聯(lián)后總的抑制頻帶是其各自抑制頻帶的并集。這種方法在擴展蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)的帶隙帶寬時具有較為明顯的效果［12-13］。作者提出的EBG結(jié)構(gòu)正是基于上述理論，對兩種不同周期的平面EBG結(jié)構(gòu)進行級聯(lián)而形成的一種新型多周期平面EBG結(jié)構(gòu)，從而展寬平面EBG結(jié)構(gòu)的帶隙帶寬。

圖3和圖4分別為作者設(shè)計的帶有多周期平面EBG結(jié)構(gòu)的兩層PCB模型的俯視圖和立體圖，模型尺寸為60mm×120mm×0.4mm，在電源平面和地平面之間采用了厚度為0.4mm，相對介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)材料。如圖4所示，該EBG結(jié)構(gòu)左側(cè)為4×4單元的小周期平面EBG結(jié)構(gòu)，右側(cè)為2×2單元的大周期平面EBG結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)的參數(shù)（d，l，w，p1，p2）分別為，小周期:（15mm，4mm，1mm，1mm，1 mm），大 周 期:（30mm，10mm，1mm，1mm，1 mm），而大小周期平面EBG結(jié)構(gòu)通過16mm×1 mm的級聯(lián)橋接連線相連。

2.2 模型仿真與結(jié)果分析

為了驗證該新型結(jié)構(gòu)的帶隙特性，以圖4的左下方為坐標原點，在電源平面上添加3個50Ω集總同軸端口，其中輸入端口1坐標為（7.5mm，7.5 mm），輸出端口2和3坐標分別為（112.5mm，52.5 mm），（112.5mm，7.5mm）。圖5為新型EBG結(jié)構(gòu)與組成新結(jié)構(gòu)的兩種傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)的插入損耗（S21）特性曲線對比，其中大周期和小周期的兩種傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)的模型尺寸與新型EBG結(jié)構(gòu)相同，也為60mm×120mm×0.4mm.通過仿真結(jié)果可以看出:當抑制深度為-30dB時，多周期平面EBG結(jié)構(gòu)的阻帶范圍為0.7～8.4GHz，阻帶寬度為7.7GHz；大周期平面EBG結(jié)構(gòu)的阻帶范圍為0.6～6.2GHz，阻帶寬度為5.6GHz；小周期平面EBG結(jié)構(gòu)的阻帶范圍為1.8～8.3GHz，阻帶寬度為6.5GHz.新型EBG結(jié)構(gòu)相比于這兩種傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)阻帶寬度分別增加2.1GHz、1.2 GHz，其帶隙寬度有較為明顯的展寬，并且從這三種結(jié)構(gòu)的阻帶范圍來看，也很好地驗證了平面EBG結(jié)構(gòu)級聯(lián)擴展帶寬的可行性和效果。

圖5 新型EBG結(jié)構(gòu)與兩種傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)對比曲線圖

圖6是在相同激勵下，新型EBG結(jié)構(gòu)中不同位置處的SSN抑制特性。可以看出:從端口1分別到端口2和端口3的插入損耗特性曲線基本一致，這也就意味著新型EBG結(jié)構(gòu)能夠全向消除電源平面上的SSN，即驗證了作者提出的新型結(jié)構(gòu)的有效性。

圖6 多周期平面EBG結(jié)構(gòu)S21和S31參數(shù)比較

2.3 信號完整性分析

為了對該新型結(jié)構(gòu)的傳輸特性進行時域分析，作者建立如圖7所示的四層PCB結(jié)構(gòu)模型。其中上下兩層為信號層，中間兩層分別為電源層和地層，而電源層即為新型多周期平面EBG結(jié)構(gòu)。該PCB模型層間距為0.4mm，整體尺寸為60mm×120 mm×1.2mm.信號沿著60mm的信號線從頂層通過過孔傳播到底層，再由過孔返回到頂層，信號線端口阻抗為50Ω.作者通過Ansoft Designer對Ansoft HFSS仿真得到的S參數(shù)矩陣進行眼圖分析。在Ansoft Designer中通過一信號源產(chǎn)生210-1的偽隨機二進制碼，數(shù)據(jù)傳輸速率為2GHz，上升和下降時間均為125ps，信號幅值為0.5V，源端阻抗為50Ω.仿真該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的眼圖如圖8所示，其中眼高為396mV，眼寬為471ps.從圖中可以看出帶隙內(nèi)信號的輸出波形平滑，擾動較小，具有較好的信號完整性。

3.結(jié) 論

作者通過對傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)的原理及等效電路分析，根據(jù)不同周期平面EBG結(jié)構(gòu)所具有的不同帶隙特性，提出一種新型多周期平面EBG結(jié)構(gòu)。在抑制深度為-30dB時，阻帶范圍為0.7～8.4 GHz，阻帶寬度為7.7GHz，實現(xiàn)較寬的阻帶寬度，為展寬平面EBG結(jié)構(gòu)的禁帶帶寬提供一種新的方法，并通過時域仿真驗證該結(jié)構(gòu)具有較好的信號完整性。

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