一種抑制同步開關噪聲的超寬帶電磁帶隙結構

史凌峰 蔡成山 孟 辰 成立業

(1.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，陜西 西安 710071；2.西安電子科技大學電路計算機輔助設計(CAD)所，陜西 西安 710071)

引 言

隨著電子系統朝著高速度、高密度和低功耗等方向的發展，這就要求高頻時鐘信號具有更陡的跳變沿和更低的電壓冗余量.在這些要求中，時域范圍內陡峭上升沿和下降沿將導致頻域內更寬的頻譜.同時，數字系統中信號電壓的降低要求有嚴格的噪聲冗余量.高速時鐘頻率也帶來諸如電源完整性(Power Integrity,PI)、地彈噪聲(Ground Bound Noise,GBN)等問題[1-3].尤其是由大量驅動開關不停的開斷而造成的同步開關噪聲(Simultaneous Switching Noise,SSN)問題在電源、地平面當中不可避免.這些噪聲不僅會造成信號傳輸抖動和電磁干擾(Electro-Magnetic Interference,EMI)等問題，還會導致敏感射頻、模擬電路的誤操作等嚴重的信號完整性(Signal Integrity,SI)問題.

現在已經有很多有效的方法來抑制SSN，各種形式的EBG結構在抑制SSN傳播有相當好的效果.如文獻[4]～[6]提到的平面EBG結構，在低頻獲得良好的結果.然而由于EBG結構受其自身電特性限制，帶隙較窄從而無法達到大范圍抑制SSN作用.文獻[7]提出結構在提高抑制帶寬同時，也降低對低頻的抑制.而文獻[8]提出的結構雖然同時提高帶寬和低頻抑制效果，但是電源平面連續性降低，影響信號完整性.針對上述問題，本文提出一種新穎的垂直級聯式EBG結構，稱為折疊垂直級聯式(Fold Superimposition Type,FST)EBG結構.它是通過折線(Meander Line)EBG結構和高阻抗平面(High Impedance Surface,HIS)垂直級聯來實現SSN的抑制，其電磁帶隙抑制深度為-40 dB時阻帶范圍750 MHz到15.7 GHz，帶寬達到14.95 GHz，抑制帶寬得到顯著地提高.

1 傳統EBG結構的設計原理

本文EBG的帶隙形成為局域諧振機理，通過EBG結構的表面波阻抗隨著電磁波頻率不同而不同的特性來實現特定頻率噪聲抑制.其中，可將表面波阻抗等效為對有著特定諧振頻率的集總LC網絡，利用單元諧振時電抗無窮大的特性，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，為了使結構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.同時也要求其具有寬的抑制帶寬，通過增大單元的等效電感就成為實現超寬帶EBG結構比較好的方法.文獻[10]～[12]提出的結構都是通過增加平面各EBG結構單元的等效電感來提高低頻的抑制效果，而文獻[13]提出的多過孔EBG結構實現在高頻具有較寬的帶寬抑制作用.

2 FST-EBG結構設計原理

研究L-bridge和蘑菇型(Mushroom)EBG結構的特點[4,7]，提出新型的FST-EBG結構.此結構由三部分構成，圖1所示的是具有FST-EBG結構單元的側視圖.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結構的側視圖

2.1 Meander Line電源層

設計的Meander Line電源層結構單元的特點就是通過螺旋線來增加各個單元塊間的電感，同時,又由于螺旋線在每個單元塊內部，使得相鄰結構單元間距更易達到小型化，實現緊湊型EBG結構.圖2給出的是Meander Line電源面結構單元俯視圖.

圖2 Meander Line電源面結構單元俯視圖

2.2 折疊式高阻抗層

2.2.1 設計原理

提出的高阻抗平面由折疊式蘑菇型(Fold Mushroom)單元構成，圖3所示為新型折疊式Mushroom結構及其結構小單元的尺寸示意圖.對于傳統的Mushroom結構，電源平面保持連續性，可以通過增加結構單元的過孔數來提高抑制帶寬，但過孔數的增加不僅帶來成本的增加，而且會加大接地平面的不連續性，產生嚴重的SI問題.因此，提出Fold Mushroom結構，通過將EBG結構層和地平面層折疊式連接，增加之間的電感量.在同一個結構小單元中，只有一個過孔連接到地平面，這使地平面也更大限度的保持連續性，有助于提高SI.

圖3 折疊Mushroom結構及尺寸

圖3中，H1=0.1 mm，H2=1 mm，G=0.1 mm.如圖3所示在HIS層中，每個結構單元由兩個孔折疊組合而成，其對應的尺寸為：p=3 mm，g=0.65 mm，h1=0.4 mm，h2=0.4 mm，a=0.2 mm.

2.2.2 仿真結果及分析

為了測試這種折疊Mushroom結構設計對抑制SSN的效果，建立測試模型，測試的折疊Mushroom結構的外圍尺寸為20 mm×20 mm×1.1 mm.與傳統1-via Mushroom結構進行對比[7]，其尺寸與折疊Mushroom相同.此時，保持電源平面的連續性.電源平面與地平面中間的電介質為普通的FR4.仿真的S21參數結果如圖4所示.從圖中可以看出，在帶隙深度為-40 dB時，Fold 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，其新結構帶寬增加0.8 GHz.

圖4 Fold Mushroom與傳統Mushroom S 參數比較

2.2.3 SI分析

通過HFSS Designer對S參數模型進行眼圖分析.在Designer中，設置信號源產生255的偽隨機二進制碼，數據的傳輸速率為2.5 GHz，上升沿和下降沿均為125 ps，仿真結果具體如表1所示.由圖5(a)和圖5(b)比較可知：相比于傳統1-via Mushroom結構，Fold Mushroom結構具有更好的信號質量.

表1 眼圖分析數據表

(a) Fold Mushroom結構圖仿真

(b) 傳統1-via Mushroom結構眼圖仿真圖5

3 仿真結果與分析

給出了FST-EBG結構的單元尺寸，在電源Meander Line結構單元層中，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中高阻抗平面結構類型和圖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，設置仿真參數和2.2.2相同.如圖6所示，原點設在結構面的左上角，激勵端口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結構測試點位置

S21參數如圖7所示.在抑制深度為-40 dB時，阻帶帶寬為14.95 GHz.為了說明這種FST-EBG結構的特性，通過與同尺寸傳統1-via Mushroom EBG結構性能進行比較.通過比較可以看出，本文所提出的結構相對于傳統Mushroom EBG結構，擴展了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參數特性對比圖

4 結 論

從分析傳統EBG結構等效電路和平面導線電感對電磁帶隙特性產生機理著手，提出Fold Mushroom結構.仿真結果表明，這種結構相比傳統Mushroom結構，不僅具有更好的抑制帶寬，而且有良好的SI.同時，提出的一種新穎FST-EBG結構單元，它突破傳統EBG結構抑制帶隙窄的缺陷.與傳統1-via Mushroom EBG結構相比，其帶寬增加3.65 GHz，實現了超帶寬抑制噪聲作用.

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