一種抑制同步開關噪聲的電磁帶隙結構微帶線互連

王香婷，李曉春， 毛軍發

(上海交通大學 高速電子系統設計與電磁兼容研究教育部重點實驗室，上海 200240)

微帶線由接地板、介質基板和信號線組成，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用.然而，隨著集成電路的時鐘頻率越來越高，電源供電電壓逐步降低，由高時鐘頻率、低電壓水平和陡峭的信號邊緣等原因導致的同步開關噪聲(SSN)的問題日益嚴重[1].受封裝結構的分布電感和分布電容的影響，SSN信號會在系統內部傳播，且會不斷被激勵和惡化，引發嚴重的電源完整性以及信號完整性問題.因此，只有有效地抑制SSN才能保證信號完整性和電源完整性.

電磁帶隙結構(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產生帶隙特性，抑制在該頻段內電磁波的傳播[2].將EBG應用于微帶線上的研究有4種類型：刻蝕在接地板上，刻蝕在介質上，刻蝕在信號線上和混合刻蝕.第1種研究為在微帶線的接地板上刻蝕EBG結構.在文獻[3]中，Radisic將3排圓孔刻蝕在微帶線的接地板上，刻蝕后的結構表現出了阻帶抑制特性.然而在封裝時，為了避免電磁干擾(EMI)，電路通常被固定在一個金屬盒內，當EBG結構被刻蝕在接地板上時，由于EBG地平面和金屬基底之間的近距離接觸，EBG結構的噪聲抑制特性將會減弱甚至消失.第2種研究為在微帶線的介質上刻蝕EBG結構，可應用于功率放大器[4]和天線[5].第3種研究為在微帶線的信號線上刻蝕EBG結構.文獻[6]中提出在信號線兩側添加旁路單元的EBG結構，文獻[7-8]中提出在信號線上刻蝕EBG的結構.此種類型的研究可以應用于濾波器[6]、耦合器[7]和天線[8]上.第4種研究為混合刻蝕，即同時在接地板以及信號線上刻蝕EBG結構，文獻[9]中采用此種刻蝕方式，并將其應用于濾波器上.綜合以上分析可知，現有的關于EBG微帶線的研究，均沒有考慮在微帶線的信號線上刻蝕EBG來進行基帶信號的傳輸.

針對基帶信號容易受到SSN的影響而產生信號完整性的問題，本文提出了一種抑制SSN的EBG微帶線互連.該互連結構由級聯的寬、窄信號線的周期排列形成.給出了該EBG微帶線互連的具體設計方法，采用印制電路板(PCB)工藝對該互連進行了加工，并測試了該互連的S參數.仿真與測試結果一致，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，本文結合高速互連的電路模型，在基帶信號源中引入SSN，并對所提出的EBG微帶線互連的時域響應進行了仿真分析.結果表明，與相同尺寸的在接地板上刻蝕EBG結構的微帶線互連相比，本文提出的互連具有更強的抑制SSN的能力，更好地保證信號傳輸的完整性.

1 原理與設計

在高速數字電路中，信號源為基帶信號.另外，很多電路共用接地板和饋電線，大量信號的快速翻轉會導致電流的大量涌動，由于寄生電感的存在，在電源和地平面之間產生大量的噪聲，即稱為SSN，它的值可以表示為[10]

(1)

式中：N為同時改變狀態的邏輯開關數目；L為電路中的回路電感；i為單個邏輯開關跳變時在電路中產生的電流.由式(1)可知，信號翻轉的速度越快，則SSN越大，而且，當同時切換工作狀態的邏輯器件較多時，SSN會很大，SSN噪聲不但會引起電源的完整性問題，還會引起信號的完整性問題.

圖1給出了高速互連的電路模型.圖中：信號源為基帶信號；Vin1和Vin2分別為輸入的基帶信號和加入SSN之后受干擾的輸入信號；Vout為通過互連結構之后的信號.圖2給出了基帶信號與同步開關噪聲的時域頻域圖.可以看出，SSN會引起信號的畸變.因此，為了保證傳輸信號的完整性，需要對SSN進行抑制.

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

圖2 基帶信號和同步開關噪聲Fig.2 Spectrum of base-band signal and simultaneous switching noise

傳統微帶線作為電路中一種常用的互連結構，如圖3所示.圖中：h1為介質厚度；h2為金屬導體厚度；w為信號線寬度；εr為介質的相對介電常數.對于非常薄的金屬導體，其厚度h2可以忽略不計.微帶線的等效介電常數記為εe，特性阻抗記為Z0[11].

圖3 傳統微帶線的結構圖Fig.3 The structure of the traditional microstrip line

當w/h1≤1時,

(2)

(3)

當w/h1≥1時,

(4)

(5)

當介質厚度h1和介質的相對介電常數εr固定時，Z0隨著線寬w的增大而減小.

根據光子晶體理論，當平面的EBG結構滿足Bragg反射條件時，會呈現出一定的阻帶抑制特性，EBG結構參數之間需要滿足[3]：

式中：λg為波導波長；k為波導波長對應的波數；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的關系：

(9)

結合EBG結構的原理，文獻[9]中提出了如圖4所示結構，并且將其應用于濾波器上.然而，為了解決干擾信號的SSN問題，本文提出了將該互連應用于SSN的抑制與信號的傳輸上.

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

圖4所示互連結構由接地板、介質基底和級聯的周期性寬、窄信號線組成.圖中：l為該新型EBG微帶線結構的長度；w1和w2分別為寬、窄信號線的寬度；a為窄信號線的長度；b為刻蝕結構的寬度.w1、w2和b之間滿足：

w1=w2+2b

(10)

本文提出的EBG微帶線互連的設計方法如下：

(1)選取合適的工藝和材料.確定介質的相對介電常數εr，介質厚度h1和金屬導體厚度h2.

(2)設計寬信號線對應的微帶線特性阻抗.為了實現EBG微帶線互連與其他器件之間的阻抗匹配，寬信號線對應的微帶線的特性阻抗應設計為50 Ω.結合步驟(1)中的參數，使用微帶線的特性阻抗式(2)～(5)來確定寬信號線的寬度w1.

(3)針對具體的SSN，確定d和a的值.針對具體想要抑制的SSN噪聲頻率，結合式(8)確定EBG結構的周期長度d.針對阻帶抑制特性，本文對窄信號線的長度a進行了優化分析.圖5給出了不同窄信號線長度a對應的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，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，確定刻蝕結構的寬度b的值.本文對刻蝕結構的寬度b進行了優化分析.圖6給出了不同刻蝕結構的寬度b對應的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，通帶的傳輸特性會變差.因此，b的取值應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對應的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對應的EBG微帶線互連的S21Fig.6 S21 parameters of the EBG microstrip line interconnect for different values of b

(5)通過調整周期數n的值來進一步優化阻帶抑制特性，最大程度地保證信號的完整性.為了研究EBG結構的周期數n對該互連特性的影響，本文分析了在相同尺寸、材質下，具有不同EBG周期數的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，圖中S11為回波損耗.可以看出，相比于周期數n=3和7的EBG微帶線具有更大的抑制深度，即刻蝕EBG的數目越多，該EBG微帶線互連對SSN的抑制能力越強，越能保證信號的完整性.因此，在進行EBG微帶線互連的設計時，可以在微帶線長度一定的情況下，盡量增加刻蝕的EBG結構的周期數n，以便更好地抑制SSN，保證信號完整性.

圖7 不同周期數目的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 加工樣品以及實驗平臺Fig.8 Processed sample and experimental platform

2 仿真和實驗

本文采用PCB工藝對提出的微帶線互連進行了設計和加工，加工樣品及實驗平臺如圖8所示.選取Rogers RT/duroid 5880板材作為PCB介質材料，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微帶線互連的設計參數具體如下：EBG微帶線互連的長度l=75 mm，寬和窄信號線的寬度w1和w2分別為 5.068 和 2.568 mm，EBG單元的周期長度d=10 mm，窄信號線的長度a=5 mm，設EBG結構的周期數n=7.將互連的參數代入式(9)，可得阻帶中心頻率為 10.95 GHz.

采用雙端口的網絡分析儀Agilent 8722ES對樣品進行S參數的測試，并且將測試結果與仿真結果進行對比，結果如圖9所示.可以看出，本文提出的EBG微帶線互連的實物測試結果與仿真結果有良好的一致性，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參數仿真與測試結果Fig.9 Comparison of simulated results and measured results of the EBG microstrip line interconnect

另外，為了對比在信號線上刻蝕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軟件對相同尺寸及材質的2種微帶線結構進行仿真，對比兩者的S參數，結果如圖10所示.可以看出，相比在接地板上刻蝕EBG的微帶線結構而言，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的抑制深度.

圖10 在信號線上刻蝕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比Fig.11 Comparison between the microstrip line with EBG etched on the signal line and the ground plane

結合圖1，在ADS軟件中建立了高速互連的等效電路，從信號時域響應的角度進行了研究.基帶信號源由時鐘頻率為 2.19 GHz的方波信號提供，它的幅值為1 V，上升時間為 0.091 ns，下降時間為 0.07 ns，占空比為50%.SSN頻率為 10.95 GHz，幅值為 0.2 V.RL設置為50 Ω.圖11給出了在信號線上刻蝕EBG的微帶線和在接地板上刻蝕EBG的微帶線這2種互連的時域響應波形.圖中：Vin1和Vin2分別為輸入基帶信號和加入SSN之后的輸入信號；Vout1和Vout2分別為通過在信號線上刻蝕EBG的微帶線和在接地板上刻蝕EBG的微帶線之后的時域響應信號.可以看出，本文提出的在信號線上刻蝕EBG的微帶線能夠得到更理想的時域響應波形，保證了信號傳輸的完整性.

3 結語

本文針對基帶信號容易受到SSN的影響而產生信號完整性的問題，提出了一種抑制SSN的EBG微帶線互連設計方法.該互連結構由級聯的寬、窄信號線的周期結構組成，具有良好的通帶傳輸特性和阻帶抑制特性，能夠抑制同步開關噪聲，保證信號的完整性.仿真與測試結果表明，與相同尺寸的在接地板上刻蝕EBG結構的微帶線互連相比，本文提出的在信號線上刻蝕EBG的微帶線互連具有更強的抑制SSN的能力，能夠得到更為理想的信號波形.