一種新型多周期平面電磁帶隙結構

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

隨著現代互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的發展，尤其是系統時鐘頻率和脈沖邊沿轉換速率的增加，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噪聲（SSN），即地彈噪聲（GBN），成為高速電路設計中的一個瓶頸。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（PDS），其中，最典型的方法是使用去耦電容。然而當系統工作在高頻時，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結構是由Sievenpiper首先提出用于在天線應用方面對表面波進行抑制［1］。由于EBG結構具有在一定帶寬范圍內禁止電磁波傳播的特性，近年來其被廣泛應用于在電源平面上抑制SSN.在EBG結構研究初期，研究者常常采用蘑菇型EBG結構［2-6］，然而這種帶有埋孔的多層EBG結構在傳統的PCB制造工藝下，增加了制造的難度和成本。隨著平面EBG結構的提出，其由于具有簡單、平面、低損耗和易加工等優點而受到特別的關注［7-8］。平面EBG結構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用的范圍，使其應用往往局限于窄帶器件和電路。現在越來越多的研究關注于擴展平面EBG結構的帶隙寬度，但其中大部分僅局限于通過增大單元結構的橋接連線來實現［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結構，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，相對于傳統平面EBG結構，其帶隙寬度有較為明顯的展寬，為展寬平面EBG結構的帶寬提供一種新方法，并通過時域仿真驗證該結構具有較好的信號完整性。

1.傳統平面EBG結構的原理和等效電路

與蘑菇型EBG結構在電源層和地層之間內嵌周期性結構不同，平面EBG結構是在電源層的金屬表面上光刻或腐蝕出周期性結構。通過對單元結構的特殊設計，使其單元可等效為局域諧振特性比較強的并聯電感電容（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］。傳統平面EBG結構單元及參數（d，l，w，p1，p2）如圖1所示。

每個結構單元可由如圖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結構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。該帶阻結構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之間的關系推導出，如式（3）所示。

2.新型多周期平面EBG結構

2.1 結構模型設計

對于周期不同的平面EBG結構，由于其結構單元的大小以及相鄰單元對應橋接連線長短的不同，其各自對應的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結構看作兩個特性參數不同的帶阻濾波器。而根據濾波器理論，兩種帶寬不同的帶阻濾波器級聯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結構的帶隙帶寬時具有較為明顯的效果［12-13］。作者提出的EBG結構正是基于上述理論，對兩種不同周期的平面EBG結構進行級聯而形成的一種新型多周期平面EBG結構，從而展寬平面EBG結構的帶隙帶寬。

圖3和圖4分別為作者設計的帶有多周期平面EBG結構的兩層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，相對介電常數為4.4的FR4介質材料。如圖4所示，該EBG結構左側為4×4單元的小周期平面EBG結構，右側為2×2單元的大周期平面EBG結構，這兩種結構的參數（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結構通過16mm×1 mm的級聯橋接連線相連。

2.2 模型仿真與結果分析

為了驗證該新型結構的帶隙特性，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結構與組成新結構的兩種傳統平面EBG結構的插入損耗（S21）特性曲線對比，其中大周期和小周期的兩種傳統平面EBG結構的模型尺寸與新型EBG結構相同，也為60mm×120mm×0.4mm.通過仿真結果可以看出:當抑制深度為-30dB時，多周期平面EBG結構的阻帶范圍為0.7～8.4GHz，阻帶寬度為7.7GHz；大周期平面EBG結構的阻帶范圍為0.6～6.2GHz，阻帶寬度為5.6GHz；小周期平面EBG結構的阻帶范圍為1.8～8.3GHz，阻帶寬度為6.5GHz.新型EBG結構相比于這兩種傳統平面EBG結構阻帶寬度分別增加2.1GHz、1.2 GHz，其帶隙寬度有較為明顯的展寬，并且從這三種結構的阻帶范圍來看，也很好地驗證了平面EBG結構級聯擴展帶寬的可行性和效果。

圖5 新型EBG結構與兩種傳統平面EBG結構對比曲線圖

圖6是在相同激勵下，新型EBG結構中不同位置處的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結構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構的有效性。

圖6 多周期平面EBG結構S21和S31參數比較

2.3 信號完整性分析

為了對該新型結構的傳輸特性進行時域分析，作者建立如圖7所示的四層PCB結構模型。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結構。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參數矩陣進行眼圖分析。在Ansoft Designer中通過一信號源產生210-1的偽隨機二進制碼，數據傳輸速率為2GHz，上升和下降時間均為125ps，信號幅值為0.5V，源端阻抗為50Ω.仿真該結構產生的眼圖如圖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 論

作者通過對傳統平面EBG結構的原理及等效電路分析，根據不同周期平面EBG結構所具有的不同帶隙特性，提出一種新型多周期平面EBG結構。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，實現較寬的阻帶寬度，為展寬平面EBG結構的禁帶帶寬提供一種新的方法，并通過時域仿真驗證該結構具有較好的信號完整性。

［1］SIEVENPIPER D，ZHANG L J，ROMULO F，et al.High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1999，47 （11）:2059-2074.

［2］SHAHPARNIA S，RAMAHI O M.Electromagnetic interference （EMI）reduction from printed circuit boards（PCB）using electromagnetic bandgap structures［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2004，46（4）:580-587.

［3］KAMGAING T，RAMAHI O M.A novel power plane with integrated simultaneous switching noise mitigation capability using high impedance surface［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2003，13（1）:2123.

［4］張豐敏，杜正偉，王 薔，等.一種展寬電磁帶隙結構的帶隙帶寬的新方法［J］.電子學報，2007，35（6A）:74-77.ZHANG Fengmin，DU Zhengwei，WANG Qiang，et al.A novel method to broaden the bandwidth of ebg structure［J］.Acta Electronica Sinica，2007，35（6A）:74-77.（in Chinese）

［5］陳 曦，梁昌洪，蘇子劍，等.一種新型的雙帶電磁帶隙結構［J］.電波科學學報，2009，24（5）:860-865.CHEN Xi，LIANG Changhong，SU Zijian，et al.Novel dual-band electromagnetic bandgap structure［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（5）:860-865.（in Chinese）

［6］陳 曦，梁昌洪，劉松華，等.級聯電磁帶隙結構對雙頻微帶天線互耦的影響［J］.強激光與粒子束，2010，22（10）:2383-2387.CHEN Xi，LIANG Changhong，LIU Songhua，et al.Effect of cascaded mushroom-like EBG structure on multual coupling of dual-band microstrip antenna［J］.High Power Laser and Particle Beams，2010，22（10）:2383-2387.（in Chinese）

［7］WU T L，LIN Y H.CHEN S T.A novel power plane with low radiation and broadband suppression of ground bounce noise using photonic bandgap structures［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2004，14（7）:337-339.

［8］WU T L，LIN Y H，WANG C C，et al.Electromagnetic bandgap power／ground planes for wideband suppression of ground bounce noise and radiated emission in high-speed circuits［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53（9）:2935-2942.

［9］QIN J，RAMAHI O，GRANATSTEIN V.Novel planar electromagnetic bandgap structures for mitigation of switching noise and EMI reduction in high-speed circuits［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2007，49（3）:661-669.

［10］劉 濤，曹祥玉，馬嘉俊.一種新型緊湊寬帶平面電磁帶隙結構［J］.電子與信息學報，2009，31（4）:1007-1009.LIU Tao，CAO Xiangyu，MA Jiajun.A novel compact wideband planar electromagnetic band-gap structure［J］.Journal of Electronics and Information Technology，2009，31（4）:1007-1009.（in Chinese）

［11］JOO S H，KIM D Y，LEE H Y.A S-bridged inductive electromagnetic bandgap power plane for suppression of ground bounce noise［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17（10）:709-711.

［12］CHIAU C C，CHEN X，PARINI C G.A microstrip patch antenna on the embedded multi-period EBG structure［C］／／20036th International Symposium on Antennas，Propagation and EM Theory.Beijing，China，28October-1November，2003:96-99.

［13］CHEN Y C，LIU A S，WU R B.A wide-stopband low-pass filter design based on multi-period taperetched EBG structure［C］／／2005Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings.Suzhou，China，4-7 December，2005:2125-2127.