抑制同步開關噪聲的超帶寬電磁帶隙結構研究

摘 要： 針對抑制印刷電路板中電源平面與接地平面之間的同步開關噪聲問題，提出了一種新型的二維電磁帶隙結構（BS EBG）。這一新型結構的設計基于在正方形金屬貼片的四角刻蝕出折線型縫隙以降低貼片的有效電容，應用折線以增加相鄰貼片的有效電感，單元晶格由折線與含有縫隙的正方形金屬貼片橋接構成。仿真分析結果表明：相比于同參數的Z?bridged EBG電磁帶隙結構，當抑制深度定義為-30 dB時，BS EBG結構阻帶范圍從220 MHz到超過20 GHz，相對帶寬增加了約15%，阻帶下限截止頻率降低了110 MHz。

關鍵詞： 同步開關噪聲； 電磁帶隙； 超帶寬； 印刷電路板

中圖分類號： TN41?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0139?03

Research on the structure of ultra?wideband electromagnetic

band gap for suppression of synchronous switch noise

LIANG Bo， LU Hong?min

（School of Electronic Engineering， Xidian University， Xi’an 710071， China）

Abstract： Aiming at the problem of restraining the synchronous switch noise between the power plane and the ground plane in printed circuit board， a new 2?D electromagnetic band gap （EBG） structure is proposed， which is based on etching the fold gap on the corners of the square metal patch to reduce the effective capacitance. The fold is used to increase the effective capacitance of the adjacent patch. The unit lattice is made up of the fold and square metal patches with gap. The simulation results indicate that compared to the Z?bridged EBG structure with the same parameters， the stop band range of BS EBG is from 220 MHz to over 20 GHz when inhibition depth is -30 dB， and the relative bandwidth is increased by about 15%， the lower?cut?off frequency is decreased by 110 MHz.

Keywords： synchronous switch noise；electromagnetic band gap （EBG）； ultra?wideband； printed circuit boards （PCB）

0 引 言

隨著現代高速數字電路的發展，因為高時鐘速率和低電壓電平等原因，電源平面和地平面之間的同步開關噪聲（Simultaneous Switching Noise，SSN） 變成人們最關心的問題之一[1]。在印制電路板中當有些有源器件同時開關時，所產生的多種諧振模式會產生同步開關噪聲，這會引起一系列諸如信號完整性和電磁兼容的問題[2]。由于在印刷電路板中系統的電磁兼容非常重要，電路設計者必須面對如何消除高速電路的SSN這一問題。為了抑制SSN，人們已經提出了許多種方法[3]，其中添加電源平面和接地平面之間的去耦電容是最常用的方法。由于去耦電容中存在寄生電感，寄生電感會產生自諧振與去耦電容，這限制了它的頻率帶寬，所以這種方法已經被證明不能有效應用于頻率高于600 MHz的情況[4]。最近，電源平面被設計成電磁帶隙（EBG）結構來消除SSN，特別是在高頻率段應用廣泛[5]。EBG結構從最初的蘑菇型EBG結構發展到現在的共面型EBG結構，相對于蘑菇型EBG結構，共面型EBG結構不需要專門進行過孔柱設計和多個金屬層[6?8]。

本文提出了一種新型的超寬帶共面BS EBG結構，其有效阻帶為220 MHz～20 GHz，覆蓋近20 GHz的帶寬。本文BS EBG結構的關鍵點是在正方形貼片四角蝕刻折線型縫隙，并且相鄰的單元之間通過折線形枝節鏈接。折線形縫隙大大增加相鄰的電磁帶隙單元之間的電感，它可以有效地抑制低頻段的SSN，擁有相對寬的帶寬。仿真結果表明：本文EBG結構可以有效地抑制阻帶的SSN開關噪聲。

1 BS EBG電源平面的設計與分析

現代高速數字電路的同步開關噪聲范圍[9]為100 MHz～20 GHz，為了有效地消除這種寬帶噪聲，人們已經嘗試了很多方法來擴展EBG結構的帶寬。由于大多數的SSN在低頻帶產生，因此，如何降低阻帶的下限截止頻率，同時保持較寬的阻帶的帶寬是設計的目標。諧振型EBG結構其周期單元本身具有諧振效果，在帶隙形成中起主要作用。新型EBG結構單元經過專門設計，使該單位可以相當于一個諧振效應比較強的LC并聯電路。由于EBG單元在諧振狀態下電抗為無窮大，因此，可以防止在諧振頻率附近的電磁波傳播，形成特定頻率帶隙。帶隙的中心頻率和相對帶寬近似地由表面單元的等效電容[C]和等效電感[L]決定[10]。

[w0=1LC] （1）

[BW=Δww0=1ηLC] （2）

為了減少帶隙的中心頻率，如式（1）所示，可以增加單元結構的電感值和電容值。由式（2）可以知道，帶寬與電容值的平方根成反比。因此，基于以上的考慮，增加單元的等效電感值，可以有效地降低帶隙的中心頻率，并提高其阻帶的帶寬。

本文所提出的BS EBG結構設計是正方形貼片四角蝕刻折線型縫隙，并且相鄰的單元之間通過折線形枝節鏈接。

本文EBG構造單元如圖1（a）所示，相應的參數[a1=]30 mm，[a2=]16 mm，枝節長度[l1=]27.4 mm，[l2=]7.4 mm，[l3=]7.8 mm，枝節寬度[w1=w4=]0.2 mm，[w2=]0.1 mm，[w3=]0.5 mm，縫隙寬度[g1=g2=]0.2 mm。圖1（b）所示為作為參考的Z?bridged EBG結構單元。圖1（c）表示相鄰的BS EBG單元構造。當電流從左側單元中心流到右側相鄰單元的中心，將流過相鄰單元之間的金屬枝節。因此，枝節的有效長度越長，EBG結構的實際電感值越大。與傳統的Z?bridged EBG結構的電流流經路徑相比，本文的BS EBG結構枝節長度更長，而且對電源平面的損壞更小。因此，相對于Z?bridged EBG 結構，本文的BS EBG結構具有較低的中心頻率和更寬的帶隙。

2 BS EBG的仿真特性分析

為了驗證新型BS EBG結構單元的有效性，設計一個3×3單元陣列的雙層PCB板。如圖2所示，PCB板尺寸為90 mm×90 mm×0.4 mm，介質層厚度為0.4 mm，介質材料為FR4，地平面保持連續完整。為了測試3×3單元陣列對SSN的抑制特性，如圖2（a）所示，在位于坐標（45 mm，45 mm），（75 mm，45 mm），（75 mm，75 mm）的三點處，分別加載3個測試端口，坐標原點如圖2（b）所示。

新型BS EBG電源平面和Z?bridged電源平面在0～20 GHz之間進行仿真對比，使用的工具是ANSOFT 公司的HFSS軟件。帶寬定義為[S21]參數的插入損耗小于-30 dB的范圍。如圖3（a），（b）所示，新型BS EBG電源平面的[S21]帶寬范圍從220 MHz～20 GHz（19.8 GHz帶寬），而Z?bridged EBG 結構的仿真[S21]的范圍從330 MHz～6.55 GHz（6.22 GHz帶寬）。從圖3（c）可以看出，BS EBG結構的仿真數據和實測數據具有良好的一致性。與Z?bridged EBG結構相比較，新型BS EBG的帶寬增加了218.3%，相對帶寬增加了約15%，下限截止頻率降低了110 MHz，幾乎覆蓋了SSN的全部頻帶。

圖1 單元結構圖圖

2 雙層PCB板示意圖

由圖3（d）可以看出，BS EBG的[S21]和[S31]曲線基本一致。因此，本文的BS?EBG結構可以全方位消除電源平面上的SSN。

3 結 論

本文提出了一種抑制同步開關噪聲的新型電磁帶隙結構BS EBG。當帶寬被定義為-30 dB以下時，新型BS EBG結構的帶隙范圍為220 MHz～20 GHz。相比于傳統的Z?bridged EBG電源平面，BS EBG電源平面的相對帶寬增加了約15%，下限截止頻率降低了110 MHz，對于同步開關噪聲具有良好的抑制效果。

參考文獻

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作者簡介：梁 博 男，1987年出生，陜西鳳翔人，研究生在讀。研究方向為電磁兼容。