基于EBG結構的新型超寬帶低噪聲電源/地平面設計

萬連城，呂 玲

（西安電子科技大學 期刊中心，陜西 西安 710071）

隨著集成電路的發展，設計出能抑制電磁干擾的電源/地平面，對電路設計而言是非常有意義的。但是隨著高速數字電路、高速信號處理、以及射頻電路與數字電路集成化等等因素，使得新的電源/地平面的設計應當具有非常寬的帶寬以及較強的禁帶內衰減。由于加載EBG結構的電源/地平面具有禁帶帶寬較寬、實現工藝簡單、禁帶深度較深、成本低廉等優勢被作為抑制電源/地平面上兩點間電磁干擾的有效手段。

1 模型設計

1.1 設計思路以及理論依據

要設計出具有寬禁帶的EBG結構，也就是需要減小一次諧波的諧振頻率的同時增大二次諧波的諧振頻率。

在Mu-Shui Zhang的研究中[5]，詳細地介紹了貼片EBG結構導體柱的個數對禁帶的影響。將EBG結構的一個導體柱改為4個導體柱將會減小其等效電長度，使其變為原來的，也就是減小了其等效的電感L2，而貼片的等效電容變為原來的，從而增大了二次諧波的諧振頻率f，達到禁帶向

2高頻擴寬的目的，如圖2所示[5]。

圖1 將EBG結構的導體柱由1個改為4個Fig.1 The conductor column EBG structure from 1 to 4

圖2 等效電感及電容的變化Fig.2 Equivalent inductance and capacitance

1.2 新結構對禁帶影響的分析

通過上述理論分析，可以得出減小金屬平面與貼片的距離、增大其間介質的介電常數、增加導體柱個數可以拓寬EBG結構的禁帶寬度的結論。

首先，建立模型。測試的EBG平面對外圍的尺寸大小為80mm×80mm，板間填充介質為FR4-Epoxy，其介電常數εr為4.4，損耗為0.02。EBG結構為10×10正方形陣列其參數為H1=0.2 mm,H2=0.2 mm,貼片間距d=1 mm,貼片邊長l=7 mm。EBG結構的短導體柱為直徑0.5mm的覆銅通孔，其導體介質上與陣列方塊、下與底板相連接，測試點通孔也為直徑0.5mm的覆銅通孔，測試點通孔與上表面不連接，上表面在測試點處留出直徑為2mm的不覆銅的圓，測試點通孔的覆銅延伸出上表面做直徑為1.5 mm的墊襯，測試點通孔與底板相連接,所有金屬板厚度均為0.03mm.測試點位置如圖9所示。仿真后，其參數如圖4所示。得到了深度為-80 dB時，帶寬為3.3～4.8 GHz的帶隙。

圖3 未加載EBG結構的電源/地平面的S21參數Fig.3 Sparameters of does not load the EBG structure of the power/ground plane

圖4 加載10×10的單導體柱EBG結構的S21參數Fig.4 Sparameters of loaded 10*10 single cylinder EBG structure

減小金屬平面與貼片的距離為0.016 mm，其參數如圖5所示。可以看到深度為-80 dB時，帶寬為1.3～5.2 GHz的帶隙，禁帶向低頻擴展。

金屬平面與貼片的距離H1為0.016mm，其間填充介電常數εr為 16.5的介質，其S21參數如圖 5，6所示。可以看到深度為-80 dB時，帶寬為0.7～4.5 GHz的帶隙，禁帶進一步向低頻擴展。

圖5 距離為0.016mm加載10×10的單導體柱EBG結構的S21參數Fig.5 Distance as Sparameters of the power/0.016 mm loading of 10*10 single cylinder EBG structure

圖6 距離為0.016mm，填充εr為16.5的介質，加載10×10的單導體柱EBG結構的S21參數Fig.6 Distance is 0.016mm,which filled with a dielectric constant of 16.5 medium,Sparameters of the power/load 10*10 single cylinder EBG structure

將EBG結構的一個導體柱改為4個導體柱，H1=0.2 mm,H2=0.2 mm，其介電常數εr為4.4，損耗為0.02，其余尺寸均不變時，其S21參數如圖8所示，導體柱位置如圖7所示。可以看到深度為-80 dB時，帶寬為7.0～8.9 GHz的帶隙，禁帶向高頻擴展。同時由于結構發生變化，禁帶的中心頻率產生了一定的漂移。

圖7 導體柱位置Fig.7 Conductor column position

圖8 將EBG結構的一個導體柱改為4個導體柱時電源/地平面的S21參數Fig.8 A conductor column EBG structure to the 4 conductor column when the power/ground plane Sparameters

2 新型超寬帶低噪聲電源/地平面模型結構描述

通過上述實驗分析，可以看出減小金屬平面與貼片的距離，增大其間介質的介電常數兩種方案來提高C1的值，從而減小一次諧振頻率f1，可以達到禁帶向低頻擴寬的目的。將EBG結構的一個導體柱改為4個導體柱減小了其等效的電感L2，而貼片的等效電容C2也同時減小，達到了禁帶向高頻擴寬的目的。

結合兩種因素，如果既減小金屬平面與貼片的距離，增大其間介質的介電常數又將EBG結構的一個導體柱改為4個導體，那么應當獲得較為理想的超寬禁帶寬度。

建立如下模型：EBG平面對外圍的尺寸大小為80 mm×80mm，下底板與貼片間填充介質為FR4-Epoxy，其介電常數εr為4.4，損耗為0.02。EBG結構為10×10正方形陣列其參數為H1=0.016 mm,H2=0.2 mm，貼片間距d=1 mm,貼片邊長l=7 mm。金屬平面與貼片的距離H1為0.016 mm，其間填充介電常數εr=16.5的介質。每個貼片的導體柱為4個，其余尺寸均如前所述。經過仿真實驗其參數如圖10所示。

圖9 設計模型結構Fig.9 Structure design model

可以看到其深度為-80 dB時，帶寬為1.3～9.8 GHz，具有非常寬的禁帶以及比較理想的深度。同時由于沒有對電源/地的金屬平面進行蝕刻，有效的保證了信號的完整性。本文設計的電源/地平面可以為復雜的電路系統提供一個較為理想地電磁環境，有效的抑制了電路間的電磁干擾。其可應用于超寬帶(UWB)通信電路中，抑制共地的數字電路與射頻電路之間產生的電磁干擾。

圖10 每個EBG單元有4導體柱雙層介質的電源/地平面的S21參數Fig.10 Each EBG unitwith parameters of the power/4 conductor column double-layer dielectric ground plane

3 實驗結果分析比對

Mu-Shui Zhang采用雙層混合EBG結構設計電源/地平面[6]，一方面采用傳統單導體柱EBG結構，一方面采用蝕刻金屬平面的方法。得到了深度為-80 dB時，帶寬為10～32GHz的禁帶，但是對低頻抑制效果不明顯，而且蝕刻金屬板會影響高速信號的完整性。Jinwoo Choi采用在金屬板上蝕刻混合的L型槽結構設計UWB(UltraWide Band)系統的電源/地平面[7]，其采用不同尺寸的L型槽來抑制對應的頻帶。取得了深度為-80 dB時，帶寬為3～11 GHz的禁帶。但是其對低頻的抑制效果不是很好，并且對采樣點的位置有限制，即必須保證互擾電路間有一定的距離，這樣將不利于系統的小型化。同樣由于對金屬板的蝕刻，其對高速信號的完整性也有影響[8]。

4 結論

本設計在保證了信號完整性的前提下，使所設計的電源/地平面具有較為理想地帶寬以及禁帶深度，而不足的是工藝較為復雜。

[1]路宏敏，趙永久，朱滿座.電磁場與電磁波基礎[M].北京：科學出版社，2006.

[2]路宏敏.工程電磁兼容[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[3]王家禮，朱滿座，路宏敏.電磁場與電磁波[M].2版.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[4]葛德彪，閆玉波.電磁波時域有限差分方法[M].2版.西安：西安電子科技大學出版社，2005.

[5]Mu-Shui Zhang,Yu-Shan Li,Chen Jia,et al.A doublesurface electromagnetic bandgap structure with one surface embedded in power plane for ultra-wideband SSN suppression[J].IEEE Microwave And Wireless Components Letters,2007,17(10):706-708.

[6]Mu-Shui Zhang,Yu-Shan Li,Chen Jia,et al.A power plane with wideband SSN suppression using amulti-via electromagnetic bandgap structure[J].IEEE Microwave And Wireless Components Letters,2007,17(4):307-309.