一種抑制同步開關噪聲的微波光子晶體結構

萬連城, 呂 玲

(西安電子科技大學 期刊中心， 陜西 西安 710077)

一種抑制同步開關噪聲的微波光子晶體結構

萬連城, 呂 玲

(西安電子科技大學 期刊中心， 陜西 西安 710077)

為了確保抑制高速電路中同步開關噪聲(SSN)的微波光子晶體(EBG)結構在兼顧帶隙特性的同時，還具有良好的信號完整性，采用枝條繞轉單元貼片的方法設計出一種新型EBG結構。利用HFSS軟件對新型EBG結構抑制SSN的特性進行建模仿真，并制備刻蝕有新型EBG結構的4層印制電路板，用安捷倫矢量網絡分析儀對其禁帶特性進行測試，實驗結果與仿真結果吻合良好。通過眼圖對新型EBG結構進行的仿真分析顯示，新結構的信號完整性良好。

同步開關噪聲；微波光子晶體結構；信號完整性

電磁帶隙結構(Electromagnetic Band-Gap, EBG)又稱微波光子晶體結構，是一種周期性排列，能夠形成禁帶的新型結構，由于其可以采用印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)制造的相關工藝進行設計制造，近年來被廣泛應用[1-3]。前期的EBG結構研究成果主要集中在禁帶帶隙的深度和寬度方面，對抑制同步開關噪聲以及新結構對信號完整性影響的分析還較為欠缺，本文則主要研究分析這一問題。為抑制高速電路中的同步開關噪聲(Simultaneous Switching Noise, SSN)而使用的新型EBG結構，既要考慮EBG結構的帶寬，同時還要考慮EBG電源平面的信號完整性問題[4]。與L-bridged EBG結構相比，如何有效增加貼片單元中金屬枝條的長度，同時盡量減少挖去電源平面的面積，是新型EBG結構設計的關鍵。

1 新型EBG單元對SSN的抑制特性

通過EBG結構的等效電感電容(LC)諧振電路分析，設計的新型EBG結構采用枝條繞轉單元貼片的方法，經過結構優化后得到的新型EBG結構如圖1所示，其參數為[5-8]

a1=1.2 mm，a2=28.6 mm，
l1=28 mm，l2=29 mm，

新型EBG結構的枝條寬度

w1=w2=0.2 mm，

EBG枝條的縫隙寬度

g=0.2 mm。

圖1 新型EBG結構單元

為測試新型EBG結構對高速電路中SSN的抑制特性，設計一個3×3單元陣列的PCB，其中電源平面刻蝕成EBG結構，介質材料為FR4，介電常數為4.4，介質損耗角正切為0.02。如圖2所示,PCB的尺寸為90 mm×90 mm，高度為0.4 mm，3個端口的位置依次為(45 mm， 45 mm)， (75 mm, 45 mm)， (75 mm，75 mm)。

(a) 3×3單元陣列三維視圖及端口位置

(b) 3×3單元陣列頂視圖

為測試新型EBG結構的帶隙特性，采用50 Ω標準同軸激勵，使用Ansoft HFSS軟件對新型EBG結構進行建模仿真。接地平面保持完整，其傳輸特性曲線如圖3所示，同時作為參考，保留完整電源平面PCB的傳輸特性曲線如圖3中虛線所示。新型EBG結構的S參數仿真結果如圖4所示。

圖3 新型EBG結構帶隙特性曲線

圖4 新型EBG結構的S參數仿真結果

從圖3可見，加載EBG結構后，傳輸特性曲線明顯下降，當抑制深度為-30 dB時，禁帶為400 MHz ～ 4.55 GHz，平均抑制深度為-52.87 dB，表現出良好的帶隙特性。由圖4可知，S21與S31曲線基本一直，這表明新型EBG結構具有全向抑制SSN的能力。

2 新型EBG結構對SSN的抑制實驗

基于可實現的EBG加工工藝，制作了一塊EBG測試板，如圖5所示。EBG板的厚度為0.5 mm，其他尺寸與上述建模尺寸相同，采用50 ΩSMA接頭同軸激勵，采用型號為N5230a的安捷倫矢量網絡分析儀對新型EBG結構的傳輸系數S21進行測試，最后得到其阻帶特性曲線如圖6所示。當抑制深度為-30 dB時，帶寬為310 MHz～6.31 GHz，抑制深度為-54.34 dB，比仿真曲線有較好的提升，實際測試曲線與仿真曲線基本吻合，證明了仿真曲線的有效性。實測曲線好于仿真曲線，說明可以用仿真軟件對新型EBG結構進行仿真。

圖5 新型EBG結構實物

圖6 仿真與實測的S參數對比

3 新型EBG結構的信號完整性

在探討了新型EBG結構抑制SSN的特性后，再來討論采用新型EBG結構后帶來的信號完整性問題。采用新型EBG結構的PCB電源層的目的是濾除同步開關噪聲，抑制電磁干擾，使PCB能夠正常工作，同時保持比較好的信號完整性。但由于PCB的電源層采用了EBG結構，對電源平面的完整性造成了破壞，從眼圖的仿真結果可以看出這種影響比較明顯，由此造成了信號完整性問題。因此采用EBG結構后，PCB的信號完整性問題是必須考慮的問題[9-12]。

新型EBG結構引入到PCB的電源層中,在濾除了同步開關噪聲、抑制電磁干擾的同時，由于電源平面的不完整性，帶來了信號完整性問題。衡量信號完整性是通過眼圖中的兩個參數來進行的，兩個參數分別是最大眼睛張開(Maximum Eye Open， MEO)和最大眼睛寬度(Maximum Eye Width， MEW)。

盡管新型EBG結構具有對SSN良好的寬帶抑制效果，但破壞了電源平面的完整性。為分析新型EBG結構電源平面對信號完整性的影響，基于可實現的PCB板工藝，設計了4層PCB板：中間兩層為EBG電源平面與地平面，且兩層之間的高度為0.5 mm，頂層與底層為信號層。其結構如圖7所示，第一層為信號層，信號沿著頂層的信號線傳播，通過過孔到達底層，然后經過過孔回到頂層，線寬為1 mm，傳輸線阻抗為50 Ω。

圖7 運用單根傳輸線的4層PCB

應用Ansoft Designer軟件進行仿真分析，在端口1處加27～1偽隨機二進位序列源，在端口2處可以觀察到信號傳輸質量。偽隨機序列源的中心頻率設為2.5 GHz，上升時間與下降時間為120 ps，邏輯為“0”和“1”的電位值分別為-250 mV和250 mV。參考平面與新型EBG結構平面的眼圖分別如圖8(a)和圖8(b)所示。

(a) 用單根傳輸線的完整參考平面眼圖

(b)用單根傳輸線的新型EBG電源平面眼圖

(c) 用差分線對的新型 EBG電源平面眼圖

從圖8可知，參考平面的MEO為435.2 mV，MEW為387.3 ps；新型EBG結構的MEO為362.9 mV，與參考平面的MEO相比，降低了16.61%；而MEW為379 ps，與參考平面相比降低了2.14%。 因此，在濾除SSN的同時，新型EBG結構的信號完整性良好。

運用差分線對時，新型EBG電源平面的信號完整性可以顯著提高。設計一個裝載100 Ω差分線對的4層PCB板，差分線對線寬0.5 mm，線間距0.25 mm，如圖9所示。新型EBG結構電源平面的眼圖如圖8(c)所示,其中MEO為462.2 mV，MEW為390.6 ps,與完整的電源平面相比，新型EBG電源平面對信號完整性的MEO提高了6.2%，MEW提高了0.85%。運用差分線對時，選擇新型EBG結構做電源平面可以獲得更好的信號完整性。

圖9 運用差分線對的4層PCB三維視圖

新型EBG電源平面的信號完整性特性見表1，從中可以看到，在采用新型EBG結構，可以穩定地濾除SSN，且信號完整性良好；如能采用差分線對布線，則可以提升信號完整性，此時新型EBG結構不會帶來額外的信號完整性問題。

表1 新型 EBG電源平面信號完整性特性

4 結束語

為抑制高速電路中的SSN，需要設計一種具有理想禁帶特性的同時，還具有良好信號完整性的新型EBG結構，通過對傳統L-bridged EBG結構的分析，優化設計了一種新型EBG結構，仿真和實測實驗表明，該新型結構可以滿足設計要求，值得注意的是，如能采用差分線對布線，則在有效濾除SSN的同時，還可以提升信號完整性。

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[責任編輯:王輝]

A new broadband EBG structure for inhibitor SSN

WAN Liancheng, LYU Ling

(Journal Publication Center, Xidian University, Xi’an 710077, China)

Electromagnetic bandgap (EBG) structure to inhibit the simultaneous switching noise(SSN) in high-speed circuit needs not only qualified bandgap properties, but also good signal integrity. Based on previous research results on microwave photonic crystal EBG structures, a new EBG structure is proposed to optimize the design and simulate its inhibition SSN characteristics by HFSS software. The new EBG structure with a 4-layer etching printed circuit board(PCB) are also prepared, and its inhibition characteristics are tested. Experimental results and simulation results are in good agreement. Eye diagram is used to analyze the signal integrity of the new EBG structure. Simulation results show that the new structure has good signal integrity.

simultaneous switching noise(SSN), electromagnetic bandgap (EBG) structure, signal integrity

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.013

2013-11-12

收稿日期：國家自然科學基金資助項目(60571059)

萬連城(1983-)，男，碩士，編輯，從事電磁兼容及期刊出版研究。E-mail:105993059@qq.com 呂玲(1961-),女，副主編，從事科技期刊出版管理研究。E-mail:dzkj@mail.xidian.edu.cn

TN41

A

2095-6533(2014)01-0062-04