抑制同步開關噪聲的超帶寬電磁帶隙結構的研究

本文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）。其有效阻帶為220 MHz~20GHz，覆蓋近20GHz 的帶寬。

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-30dB時，BS EBG結構阻帶范圍從220MHz到超過20GHz，相對帶寬增加了約15%，阻帶下限截止頻率降低了110MHz.

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。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。

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，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600MHz的情況。

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。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。

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220MHz~20GHz，覆蓋近20GHz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為100 MHz~20GHz，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。

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=7.8mm，枝節寬度w1=w4=0.2mm，w2=0.1mm，w3=0.5 mm，縫隙寬度g1=g2=0.2mm.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。