抑制同步开关噪声的超带宽电磁带隙结构研究

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摘要：本文针对抑制印刷电路板中电源平面与接地平面之间的同步开关噪声问题，提出了一种新型的二维电磁带隙结构（BS EBG）。其有效阻带为220 MHz~20 GHz,覆盖近20 GHz 的带宽。
这一新型结构的设计基于在正方形金属贴片的四角刻蚀出折线型缝隙以降低贴片的有效电容，应用折线以增加相邻贴片的有效电感，单元晶格由折线与含有缝隙的正方形金属贴片桥接构成。仿真分析结果表明：相比于同参数的Z-bridged EBG电磁带隙结构，当抑制深度定义为-30 dB时，BS EBG结构阻带范围从220 MHz到超过20 GHz,相对带宽增加了约15%,阻带下限截止频率降低了110 MHz.

0 引言
随着现代高速数字电路的发展，因为高时钟速率和低电压电平等原因，电源平面和地平面之间的同步开关噪声（Simultaneous Switching Noise,SSN）变成人们关心的问题之一。在印制电路板中当有些有源器件同时开关时，所产生的多种谐振模式会产生同步开关噪声，这会引起一系列诸如信号完整性和电磁兼容的问题。

由于在印刷电路板中系统的电磁兼容非常重要，电路设计者必须面对如何消除高速电路的SSN 这一问题。为了抑制SSN,人们已经提出了许多种方法，其中添加电源平面和接地平面之间的去耦电容是常用的方法。

由于去耦电容中存在寄生电感，寄生电感会产生自谐振与去耦电容，这限制了它的频率带宽，所以这种方法已经被证明不能有效应用于频率高于600 MHz的情况。

近，电源平面被设计成电磁带隙（EBG）结构来消除SSN,特别是在高频率段应用广泛。EBG 结构从初的蘑菇型EBG 结构发展到现在的共面型EBG 结构，相对于蘑菇型EBG 结构，共面型EBG 结构不需要专门进行过孔柱设计和多个金属层。

本文提出了一种新型的超宽带共面BS EBG结构，其有效阻带为220 MHz~20 GHz,覆盖近20 GHz 的带宽。本文BS EBG 结构的关键点是在正方形贴片四角蚀刻折线型缝隙，并且相邻的单元之间通过折线形枝节链接。折线形缝隙大大增加相邻的电磁带隙单元之间的电感，它可以有效地抑制低频段的SSN,拥有相对宽的带宽。仿真结果表明：本文EBG 结构可以有效地抑制阻带的SSN开关噪声。

1 BS EBG 电源平面的设计与分析
现代高速数字电路的同步开关噪声范围为100 MHz~20 GHz,为了有效地消除这种宽带噪声，人们已经尝试了很多方法来扩展EBG 结构的带宽。由于大多数的SSN 在低频带产生，因此，如何降低阻带的下限截止频率，同时保持较宽的阻带的带宽是设计的目标。谐振型EBG结构其周期单元本身具有谐振效果，在带隙形成中起主要作用。新型EBG 结构单元经过专门设计，使该单位可以相当于一个谐振效应比较强的LC并联电路。

由于EBG单元在谐振状态下电抗为无穷大，因此，可以防止在谐振频率附近的电磁波传播，形成特定频率带隙。带隙的中心频率和相对带宽近似地由表面单元的等效电容C 和等效电感L 决定。

为了减少带隙的中心频率，如式（1）所示，可以增加单元结构的电感值和电容值。由式（2）可以知道，带宽与电容值的平方根成反比。因此，基于以上的考虑，增加单元的等效电感值，可以有效地降低带隙的中心频率，并提高其阻带的带宽。

本文所提出的BS EBG 结构设计是正方形贴片四角蚀刻折线型缝隙，并且相邻的单元之间通过折线形枝节链接。

本文EBG构造单元如图1（a）所示，相应的参数a1 =30 mm,a2 = 16 mm,枝节长度l1 = 27.4 mm,l2 = 7.4 mm,l3 = 7.8 mm,枝节宽度w1 = w4 = 0.2 mm,w2 = 0.1 mm,w3 = 0.5 mm,缝隙宽度g1 = g2 = 0.2 mm.图1（b）所示为作为参考的Z-bridged EBG结构单元。图1（c）表示相邻的BS EBG 单元构造。当电流从左侧单元中心流到右侧相邻单元的中心，将流过相邻单元之间的金属枝节。

因此，枝节的有效长度越长，EBG结构的实际电感值越大。与传统的Z-bridged EBG 结构的电流流经路径相比，本文的BS EBG 结构枝节长度更长，而且对电源平面的损坏更小。因此，相对于Z-bridged EBG 结构，本文的BS EBG结构具有较低的中心频率和更宽的带隙。

2 BS EBG 的仿真特性分析
为了验证新型BS EBG结构单元的有效性，设计一个3×3单元阵列的双层PCB板。如图2所示，PCB板尺寸为90 mm×90 mm×0.4 mm,介质层厚度为0.4 mm,介质材料为FR4,地平面保持连续完整。为了测试3×3单元阵列对SSN 的抑制特性，如图2（a）所示，在位于坐标（45 mm,45 mm），（75 mm,45 mm），（75 mm,75 mm）的三点处，分别加载3个测试端口，坐标原点如图2（b）所示。

新型BS EBG 电源平面和Z-bridged 电源平面在0~20 GHz 之间进行仿真对比，使用的工具是ANSOFT公司的HFSS 软件。带宽定义为S21 参数的插入损耗小于-30 dB 的范围。如图3（a），（b）所示，新型BSEBG 电源平面的S21 带宽范围从220 MHz~20 GHz（19.8 GHz带宽），而Z-bridged EBG 结构的仿真S21 的范围从330 MHz~6.55 GHz（6.22 GHz带宽）。从图3（c）可以看出，BS EBG 结构的仿真数据和实测数据具有良好的一致性。与Z-bridged EBG结构相比较，新型BS EBG的带宽增加了218.3%,相对带宽增加了约15%,下限截止频率降低了110 MHz,几乎覆盖了SSN的全部频带。

由图3（d）可以看出，BS EBG的S21 和S31 曲线基本一致。因此，本文的BS-EBG结构可以全方位消除电源平面上的SSN.

3 结论
本文提出了一种抑制同步开关噪声的新型电磁带隙结构BS EBG.当带宽被定义为-30 dB以下时，新型BS EBG 结构的带隙范围为220 MHz~20 GHz.相比于传统的Z-bridged EBG电源平面，BS EBG电源平面的相对带宽增加了约15%,下限截止频率降低了110 MHz,对于同步开关噪声具有良好的抑制效果。