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3.6 利用EBG结构抑制PCB电源平面和接地平面的SSN噪声

3.6.1 EBG结构简介

电磁带隙材料的概念实际上来自光子晶体(Photonic Crystal)的概念推广。1987年,美国Bell实验室的E.Yablonovitch和Princeton大学的S.John 分别在讨论如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域谐振时,各自独立地提出了光子晶体这一新概念。光子晶体是一种非常典型的光子带隙(Photonic Bandgap,PBG)材料,它的禁带效应功能引人关注。对于频率禁带处在微波频段的光子晶体,我们称为微波光子晶体(Microwave Photonic Crystal,MPC)、电磁晶体(Electromagnetic Crystal,EC)或电磁带隙结构(Electromagnetic Band Gap,EBG)。

EBG结构是受光学中PBG结构的启发而衍生的,按照周期结构来分,可以分为一维、二维或三维,点阵结构可以是简单立方、面心或体心立方或密排六方结构。一般来说,维数越高、尺寸越小、点阵结构越复杂,计算、制备的难度也越大。在材料构成上,EBG结构由介质、金属或介质与金属混合构成。在微波频段,理想的一维和二维结构比较少,通常都是在某个方向或两个方向上具有周期性,而在其他方向是有限结构,但是还是按照周期性把EBG结构分为一维、二维结构。至于三维结构,从理论分析、制备到测试,相对来说都要复杂得多 [40-45]

现代高速数字电路的同步开关噪声(Simultaneous Switch Noise,SSN)频带通常为100MHz~10GHz或更高。2005年,EBG结构被引入高速数字电路领域 [42] ,其电磁带隙特性可以有效抑制集成电源系统中的地面弹射噪声(Ground Bounce Noise,GBN),保证信号完整性和避免模块间的电磁干扰。

EBG结构抑制SSN的原理可以从下面两个层面理解:① 从能量禁带分析,处于阻带范围的SSN,由于其禁带的存在,使得SSN无法越过禁带而向外传播;② 从PDN阻抗分析,对处于阻带范围内的SSN,此时电源平面和接地平面之间阻抗最小,是短路的,电源平面和接地平面为SSN提供一条更低阻抗的回路,SSN被限制在其产生的地方而无法向外传播。

近年来,EBG结构发展迅速,多种不同EBG结构被提出用于抑制SSN。从结构来说主要分为三类:

① 嵌入型EBG结构。最典型的是1999年D.Sievenpiper提出的Mushroom EBG结构 [46] ,以及一些变形,例如,采用级联的思想将三种不同的Mushroom EBG结构级联来抑制SSN;为拓宽EBG结构阻带带宽,采用多过孔EBG结构;等等。

② 共面型EBG结构。针对嵌入型EBG结构工艺复杂、制造成本高的不足,提出了结构简单的共面型EBG结构抑制SSN。1999年,第一种共面型UC-EBG结构被提出,受到业界广泛关注。共面型EBG结构的典型代表是2004年Tzong-Lin Wu提出的LPC-EBG结构 [44] ,以及一些变形,如L-Bridge结构、Meander L-Bridge结构、混合周期EBG结构、π 型桥EBG结构、阻抗可变的AI-EBG等。

③ 混合型EBG结构。这是一种将嵌入型EBG结构和共面型EBG组合,或者将EBG结构和其他结构混合而成的新型EBG结构。例如,为增大贴片电容和电感,平面EBG结构和集总电容器或者集总电感器混合的结构;提高电源平面与接地平面之间的填充介质的介质常数可以改善信号质量,把高介电常数柱嵌入填充材料中,提出了一种光子晶体电源平面/接地平面(Photonic Crystal Power/Ground Plane Layer,PCPL)结构;采用高介电常数柱和低介电常数柱构成人工介质AS-EBG结构;混合型EBG结构,将嵌入型EBG结构和共面型EBG结构混合以抑制SSN等。

目前,在电源平面和接地平面利用EBG结构抑制SSN主要从拓展带宽和提高信号完整性方面进行研究。

3.6.2 EBG结构的电路模型

1 . Mushroom EBG 结构

一个Mushroom EBG结构示意图如图3-29所示,图中Mushroom EBG结构 [40, 45] 的单元尺寸远小于工作波长。Sievenpiper指出 [46] ,该结构的电磁特性可以用集总电路元件—电容和电感来描述。它们的行为表现为并联谐振LC电路模型,可被视为一种二维电滤波器以阻止沿表面流动的电流。当该结构与电磁波相互作用时,在金属贴片(Patch)上将感应电流,平行于顶部表面的电压作用,导致在金属贴片的两端电荷累积,因此可用电容来描述。电荷在金属过孔和接地平面之间来回流动形成电流环路。与这些电流联系在一起的是磁场和电感。

图3-29 Mushroom EBG结构的几何形状

电容和电感产生的示意图如图3-30所示,其电容和电感的等效公式为

(3-6)

图3-30 EBG结构的并联谐振电路

(3-7)

式中, W 为方形贴片的边长; g 为缝隙之间的距离; a 为EBG结构的周期,即 a = W + g μ 0 ε 0 分别为自由空间的磁导率和真空介电常数。

谐振频率、等效表面阻抗和带宽可表示为

(3-8)

(3-9)

(3-10)

并联谐振电路的等效表面阻抗曲线如图3-31所示,在低于谐振频率时,表面阻抗呈现电感性;在高于谐振频率时,表面阻抗呈现电容性。在谐振频率附近,表面阻抗是一个很大的值,这对于我们理解EBG结构的表面波带隙和反射相位特性是十分有益的。

图3-31 并联谐振电路的等效表面阻抗曲线

2 .金属过孔直径的影响

Sievenpiper提出的等效电路模型较为简单,没有考虑结构中金属过孔半径的影响,而实验和数值仿真表明,过孔半径严重影响带隙的位置。因此,人们对于上述模型进行修正,提出了更为准确的等效电路模型,考虑了金属过孔半径的作用。修正的LC等效电路如图3-32所示。

图3-32 修正的LC等效电路

采用拼接法求得等效的电容 C 由三部分组成:

C = C 1 + C 2 + C 3

(3-11)

式中, C 1 为空气缝隙电容; C 2 为介质缝隙电容; C 3 为金属化圆柱的影响。

(3-12)

式中, S 为圆柱截面积; k 为引入的参数,一般取3左右。

在此模型中,无限长线匝在一个单元(Cell)截面上的磁通 φ 实际上是无限长双导线传输线阵列在高度为 t 的一段对应值。它包括两部分:单元所在平面双导线传输线的自电感 L s 和其他双导线阵列的互电感 L m ,即

L = L s + L m

(3-13)

(3-14)

式中, d 为金属过孔的直径。

仿真分析发现,金属化过孔所产生的电感也是不能忽略的,过孔的直径对高阻抗表面结构的带隙频率有较大影响。在其他参数保持不变的情况下,随着过孔直径加大,带隙频率向高端偏移,过孔直径会直接影响带隙频率 [47]

3 .支撑介质对平面型 EBG 结构带隙特性的影响

平面型EBG结构是近年来提出的一种特殊的EBG结构,支撑介质(介质基板)是平面型EBG结构重要的组成部分,为其提供一个支撑载体的作用。

(1)对局域谐振型EBG结构带隙的影响 [48]

① 介质层介电常数对带隙的影响。

设支撑介质的厚度保持恒定,令材料的介电常数逐渐增大,分析对应的表面波带隙的数值。仿真分析可以得到支撑介质厚度与带隙有如下关系:

a.对于局域谐振型EBG结构,表面波带隙的位置与支撑介质的材料有关。当介质层厚度一定时,介质材料介电常数的增大会导致带隙位置向低频移动,同时带宽变窄。同时研究表明,无论支撑介质厚度如何,介质材料介电常数的增大都会导致带隙向低频移动,带宽变窄。

b.介质材料介电常数较小时,带隙随介电常数的变化率较大(介电常数很小的变化就可能导致带隙出现很大变化)。介电常数较大时,带隙随介电常数的变化率逐渐变小(介电常数的变化对带隙的影响变小)。

c.对相对介电常数 ε r 取同一值进行分析时,可以看到带隙随介电常数的变化率对于不同厚度的材料来说大致是相同的。

② 支撑介质层厚度对带隙的影响

假定支撑介质材料的介电常数不变,令支撑介质的厚度 d 逐渐增大,分析计算对应的表面波带隙的数值,可以得出如下规律:

a.对于局域谐振型EBG结构,支撑介质层逐渐增厚,会使EBG结构带隙的中心频率缓慢向低频移动,同时带隙宽度非常缓慢地变小。这种变化非常缓慢(变化率很小),以至于在厚度变化不是很大时,甚至可以认为带隙位置没有变化。

b.进一步研究表明:对于不同介电常数的材料,支撑介质厚度的增大几乎不会造成带隙的明显变化(带隙的中心频率仅有很少的降低,带宽也仅有很小的缩减)。或者说,对于局域谐振型EBG结构,带隙与支撑介质的厚度几乎没有关系。

(2)对Bragg散射型EBG结构带隙的影响 [48]

局域谐振型EBG结构的表面波带隙主要是由于周期单元本身的谐振效应产生的。Bragg散射型EBG结构与局域谐振型EBG有质的不同,其带隙主要是由Bragg散射引起的,因此支撑介质层对Bragg散射型EBG结构表面波带隙的影响有所不同。

研究表明,任何种材料的支撑介质厚度对带隙影响的规律都是相同的,都服从如下规律:对于Bragg散射型EBG结构,支撑介质的厚度逐渐增大,会使频率带隙的中心频率逐渐向低频移动。同时,带隙宽度逐渐变窄。当介质层厚度大于某一临界值时,带隙就会消失。而且,介质材料介电常数越大,这一临界厚度值越小。

3.6.3 EBG的单元结构

近年来,人们研究了不同结构的EBG,一些EBG单元结构如图3-33~图3-51所示。不同结构的EBG,其带隙特性参数不同。

1 . UC-EBG 单元结构

一个UC-EBG单元结构和设计实例 [ 45,49] 如图3-33所示,尺寸为90mm×90mm,单元的尺寸为30mm,板间填充介质为FR-4, ε r =4.4,tan δ =0.02,介质厚度为0.4mm。实验用EBG结构为3×3阵列。仿真分析表明,中心频率为2.35GHz,阻带范围为0.8~3.9GHz,带宽为3.1GHz,带隙抑制深度在-30dB以下。

图3-33 UC-EBG单元结构和设计实例

图3-33 UC-EBG单元结构和设计实例(续)

2 .紧凑宽带 UC-EBG 单元 结构

一种紧凑宽带平面EBG单元结构 [50] 如图3-34所示,图3-34(a)是基本UC-EBG的改进型,图3-34(b)对图3-34(a)进行了进一步的改进。实验用电路板采用厚1.5mm,相对介电常数2.65的基板, a =7.2mm, w = g = s =0.2mm, b =3.2mm,折线之间间隔0.2mm,中心方形贴片宽1mm。电路板由19×19的单元阵列组成。测试采用Agilent N5242A矢量网络分析仪,测试结果表明,在-60dB以下,2.7~4.7GHz有一个明显的禁带,带隙中心频率3.7GHz,相对带宽54.1%。在相同周期相同测试方法下,图3-34(b)所示EBG结构带隙为4.3~5.6GHz,中心频率为4.95GHz,相对带宽26.3%。

图3-34 紧凑宽带UC-EBG单元结构

3 .U-Bridge 共面EBG 单元结构

一个U-Bridge共面EBG单元结构 [51-53] 如图3-35所示,该U-Bridge共面EBG单元结构通过延长相邻单元连接线的长度,同时设置最合适的连接线宽度,从而增加相邻单元间的等效电感。图3-35中, a =30mm, s =13.6mm, n =6mm, t =0.2mm, r =1.2mm, e =15.1mm, c =0.8mm。

图3-35 U-Bridge共面EBG单元结构

实验用电路板采用由3×3单元组成的U-Bridge共面EBG结构电路板,此板为双层结构,尺寸为90mm×90mm,顶层为EBG结构层,底层为接地层。两层间填充FR-4介质材料, ε r 为4.4,厚度为0.4mm。

通过仿真可知,-40dB抑制深度对应的| S 21 |的下截止频率为380MHz,上截止频率为4.7GHz,因此带隙宽度为4.32GHz,谐振频率为2.54GHz。在谐振频率附近其抑制深度甚至达到-100dB。

4 .AI-EBG 单元结构

AI-EBG单元结构的工作原理是利用大贴片在微波传输中相当于电容,小贴片在微波传输中相当于电感,等效为一个滤波器电路。一个AI-EBG单元结构设计实例 [45] 如图3-36所示,设计实例的单元尺寸为30mm,板间填充介质为FR-4, ε r =4.4,tan δ =0.02,介质厚度为0.4mm。仿真分析其中心频率为2.8GHz,阻带范围为0.9~4.7GHz,带宽3.8GHz。

图3-36 AI-EBG单元结构

5 .增强型AI-EBG 单元结构

一个增强型AI-EBG单元结构 [54] 如图3-37所示。与传统AI-EBG结构相比,增强型AI-EBG结构的关键特征在于EBG单元结构增加了两条狭缝,从而引入了两个长而窄的L形的连接臂,增大了相邻EBG方形贴片之间的电感,以获得更低的下截止频率。实验用电路板采用3×3的单元结构阵列,PCB介质材料为FR-4, ε r 为4.4,tan δ 为0.02,金属平面厚度为0.035mm(1oz)铜。

增强型AI-EBG的几何参数: a 是正方形贴片的长度, b d 是连接臂宽度, c 是原连接臂的长度, e 为狭缝的宽度。在设计实例中, a =15.2mm, b =0.3mm, c =0.25mm, d =0.3mm, e =0.25mm,整体尺寸为46.35mm×46.35mm。

仿真与测试结果表明,噪声抑制带宽定义为插入损耗 S 21 低于-40dB的频率范围为400MHz~9.5GHz,下截止频率为400MHz,增强型AI-EBG结构的噪声抑制带宽约为9.1GHz。

6 . L-Bridge EBG 结构

在AI-EBG结构中,金属贴片的面积越大,则等效电容越大,等效电感 L 主要由作为连接的窄的金属枝节决定,这两者之间的等效路径越长,等效电感就会越大。因此,如果能够设法加长该路径,就能够增大等效电感。改变枝节的形状可以改变电感大小,从而间接影响到带隙的特性。一个L-Bridge EBG结构设计实例 [45] 如图3-38所示,这种结构采用了类似L形矩形窄带来取代直线连接枝节,也就增加了EBG结构的等效电路模型中的等效电感,改变EBG结构的带隙特性。设计实例的单元尺寸为30mm,板间填充介质为FR-4, ε r =4.4,tan δ =0.02,介质厚度为0.4mm。仿真分析其中心频率为2.6GHz,阻带范围为0.6~4.6GHz,带宽为4GHz。

图3-37 增强型AI-EBG单元结构

图3-38 L-Bridge EBG单元结构设计实例

7 . MS-EBG 单元结构

图3-39所示的一种二维电磁带隙(MS-EBG)结构,由折线缝隙组合与正方形贴片桥接构成。仿真结果表明,当抑制深度为-30dB时,与传统L-Bridge EBG结构比较,阻带宽度增加了1.3GHz,相对带宽提高了约10%,能够有效抑制0.6~5.9GHz的同步开关噪声 [45]

图3-39 一种应用于抑制SSN噪声的EBG PCB电源平面结构

8 .螺旋桥EBG 单元结构

一种螺旋桥EBG单元结构 [55] 如图3-40所示,其单元结构是由一个正方形的金属片和四个螺旋型电感桥组成。该结构可显著地减小下截止频率并扩宽阻带的宽度且保持一定的信号完整性。-29dB定义阻带宽度为5.6GHz,阻带范围为200MHz~5.8GHz。

图3-40 螺旋桥EBG单元结构

9 .周围环绕金属枝节的EBG 单元结构

如图3-41所示 [56] ,这个EBG形状特征是在结构单元周围环绕金属枝节,连接结构单元的枝节将结构单元串联起来可以等效为电感。图3-41中, a 1 =30mm, a 2 = a 3 =7.2mm;枝节长度 l 1 =4.05mm, l 2 =15.3mm, l 3 =27mm;枝节宽度 w 1 = w 2 =0.2mm, w 3 =0.5mm,缝隙宽度 g 1 = g 2 =0.2mm。多个EBG单元组合时,当在激励端加载激励信号时,电流会从一个结构单元流向另外一个结构单元,电流流经的路径包含连接结构单元的金属枝节,因为该金属枝节具有较长的有效长度,所以其等效的、LC电路会具有较大的有效电感值,根据阻带带隙的相对带宽和中心频率的决定公式可以知道,较大的有效电感值可以使该LC电路在发生并联谐振时具有较低的下限截止频率和较宽的阻带抑制宽度。由于刻蚀过程中去掉的电源平面不算太多,所以使用该电磁带隙结构作为电源平面不会对信号完整性造成太大的影响。

图3-41 周围环绕金属枝节的EBG单元结构

实验用电路板采用90mm×90mm×0.4mm的3×3的阵列单元结构,电源平面刻蚀成EBG结构,接地平面保持为连续完整的金属板。电源平面和接地平面之间采用FR-4的介质材料,该材料的tan δ =0.02, ε r =4.4。从仿真结果可以得出该电磁带隙结构的下限截止频率为0.27GHz,上限截止频率为20GHz,阻带带隙宽度为19.73GHz。

10 .紧凑型超宽带EBG 单元结构

一个由方块金属片和折线桥接线构成的平面紧凑型超宽带EBG单元结构 [57] 如图3-42所示。实验采用一个3×5单元的两层PCB模型,尺寸为90mm×150mm,其中电源平面和接地平面间介质材料为FR-4,厚度为0.4mm, ε r =4.4。此EBG结构在抑制深度为-40dB时,阻带范围为0.28~20GHz,阻带宽度为19.72GHz。

图3-42 紧凑型超宽带EBG结构

11 .Convoluted-line EBG 单元结构

一个Convoluted-line EBG单元结构 [58-59 ] 如图3-43所示,采用枝条绕转单元贴片的方法,同时相邻两单元之间的枝条近似“串联”。图3-43(a)所示为Convoluted-line EBG单元结构,其中,单元边长 a =30mm, b =15.1mm, l =12mm;单元枝条宽度为 w 1 = w 2 =0.2mm;缝隙宽度为 g 1 = g 2 =0.2mm。图3-43(b)为相邻两个EBG单元。当电流要从左边的单元中心到达右边相邻的单元中心时,电流需要流经环绕单元的金属枝条,即枝条的有效长度增长了,EBG结构的有效电感值增大,同时对电源平面的破坏也较小。所挖取电源平面的面积是为了有效增加EBG结构的电感。

实验用电路板采用一个3×3单元阵列的双层PCB。PCB尺寸为90mm×90mm×0.4mm,介质层厚度为0.4mm,介质材料为FR-4,电源平面采用3×3 Convoluted-line EBG单元结构,接地平面保持连续完整。

利用Anosoft HFSS、软件仿真,从仿真结果可知,在抑制深度为-30dB时, S 21 为130MHz~10.7GHz, S 31 为130MHz~10.45GHz,有效阻带带宽为10.32GHz [58]

与Z-Bridge EBG结构比较,相对带宽增加了62.3%,低频截止频率降低了110MHz,基本覆盖同步开关噪声的噪声频带。

图3-43 Convoluted-line EBG单元结构

12 .X-CSRR EBG 单元结构

一个X-CSRR EBG单元结构 [60] 如图3-44所示。CSRR谐振器最内方形贴片的边长 d = 24.5mm,槽线尺寸 s = 0.3mm,两个谐振器外侧谐振环之间的连桥的尺寸 w 1 = 0.3mm;外槽线与谐振器单元的边沿间距 w 2 = 0.5mm,谐振器开口宽度 g = 1mm,每个正方形谐振器的边长尺寸 l unit = 27.4mm。

图3-44 X-CSRR EBG单元结构

X连桥是一个对称性重复型结构,每个谐振器间的连桥结构尺寸都相同,连桥横轴方向的尺寸 b 1 =1.3mm,连桥与谐振器连接处的纵轴方向的尺寸 b 2 =5mm。

实验用的电路板采用一个3×3单元组合的双层PCB,总边长尺寸为87.4mm的正方形平面。电源层和接地层采用厚度35μm的金属铜平面层;中间介质层厚度 h s =0.4mm,采用FR-4材料, ε r =4.4,介质表面的tan δ =0.02。实测结果tan δ 为:在-40dB抑制深度时,阻带范围可达400MHz~18GHz。

13 .UCR-EBG 单元结构

一个UCR-EBG单元结构 [61] 如图3-45所示,UCR(Uniplanar Compact Ring Loaded)-EBG结构是在UC-EBG的基础上添加双层金属环而成的。实验用电路板采用一个3×3 UCR-EBG的单元阵列的双层PCB,PCB介质基板为FR-4, ε r =4.4,厚度为0.4mm,接地平面保持连续完整。UCR-EBG单元为正方形,边长为30mm。

图3-45 UCR-EBG单元结构

使用HFSS软件进行仿真。由仿真结果可知,-30dB带阻宽带为0.9~5GHz。

14 .改进的 S EBG 结构

一种改进的S桥EBG单元结构 [62] 如图3-46所示,设计将相邻EBG单元连接线的直线改为折线并采用多缝隙的形式。其中, a = 30mm, l 1 = 29.4mm, l 2 = 15.55mm, l 3 = 6.45mm, l 4 = 1.75mm, w 1 = 0.4mm, w 2 = 0.2mm, w 3 = 0.1mm, w 4 = 1.1mm。实验用电路板采用一个3×3 EBG单元阵列结构,尺寸为90mm×90mm×0.4mm,介质材料采用 ε r =4.4的FR-4,tan δ =0.02。

仿真与实测结果表明,在抑制深度为-30dB时,其阻带范围为0.2~9.8GHz,相对阻带宽度为192%,与传统S桥EBG结构相比阻带宽度增加了2.8GHz,可以更好地抑制同步开关噪声。

图3-46 改进的S桥EBG结构单元

15 .改进桥接连线的 EBG 结构

一个改进桥接连线的EBG单元结构 [63] 如图3-47所示,单元结构尺寸为15mm×15mm,桥接连线的线宽为0.2mm,缝隙为0.2mm,4个小块的尺寸均为5.1mm×5.1mm。

图3-47 改进桥接连线的EBG单元结构

实验用电路板采用一个3×3单元的两层PCB模型。模型的尺寸为45mm×45mm,厚度为0.27mm。电源层和接地层的厚度均为0.035mm,中间填充厚度为0.2mm, ε r =4.4,采用FR-4材料。为了保持良好的信号完整性,在设计中优先保证接地平面的连续,因此把EBG结构嵌入电源平面。

从HFSS仿真结果可知,在抑制深度为-30dB时,阻带范围为0.7~2.3GHz 和3.0~10GHz,带宽达到8.6GHz。

16 .矩形螺旋线加载的UC-EBG

一个采用矩形螺旋线加载的UC-EBG结构 [64] 如图3-48所示,通过在传统UC-EBG的连接桥上加载矩形螺旋线增加单元间的桥电感,以降低EBG结构的下限截止频率,同时也一定程度拓展带隙宽度。所设计的电源平面/接地平面对,其中接地平面为完整平面,电源平面由3×3的EBG单元结构组成。该系统整体尺寸为90mm×90mm,金属层为电导率为5.8×10 7 S/m 的铜材料;介质基板为FR-4材料, ε r =4.4,tan δ =0.02,基板厚度为0.4mm。

改进的UC-EBG的单元结构其主要几何尺寸参数包括周期 p ,凹槽宽度 w 1 和深度 d 1 ,螺旋线桥宽度 w 和线间距 s ,以及相邻单元间距 g 。该改进的单元结构保持UC-EBG的 p d 1 w g 等尺寸不变,仅仅在连接桥上引入了螺旋线结构,并相应地加宽了凹槽,即引入的变量仅为 s ,同时调整了变量 w 1 。通过仿真优化,该改进型的螺旋线加载的UC-EBG单元参数: p =30mm, w 1 =4.2mm, d 1 =5mm, w =0.2mm, s =0.4mm, g =1mm。

从仿真结果可知,在抑制深度为-40dB时,该EBG结构对电源噪声的有效抑制范围为0.44~7.50GHz,且仅在7.6GHz 附近很窄的带宽内超过-40dB,7.7GHz以后进入新的带隙范围。

图3-48 螺旋线加载的UC-EBG拓扑结构

17 .蛇形线加载的EBG 单元结构

一个蛇形线加载的EBG单元结构 [65] 如图3-49所示。实验用电路板采用一个2×3 EBG单元阵列结构,整体尺寸为37mm×51mm,其中 ε r =4.4,介质厚度 h 1 =0.8mm, h 2 =0.1mm, h 1 h 2 分别为金属贴片和下层金属地的厚度和上层电源层的厚度,其他参数 a =15mm, b =13.9mm, c =0.85mm, d =0.3mm, e = 5.1mm, f =0.3mm, g =2mm。

图3-49 蛇形线加载的EBG单元结构

从仿真结果可知,-30dB抑制带宽为683MHz,范围为493~1176MHz。

18 .螺旋线加载的EBG 结构

一个螺旋线加载的EBG单元结构 [65] 如图3-50所示。实验用电路板采用一个2×3的仿真测试单元,整体尺寸为31mm ×42mm,其中 ε r =4.4,介质厚度 h 1 =0.8mm, h 2 =0.1mm, h 1 h 2 分别为金属贴片和下层金属地的厚度和上层电源层的厚度,其他参数 a =12mm, b =10mm, c =5mm, d =0.95mm, e =0.25mm。

图3-50 螺旋线加载的EBG单元结构

从仿真结果可知,-30dB抑制带宽为300MHz,范围为300~600MHz。

19 .基于HIS 的T 型交指电容EBG 结构

一种基于HIS结构的T型交指电容(Inter-Digital Capacitor,IDC)EBG结构 [55] 如图3-51所示,将传统Mushroom EBG单元的电源层和HIS层之间的平行板电容用T型交指电容代替。使用这种电容可以有效增大电源层与HIS层之间的耦合电容,降低HIS层与接地层之间的等效电感,进而显著降低下截止频率,提高上截止频率,增大阻带带宽。通过仿真分析表明,在不改变EBG单元面积的情况下,在抑制深度为-30dB时,T型IDC-EBG结构相对于传统HIS结构阻带下截止频率从0.9GHz降低到290MHz,阻带带宽从6.1GHz提高到7.2GHz,可以有效地抑制多层PCB的SSN。

图3-51 T型IDC-EBG结构设计

3.6.4 基于Sierpinski曲线的分形EBG结构

分形结构的特征为自相似性,即其构成是对自身不同尺寸的复制。由相关推导公式可知,Sierpinski(谢尔宾斯基)曲线为近似多边形,谢尔宾斯基空间填充曲线长度极限为无穷大,填充的面积极限为方形区域的5/12。不同迭代次数Sierpinski曲线面积如图3-52所示。谢尔宾斯基曲线随着迭代次数的增加,曲线长度不断增长,在不增加封装尺寸的情况下,可以导致较低的谐振频率,实现小型化设计。故可以考虑将此曲线结构应用于电磁带隙结构设计中,实现超宽带范围内的同步开关噪声抑制。

图3-52 不同迭代次数Sierpinski曲线面积

设计一种基于空间填充曲线(谢尔宾斯基曲线)的分形EBG结构,用来对比研究不同迭代次数谢尔宾斯基曲线构成的EBG结构的噪声抑制性能。一个实验用的EBG单元结构 [66] 如图3-53所示。实验用电路板的结构参数:方形金属贴片边长 a =18mm;小矩形的长 a /2=9mm,宽 a /4=4.5mm。折线缝隙宽Gap=0.3mm,折线宽带 W 2 =0.2mm,边缘处的折线宽 W 1 = 0.1mm。其他参数: L 1 =8.7mm、 L 2 =4.3mm、 L =27mm、 H 1 =0.7mm、 H 2 =6mm、 d =0.4mm。采用基底材料为FR-4的双层PCB,底层为连续的接地平面,中间为介质层,顶层电源平面为刻蚀的3×5个单元的EBG结构。板的整体尺寸保持不变:长×宽×高=90mm×150mm×0.4mm,单元晶格尺寸为30mm×30mm。

图3-53 实验用Sierpinski曲线EBG单元结构

仿真测试结果表明,在噪声抑制深度为-40dB时,抑制带宽范围为186MHz~20GHz。

3.6.5 平面级联型EBG结构

不同周期的共面型EBG结构有着不同的抑制带宽和深度。假设有两种共面型EBG结构,分别由A、B两种基本单元组成,如果将两种不同周期的共面型EBG结构基本单元A、B进行平面级联,而形成一种新型的EBG结构。此新型EBG结构可以同时拥有这两种结构的优点,通过合理的组合,抑制效果将比由A、B基本单元单独构成的EBG结构更好。

一个将M-L EBG结构单元和插入式M-L EBG结构单元按照棋盘交错的方式进行平面级联,得到平面级联型EBG结构 [41] 如图3-54(c)所示,结构尺寸为90mm×90mm×0.4mm。图3-54(a)所示M-L EBG结构基本单元的参数: a =30mm, b =22mm, c =0.4mm, d =1.8mm, e =0.2mm, f =0.8mm。图3-54(b)所示插入式M-L EBG结构单元的参数: a =30mm, b =22mm, c =1.8mm, d =0.4mm, e =1.8mm, f =0.2mm, g =10mm,所有窄缝 h =10mm。

图3-54 基于M-L EBG结构的平面级联型结构

利用Ansoft HFSS V13软件分别对图3-54所示三种EBG结构进行仿真,对比三种EBG抑制SSN的效果。实验用三种结构在HFSS结构尺寸均为90mm×90mm×0.4mm,介质填充均为FR-4,相对介电常数 ε r =4.4,介质损耗tan δ =0.2。测试端口Port1、Port2坐标分别为(75mm, 45mm, 0mm)、(45mm, 75mm, 0mm),Port1为输入端口,Port2为输出端口。

在抑制深度为−30dB时,M-L EBG结构阻带范围为0.5~4.6GHz,阻带宽度为4.1GHz;插入式M-LEBG结构阻带为0.9~20GHz,阻带带宽为19.1GHz;平面级联型EBG结构阻带范围为0.5~20GHz,阻带带宽为19.5GHz。在低频带,插入式M-LEBG结构对SSN的抑制效果相对较差,但是由于M-L EBG结构对SSN的抑制效果优越,二者级联之后得到的平面级联型EBG结构相比插入式M-L EBG结构有相当大的改善;在4.7~5.6GHz、7.2~8GHz和11.7~12GHz这三个频段,M-L EBG结构对SSN的抑制效果相对较差,但是由于插入式M-L EBG结构在此频段抑制效果优越,二者级联之后得到的平面级联型EBG结构抑制效果良好。同时可以看出,平面级联型EBG结构是两种结构的折中,继承了M-L低下截止频率的特点,并拥有插入式M-L EBG超宽带的优点,在抑制SSN上有着优越性。

3.6.6 选择性内插式EBG结构

选择性内插式EBG结构 [67] 如图3-55所示,电源层为图形化EBG层,接地层为完整平面。电源平面和接地平面间介质材料 ε r = 4.4,tan δ = 0.02的FR-4材料。介质厚度为0.4mm,铜箔厚度为0.035mm。新结构是在3×4单元组成的90mm×120mm周期性L-Bridge EBG结构的基础上,有选择性地在电源端口所在的单元中心处16.4mm×16.4mm区域挖空并插入ML-Bridge结构。

图3-55 选择性内插式结构顶视图

周期性L-Bridge EGB单元结构如图3-56(a)所示。内插式ML-Bridge EBG单元结构如图3-56(b)所示。 a 1 =30mm, a 2 =16.4mm, a 3 =14mm, g 1 =0.3mm, g 2 =0.5mm, g 3 =0.6mm, g 4 =0.5mm, l 1 =28.2mm, l 2 =13.3mm, l 3 =3.6mm, s 1 =1.4mm, w 1 =0.2mm, w 2 =0.1mm, w 3 =0.2mm。最终,得到了新型的选择性内插式EBG(L-ML Bridge EBG)结构。

图3-56 选择性内插式EBG单元结构

利用Ansoft HFSS V13软件进行仿真,在-30dB抑制深度下,各端口间阻带均从490MHz左右延伸到15GHz,并覆盖所有所设端口,具有全范围超带宽抑制能力。端口间截止频率, S 21 为466MHz, S 31 S 41 为488MHz, S 51 为529MHz。

3.6.7 多周期平面EBG结构

一种多周期平面EBG结构 [68] 如图3-57所示,是利用两种不同周期的平面EBG结构级联而成的。模型尺寸为60mm×120mm×0.4mm,在电源平面和接地平面之间采用了厚度为0.4mm、 ε r =4.4的FR-4材料。如图3-57(a)所示,左侧为4×4单元的小周期平面EBG结构,右侧为2×2单元的大周期平面EBG结构,这两种结构的参数为( d , l , w , p 1 , p 2 ),具体上小周期为(15mm,4mm,1mm,1mm,1mm),大周期为(30mm,10mm,1mm,1mm,1mm),而大小周期平面EBG结构通过16mm×1mm的级联桥接连线相连。

图3-57 多周期平面EBG结构

使用Ansoft HFSS软件对该结构进行仿真,当抑制深度为-30dB时,多周期平面EBG结构的阻带范围为0.7~8.4GHz,阻带宽度为7.7GHz;大周期平面EBG结构的阻带范围为0.6~6.2GHz,阻带宽度为5.6GHz;小周期平面EBG结构的阻带范围为1.8~8.3GHz,阻带宽度为6.5GHz。多周期平面EBG结构相比这两种传统平面EBG结构阻带宽度分别增加2.1GHz、1.2GHz,带隙宽度有较为明显的展宽。

3.6.8 垂直级联型EBG结构

垂直级联共面型EBG结构通过采用过孔,将两个两层共面型EBG结构垂直级联,以获取更好的抑制SSN效果。同时,通过垂直级联不同类型的EBG结构,能够得到不同的新型EBG结构。仿真和测试验证,垂直级联后的EBG结构能够增强抑制SSN噪声的能力,满足高速电路对信号完整性的要求。

1 .垂直级联型EBG 结构的设计方法

垂直级联型EBG结构的设计和制作流程:制作两层电磁带隙电路板A→制作两层电磁带隙电路板B→穿插电路板A和B→得到四层电磁带隙结构C→添加过孔连接C的最底层和最顶层→完成垂直级联得到电磁带隙结构D→测试电磁带隙结构D→验证其同步开关噪声的抑制能力。电磁带隙电路板A和B可以是相同的共面型EBG结构,也可以是不同的共面型EBG结构。

2 .垂直级联两个L-Bridge EBG 结构示例

目前被提出的共面型EBG结构种类较多,一个垂直级联两个L-Bridge EBG结构示例 [69] 如图3-58所示。

① 首先制作两个L-Bridge EBG结构,尺寸均为90mm × 90mm×0.4mm。

② 将两个L-Bridge EBG结构按照如图3-58(a)所示的方式穿插,同时在每个结构单元的中心添加一个过孔,过孔的半径为0.2mm。过孔穿过中间的两层接地平面,完成最顶层和最底层的电气互连,实现两个L-Bridge EBG结构的垂直级联,得到如图3-58(b)所示的新型四层EBG结构,从上到下分别为电源层、接地层、接地层和电源层,各层之间的距离分别为0.1mm、0.3mm和0.1mm。新型EBG结构的单个结构单元如图3-58(c)所示。

为了验证抑制SSN的效果,在HFSS中创建尺寸为90mm×90mm×0.5mm的四层PCB,如图3-58(d)所示,电源层为3mm×3mm的L-Bridge EBG结构单元,介质均采用FR-4,电源平面上的Port1(7.5mm, 45mm, 0mm)、Port2(82.5mm, 45mm, 0mm)和Port3(45mm, 7.5mm, -0.5mm)均为测试点,Port1为输入端口,其余均为输出端口。

图3-58 一个垂直级联两个L-Bridge EBG结构示例

图3-58 一个垂直级联两个L-Bridge EBG结构示例(续)

③ 仿真和实测结果。对比垂直级联两个L-Bridge EBG结构的仿真结果和实测结果,以及单个L-Bridge EBG结构的仿真结果可知,在SSN噪声抑制深度为-30dB时,垂直级联得到的新型EBG结构阻带范围为710MHz~10GHz,达到了超带宽抑制能力的要求。而L-Bridge EBG只有4GHz带宽,这说明利用垂直级联方法得到的新型EBG结构抑制SSN的能力比单个L-Bridge EBG结构要好。

④ 垂直级联方法的扩展应用。前面采用的是两个L-Bridge EBG进行垂直级联,若将其中一个共面型EBG结构换成Mender-L Bridge EBG结构,就变为两个不同共面型EBG垂直级联;也可以将两个共面型EBG均换成Mender-L Bridge EBG结构。

不同共面型EBG结构垂直级联后的抑制频率范围和阻带宽度如表3-11所示。

表3-11 不同共面型EBG结构垂直级联后的抑制频率范围和阻带宽度

3 .FST-EBG 结构

折叠垂直级联型EBG(FST-EBG)结构如图3-59所示,由三部分构成,顶层为Meander Line电源层,中间为折叠式HIS层,底层为接地层。FST-EBG结构是通过折线(Meander Line)EBG结构和高阻抗平面(HIS)垂直级联来实现SSN的抑制,电磁带隙抑制深度为-40dB时阻带范围为750MHz~15.7GHz,带宽达到14.95GHz [57 ,70]

图3-59 FST-EBG结构的侧视图

Meander Line电源层结构单元利用螺旋线来增大各个单元块间的电感。Meander Line电源平面结构单元俯视图如图3-60所示, L =12.4mm, L 1 =1.5mm, W 1 =0.2mm, W 2 =0.1mm, W 3 =0.3mm, W 4 =0.1mm。

图3-60 Meander Line 电源平面结构单元俯视图

折叠式Mushroom结构及其小单元的尺寸如图3-61所示。通过将EBG结构层到接地平面层折叠式的连接,增大之间的电感。另外,在同一个小单元中,只有一个过孔连接到接地平面,这使接地平面也更大限度地保持连续性,有助于提高SI。

图3-61 折叠式Mushroom结构

在图3-61(b)中,对于HIS层,每个小单元由两个孔折叠组合而成, H 1 =0.1mm, H 2 =1mm, G =0.1mm, p =3mm, g =0.65mm, h 1 =0.4mm, h 2 =0.4mm, a =0.2mm。测试所用的折叠Mushroom结构的外围尺寸为20mm×20mm×1.1mm。

4 .高介电常数垂直级联型EBG 结构

虽然不同尺寸EBG结构的垂直级联使用能够拓宽带隙宽度,但是带隙的位置并没有发生改变,会造成带隙的分割,不能形成一个完整的带隙。由于SSN是连续的宽频噪声,因此垂直级联型EBG结构的设计会受到限制。针对这个问题,垂直级联型Mushroom EBG结构应使用介电常数相对大的介质,拉低两种不同尺寸EBG结构的中心频率,通过改变带隙位置共同构成一个大的频率带隙,不仅拓宽频率带隙,而且能够有效抑制百MHz范围内的SSN传播。一个垂直级联型Mushroom EBG结构 [39] 如图3-62所示,图中单元结构的几何参数为( ε r1 , ε r2 , L 1 , L 2 , L 3 , d 1 , d 2 , d 3 , d 4 ),其中 ε r1 为大小贴片中间介质的相对介电常数, ε r2 为大小贴片与其参考平面中间介质的相对介电常数, L 1 为贴片参考平面的边长, L 2 为小贴片的边长, L 3 为大贴片的边长, d 1 为所有导体平面的厚度, d 2 d 3 d 4 分别为小贴片与上参考平面、两贴片之间,以及大贴片与下参考平面的间距。

图3-62 垂直级联型Mushroom EBG结构的横截面示意图

分别仿真了两种4×5单元阵列的垂直级联型EBG结构,一种为使用普通FR-4介质的垂直级联型Mushroom EBG结构;另一种结构为获得大的贴片电容,在高阻平面和参考平面间使用 ε r =16的介质,并将高阻平面和参考平面间距变小。两种仿真结构的参数分别为(4.4, 4.4, 10mm, 4.75mm, 9.75mm, 0.035mm, 0.1mm, 0.1mm, 0.1mm)、(4.4, 16, 10mm, 4.75mm, 9.75mm, 0.035mm, 0.016mm, 0.268mm, 0.016mm),两种单元结构的长、宽、高尺寸相同。图3-63(a)为测试结构的平面示意图,结构尺寸为50mm×40mm,(0mm, 0mm)位于左下角,端口1、2分别位于(10mm, 20mm)、(40mm, 20mm)。图3-63(b)为高介电常数垂直级联型Mushroom EBG结构的横截面图,在贴片与参考平面间使用 ε r =16的薄介质层,并且将间距减小到0.016mm。

图3-63 结构示意图

由式(6-15)和式(6-16)可知,平行板电容增大为原来的22.7倍,中心频率降低约为原来的1/5,将EBG结构的带隙拉低到低频率位置。

(3-15)

(3-16)

式中, A 为贴片面积; h 为贴片与参考平面的间距; ε 0 为真空介电常数。

EBG结构由于本身的高频噪声抑制特性,不能有效抑制百MHz范围内的噪声。在垂直级联型Mushroom EBG结构中分别使用FR-4材料和 ε r =16的薄介质层。仿真表明,前者不能有效抑制低频范围内的SSN,后者的薄介质层相当于嵌入式电容,为低频噪声提供了低阻抗路径。在-40dB的噪声抑制标准下,噪声抑制带宽为0.02~0.12GHz、0.13~0.26GHz、0.28~0.49GHz和0.72~1GHz。0.125GHz和0.27GHz处的波峰可以通过选择具有合适自谐振频率的电容器来抑制,从而实现连续频率的带隙。

3.6.9 嵌入多层螺旋平面EBG结构

一种基于mushroom EBG的嵌入多层螺旋平面EBG结构如图3-64所示,由于电源层与HIS层之间嵌入两层螺旋平面,所以该结构命名为ESS-EBG(Embedded-Spiral-Shaped EBG)结构。ESS-EBG结构相对于传统的mushroom EBG结构,可以有效地增大电源层与HIS层之间的耦合电容,增大HIS单元的等效电感,进而降低阻带的下截止中心频率,提高阻带的抑制宽度。仿真分析验证该结构具有良好的连续超宽带(Ultra-Wide-Band,UWB)SSN抑制能力,-30dB抑制深度时,阻带范围为0.6~15GHz [55]

图3-64 嵌入多层螺旋平面EBG结构

3.6.10 接地层开槽隔离型EBG结构

1 .接地层开槽隔离型EBG 的结构设计

接地层开槽隔离型EBG结构实例 [71] 如图3-65所示,在电源层使用L-Bridge EBG结构,在接地层使用桥连隔离槽。该结构由电源平面和接地平面组成,在电源平面嵌入9个L-Bridge EBG结构单元,接地平面使用隔离槽分割为模拟地和数字地,模拟地与数字地通过直线型桥结构相连。电源平面如图3-66(a)所示, a = 28.5mm, b =7.5mm, c = 15.2mm, d = 0.2mm, e = 0.55mm。接地平面如图3-66(b)所示,中间为模拟地,隔离槽外为数字地,通过直线型桥结构相连, f =2.3mm, g =23.9mm, h =28.5mm,连接隔离槽的直线型桥结构宽 w =0.2mm。在高速PCB的设计中,使用这样的电源平面/接地平面对即可实现一个低成本的噪声隔离结构。

图3-65 接地层开槽隔离EBG结构示意图

图3-66 接地层开槽隔离型EBG(直线型)

2 .接地层折线型桥连线隔离槽EBG 的结构设计

为了增大桥连线的等效电感,提出了接地层使用折线型桥连线隔离槽的EBG结构。电源平面仍然采用L-Bridge EBG结构,而在接地层隔离槽间使用了折线型桥连线隔离槽结构,如图3-67所示 [71] 。使用折线型桥连线能够增大桥连线的长度,从而有效提高等效电感。其中, f =2.3mm, g =23.9mm, h =28.5mm,折线桥宽度 w =0.2mm。

为了验证接地层使用折线型桥连线EBG结构的噪声抑制效果,设计加工了一个90mm×90mm×0.4mm的双层PCB,使用FR-4介质, ε r =4.4,损耗因子为0.02。电源层和接地层结构如图3-67(a)所示,在电源层采3×3的L-Bridge EBG结构单元,在电源平面加入50Ω集总参数端口1(15mm, 15mm, 0.4mm)、端口2(15mm, 45mm, 0.4mm)、端口3(15mm, 75mm, 0mm)、端口4(75mm, 15mm, 0mm)和端口5(45mm, 15mm, 0mm),用于测试各端口间的 S 参数。

图3-67 接地层开槽隔离型 EBG(折线型)

3 .仿真结果与实测结果 [71]

直线型桥连线开槽隔离型EBG结构的仿真与实测结果分析表明:当噪声抑制深度为-30dB时,在0~10GHz的频率范围内仅在接地层开槽结构的噪声抑制效果很差;L-Bridge EBG结构的阻带为810MHz~4.9GHz,直线型桥连线开槽隔离EBG结构的阻带为520MHz~10GHz。

折线型桥连线开槽隔离EBG结构的仿真与实测结果分析表明:当噪声抑制深度为-30dB时,阻带带宽为220MHz~10GHz,下截止频率下降了约300MHz;且抑制深度有很大提升。测试使用矢量网络分析仪器Agilent N5230A。

4 .折线型桥连线开槽隔离型EBG 结构在平面分割中的应用

在高速模数混合电路的PCB设计中,往往对接地平面的分割采用多种不同的形状。两种常见的隔离槽设计:一是平面分割,二是电源岛。

在电源岛的设计中,可以采用折线型桥连线开槽隔离型EBG结构来抑制噪声,也可以在平面分割中采用本节所提出的EBG结构来抑制噪声,如图3-68所示。在电源平面仍然采用L-Bridge EBG结构单元,而在接地层隔离槽间使用了折线型桥连线结构,隔离槽宽度 h =1.4mm,折线桥宽度 w =0.2mm。使用HFSS 13.0对该结构进行了建模和仿真,从仿真结果可以看出,噪声抑制带宽为500MHz~10GHz,相较于普通的平面分割方式有非常好的噪声隔离效果。可以看出,在EBG结构的接地层使用折线型桥连线隔离槽具有实用性,能够提升高速系统的稳定性和可靠性。

图3-68 在平面分割中采用EBG结构来抑制噪声

3.6.11 狭缝型UC-EBG电源平面

1 .十字狭缝型UC-EBG 电源平面

一个无金属连接导线十字狭缝型UC-EBG电源平面结构 [72] 如图3-69所示,设计尺寸为90mm×90mm,电源平面划分为9个3×3区域,每个区域中切割一个十字狭缝,狭缝宽为1mm,两个十字狭缝周期距离 d =30mm,狭缝距平面边沿距离 g =1mm,在切割形成的中间4个方格中再次切割狭缝,尺寸相同。测试端口位置分别在Port1(52.5mm, 52.5mm)和Port2(82.5mm, 82.5mm)处,介质材料为FR-4, ε r =4.4。

由HFSS仿真得到的 S 参数曲线可知,若以 S 21 <-40dB为阻带截止的标准,则十字形切割UC-EBG板的阻带范围为2.5~7.5GHz。但在0~2GHz范围内,该结构对SSN的抑制效果较差,这是因为十字形切割方法的等效电感较小。

图3-69 十字狭缝型UC-EBG电源平面结构

2 .环形狭缝型UC-EBG 电源平面

一个环形狭缝型UC-EBG电源平面的单元结构和平面结构 [72] 如图3-70和图3-71所示。两个单元金属贴片之间只有一个连接通道,每个单元有两个方环形开口狭缝,狭缝宽度 w =1mm,外部狭缝距单元边沿距离 b =1mm,方形单元宽 a =30mm,两个切割狭缝的开口宽度 g =5mm,内外两个狭缝距离 d =3mm。

图3-70 环形狭缝型UC-EBG电源平面的单元结构

图3-71 环形狭缝型UC-EBG电源平面的平面结构

仿真(为解决仿真软件扫频范围过大时会导致仿真时间过长、内存不足的问题,将仿真频率范围切割为0~6GHz、6~8GHz、8~10GHz 3个区间,且分别进行仿真),结果表明,该EBG电源平面在2.5GHz以上均为阻带,且阻带深度达到-40dB以下,实现了很宽的噪声抑制范围,但是在低频时噪声抑制效果并不明显。

改变参数,对其不同尺寸结构进行仿真,最终得到优化后的参数为: w =0.5mm、 g =1mm、 d =1mm、 a =1mm、 b =1mm。改进后的电源平面和接地平面在1~2GHz时的噪声抑制效果明显好转,但是高于 6GHz 时抑制效果就变差。

3.6.12 嵌入螺旋谐振环结构的电源平面

螺旋谐振环结构是一条印制在介质基板上的金属微带线,形成类螺旋金属环结构,能够利用谐振效应产生一定的噪声抑制带隙。

一个螺旋谐振环结构 [73] 如图3-72所示, a =30mm, b =24mm, g 1 =1mm, g 2 =0.4mm, g 3 =2mm。仿真的基于螺旋谐振环结构的UWB 同步开关噪声抑制电源平面如图3-73所示,PCB层数为两层,噪声激励端口为Port 1(15mm, 15mm),受保护敏感器件隔离区域端口为Port 2(75mm, 105mm)、Port 3(75mm, 15mm)与Port 4(15mm, 105mm)。它们均为未受到螺旋谐振环结构保护的器件区域端口,端口阻抗为50Ω,PCB结构尺寸为90mm×120mm, ε r =4.4,tan δ =0.02,介质高度 h =0.4mm。

仿真结果表明,同步开关噪声抑制深度为-40dB时,阻带范围为0.13~20GHz,抑制带宽达到19.87GHz,有效降低了带隙中心频率;当注入噪声电压为1V时,可将噪声电压抑制到0.25mV;对比UC-EBG结构和Planar EBG结构,在-40dB抑制深度时,抑制带宽分别提高了16.97GHz和17.73GHz。

图3-72 螺旋谐振环结构电源平面结构图

图3-73 螺旋谐振环电源平面仿真结构图 YdiibtwCQQhDKYt9AJk/NQkLiJG1fB2KOUjRRLnr774LwgTep2wVxIs5Pp/N4sdG

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