专利名称：一种小型化的嵌入蛇形桥平面电磁带隙结构及其构建方法
技术领域：
本发明涉及ー种小型化的嵌入蛇形桥平面电磁带隙(Electromagnetic Bandgap,简称EBG)结构及其构建方法，属于高速电路微波技术领域。提出的EBG结构每个单元格的尺寸为15mmX 15mmX0. 36mm，根据测试结果，该结构可以在O. 97GHz到21. 54GHz的频段内抑制高速电路电源配送网络(Power DistributionNetwork,简称F1DN)的同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise,简称 SSN)。
(ニ)背景技术
根据2008 国际半导体技术蓝图(International Trend Roadmap ofSemiconductors，简称ITRS)发布的报告可知，电子系统正朝着更高的工作频率、更低的エ作电平、更小的尺寸、更低的成本以及高频时更快的瞬时电流的方向发展。这些日益增长的趋势，使得电子系统越来越难以承受来自系统内或系统外的噪声，也就加剧了 PDN设计面临的考验。PDN设计过程中主要关注电源完整性(Power Integrity，简称PI)和信号完整性(Signal Integrity,简称SI)两类问题。解决问题的关键在于对PDN噪声的抑制效果。PDN噪声的主要来源是SSN，它起源于数字电路中大量开关同时在高低电平间快速切換，因为能在电源/地平面对之间传播，因此会影响整个系统的电源完整性和信号完整性。通常来讲，消除SSN有两种方式。第一种方式是通过在芯片、封装和PCB三个层次上引入去耦电容以保持PDN在很广的频率范围内具有非常低的阻杭。理想情况下，这种方式是最有效的，因为低阻抗的PDN可以快速提供三极管跳变时所需的瞬态电流，同时，也可以抑制噪声在整个I3DN上传播。然而实际中，由于在使用去耦电容时不可避免地会引入串联电感，这导致了用以旁路高频噪声的去耦电容是带限的，在高于谐振频率的频带内，去耦电容只具有感性而失效。另ー种方式是采用隔离的方法将TON的局部維持在高阻抗以削減SSN的传播。典型的隔离方式包括在电源或地平面上蚀刻缝隙或EBG图案。这种方法能有效地防止SSN传播到整个PDN平面，并且有助于解决EMI和RFI问题。目前，用于抑制SSN的平面EBG结构设计主要关注两个方面。ー是阻带带宽的展宽，这是因为数字电路的开关噪声将覆盖越来越大的频率范围。ニ是小型化技术，这是由封装内系统(System in Package,简称SiP)和片上系统(System on Chip,简称SoC)两大技术向更小尺寸发展的趋势所决定的。
发明内容
I.发明目的电路电源配送网络(H)N)中的噪声逐渐延伸到特高频(SHF，3_30GHz)的频率范围内，去耦电容和传统EBG结构目前并不能很好地在如此高的频段内工作；而且，由于电子系统小型化的发展趋势，传统EBG结构的较大尺寸(30mmX30mm)的单元格在某些情况下可能不再适用。基于此，本发明提出ー种小型化的嵌入蛇形桥平面电磁带隙结构及其构建方法，以满足単元尺寸小、阻带带宽大、下截止频率小、制作成本低的要求。
2.技术方案(I)本发明ー种小型化的嵌入蛇形桥平面电磁带隙结构，该结构是由ー个EBG单元沿X、Y方向在ニ维平面上周期性延拓形成的3X 3EBG结构，每个EBG单元由三层构成，自上而下依次是蚀刻成EBG形式的电源层(以下简称EBG电源层，并定义具有该层形状的平面为EBG平面)、介质层和完整的地层，如图I所示。EBG电源层、地层均为厚度为I. 2mil (约O. 0305mm)的铜片，平面尺寸为1 5mm X 1 5mm η介质层是15_Χ 15_Χ O. 36mm的矩形块,材料是普通的FR-4介质，其介电常数为4. 3，损耗角正切为O. 02。
EBG电源层蚀刻的样式(图2)是该发明的重点，我们所强调的创新点也正是体现在単元EBG平面的样式和各參数的尺寸上，下面做详细介绍。为便于叙述，定义每个单元EBG电源层的中心部分的金属片为中心板(图3)，连接两两单元的蛇形微带线为桥(图4)。EBG平面是中心対称的周期单元图形，它由ー块中心金属片(中心板)和四个连接两两单元的蛇形微带线构成，蛇形微带线是嵌在两两中心板间的。如图3所示，中心板最大边沿尺寸(L3)为14mm,小于姆个EBG单元的边长(L1) 15mm,所以两两单元连接时,两个中心板是分离的。桥形状特别，是一条蜿蜒的微带线。如图4所示，定义平行X方向的微带线为臂，平行于Y方向的微带线为连臂，则本发明中共有7条臂、6条连臂。每个单元中共有四个半桥，其中的任意ー个半桥绕中心板的中点旋转90°、180°、270°，可依次得到其余三个半桥。并且，每个半桥都是不连续的，只有当两个单元连起来吋，两个半桥接在一起，才能恰好形成一条连续的蛇形微带线，连通两个中心板。由
图1-4，EBG结构厚度(H)、单元EBG平面边长(L1),中心板一边到中间缺ロ的距离(L2)、中心板最大边沿尺寸(L3)、蛇形微带线的始末两端沿X方向的距离(し4)、微带线的宽度(W)、中心板到单元EBG边沿的距离(G1X臂与中心板的间距(G2)、连臂与中心板的间距(G2)、臂与臂的间距(G3)如下，H=O. 36mm, L1=ISmm, L2=4. 9mm,L3= 14mm,し=5mm，W=O. 2mm，G1=O. 5mm，G2=O. 5mm，G^=O. 3mm。(2)设计基础I)理论基础——谐振理论平面EBG结构每个单元本身的谐振效应在带隙的形成中起主要作用。只要周期性EBG単元尺寸比其上传播的信号波长小得多，EBG単元就可等效为局部谐振特性比较强的并联LC谐振电路。因为单元谐振时电抗无穷大，EBG结构便可以阻止谐振频率附近的电磁波传播，从而形成频率带隙，即阻帯。不失一般性，将平面EBG结构单元等效为如图5所示的电路模型。EBG单元中的半桥等效为电感Lb，中心板等效为串联的的两个π型电路，半个中心板的电容、电感分别用Cp和Lp表示，则阻带的上下截止频率故与fH)由下式决定
权利要求
1.ー种小型化的嵌入蛇形桥平面电磁带隙结构，其特征在于它是由ー个EBG単元沿X、Y方向在ニ维平面上周期性延拓形成的3X3EBG结构，每个EBG单元由三层构成，自上而下依次是蚀刻成EBG电源层、介质层和完整的地层，EBG电源层、地层均为厚度为I. 2mil的铜片，平面尺寸为15mmX 15mm ;介质层是15mmX 15mmX0. 36mm的矩形块,材料是普通的FR-4介质，其介电常数为4. 3，损耗角正切为O. 02 ； EBG平面是中心対称的周期单元图形，它由ー块中心金属片即中心板和四个连接两两単元的蛇形微带线构成，蛇形微带线是嵌在两两中心板间的，中心板最大边沿尺寸为14mm，小于每个EBG単元的边长15mm，两两单元连接时，两个中心板是分离的，桥形状是一条蜿蜒的微带线，定义平行X方向的微带线为臂，平行于Y方向的微带线为连臂，则它共有7条臂、6条连臂，每个单元中共有四个半桥，其中的任意ー个半桥绕中心板的中点旋转90°、180°、270°，依次得到其余三个半桥；并且，每个半桥都是不连续的，只有当两个单元连起来时，两个半桥接在一起，才能恰好形成一条连续的蛇形微带线，连通两个中心板。
2.—种小型化的嵌入蛇形桥平面电磁带隙结构的构建方法，其特征在于该方法具体步骤如下 步骤ー在确定了使用7条臂的蛇形微带线的前提下，使用传输线法，在Agilent-ADS中建立EBG结构的电路模型，使用S參数仿真，扫描优化，大致确定平面EBG单元各參数的尺寸； 步骤ニ在Ansoft-HFSS中建立ー个EBG单元的三维模型，该模型由三层构成，自上而下依次是EBG电源层、介质层和完整的地层，EBG电源层、地层均为平面，尺寸为15mmX 15mm,边界条件设置为理想金属导体即Perfect E;介质层是尺寸为.15mmX 15mmX0. 36mm的矩形块，材料为普通的FR-4,其介电常数为4. 3,损耗角正切为.O.02 ;此外，基于步骤一得到的初歩結果，设置单元EBG平面各參数的尺寸； 步骤三在Ansoft-HFSS中建立3X3单元格的EBG结构模型，设置端ロ，仿真测试两端ロ间的传输系数S21，并结合參数扫描，优化EBG结构各參数尺寸；基于步骤ニ中建立的单元EBG模型，再向X和Y方向延拓得3X3单元格的EBG结构模型，在设计过程中设置了两个端ロ，假定EBG结构的左下角为坐标原点，则端ロー、端ロニ的中心坐标分别在(22. 5mm,.22. 5mm), (7. 5mm, 7. 5mm)上，激励源选择集总端ロ即Lumped Port ;在EBG结构之外设置一个大的空气盒子，该盒子外壳的每个平面到EBG结构的距离都不能小于10mm，其边界条件设置为辐射边界条件即Radiation ;频率扫描范围设置为40MHz - 40GHz ;添加參数扫描设置，分别对蛇形微带线始末两端沿X方向的距离(L4)、微带线的宽度(W)、臂与臂的间距(G3)參数做扫描，观察S21曲线变化情況，找到满意的仿真結果，即抑制带宽大、下截止频率低的阻带特性，从而确定满意的EBG结构的各參数尺寸；最終确定的EBG结构的S21仿真結果，该EBG结构在I. lOGHz-21. 53GHz和21. 92GHz_36. 17GHz的范围内抑制深度可达30dB以上；同吋，为了证明提出的EBG结构确实可以起到抑制SSN的作用，需要在HFSS中建立ー个对照板，即将EBG电源层替换为普通的完整金属平面，其它參数及端ロ位置均保持不变； 步骤四制做EBG板，并用矢量网络分析仪VNA测试该电路板实际抑制电源噪声的性能；制作的EBG板由三层构成，自上而下依次是EBG电源层、介质层和完整的地层，EBG电源层、地层均为平面，尺寸为45mmX45mm ;介质层是尺寸为45mmX45mmX0· 36mm的矩形块，材料为FR-4，其介电常数为4. 3，损耗角正切为O. 02 ;单元EBG平面是中心对称图形，它的中心板形状规整，最大边沿尺寸(L3)为14mm，桥是一条蜿蜒的微带线，蛇形微带线的始末两端沿X方向的距离(L4)、微带线的宽度(W)、臂与中心板的间距(G2)、连臂与中心板的间距(G2)、臂与臂的间距(G3)如下，L4=5mm, W=O. 2mm, G2=O. 5mm, G3=O. 3mm ;依照步骤三中所述的端ロ位置，在电路板上打通孔，将SMA接头的底座焊接在EBG平面，SMA接头的探针焊接在地平面，务必注意不要让探针与EBG平面接触，以防短路，影响测试结果；这里指定端ロ 一(22. 5mm, 22. 5mm)为激励源端ロ，端ロニ(7. 5mm, 7. 5mm)为接收端端ロ ；使用VNA进行测试，扫描频率设置为40MHZ-26. 5GHz，测试结果直接由GPIB卡读出，同吋，为了证明提出的EBG结构确实起到抑制SSN的作用，需要加工一个对照板，即将EBG电源层替换为普通的完整金属平面，其它參数及端ロ位置均保持不变。
3.根据权利要求I所述的ー种小型化的嵌入蛇形桥平面电磁带隙结构，其特征在于该EBG结构厚度(H)、単元EBG平面边长(L1),中心板一边到中间缺ロ的距离(L2)、中心板最大边沿尺寸(l3)、蛇形微带线的始末两端沿X方向的距离(l4)、微带线的宽度(W)、中心板到単元EBG边沿的距离(G1)、臂与中心板的间距(G2)、连臂与中心板的间距(G2)、臂与臂的间距(G3)如下，H=O. 36mm, L1=ISmm, L2=4. 9mm, L3=14mm, L4=5mm, W=O. 2mm, G,=0. 5mm, G2=O. 5mm,G3=O. 3mm。
全文摘要
一种小型化的嵌入蛇形桥平面电磁带隙结构，它自上而下分别为EBG电源层、介质层和地层。EBG电源层和地层的材料是铜，介质层的材料是普通的FR-4。本发明在传统平面EBG结构的基础上，缩小了单元格的尺寸和中心板的面积，以减小其电容电感，使得阻带带宽变大。提出的EBG结构每个单元格的尺寸为15mm×15mm×0.36mm，根据测试结果，该结构可以在0.97GHz到21.54GHz的频段内抑制高速电路电源配送网络的同步开关噪声。其构建方法有四大步骤步骤一，在ADS中建模，仿真优化得EBG单元的大致尺寸；步骤二，利用上述尺寸，在HFSS中建立EBG单元的模型；步骤三，建立3×3单元格的EBG模型，设置端口，参数扫描得最终尺寸；步骤四，制板并用VNA测试板子的抑制性能。
文档编号H01P1/20GK102694221SQ201210177110
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者王彦盛, 石国昌, 阎照文, 马志才 申请人:北京航空航天大学