一种电磁带隙结构及印刷电路板的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及电路设计技术领域，特别涉及一种电磁带隙结构及印刷电路板。
【背景技术】
[0002] 在高速数字电路系统中，随着系统时钟和信号传输速率的提高，信号切换速度越 来越快，数字1C规模不断扩大，印刷电路板（PCB，Printed Circuit Board)的元件数量和 布线密度均急剧增加，以至于PCB的电磁效应已不能忽略。另外，随着数字系统向低功耗方 向的发展，对供电系统的稳定性要求也越来越高。目前集成电路晶体管尺寸已小至50nm， 供电电压低至〇. 6V，未来晶片的频率将走向10GHz时代。当前，PCB已成为一个高性能的系 统，而不像以往设计，只是将其作为支撑电子元器件的平台。
[0003] 在多层PCB中，通常是由作为电源层和地层的一对平行金属平板来构成供电系 统，为有源器件提供直流电源。当频率很低时，电源层和地层起到了一个大容量去耦电容器 的作用，但在频率较高时，电源层和地层相当于一个平行平板谐振器，在某种意义上也相当 于一个微波贴片天线。谐振时产生的高阻抗，会导致较大的电磁干扰福射，同时也会产生同 步开关噪声（SSN，Simultaneous Switching Noise)，影响高速数字电路中的信号完整性。
[0004] 所述SSN是指PCB上的多个有源器件同时处于开关状态时，产生的瞬间变化的电 流在经过回流路径上存在的电感时形成交流压降，从而引起的噪声，SSN会产生信号完整性 与电磁兼容等问题。在未来传输速率更高、信号切换速度更快、供电平稳性要求更高、集成 度更高和PCB日益小型化的设计中，SSN问题会变得更为严重，因此如何消除高速电路中的 同步开关噪声已成为PCB设计人员必须要面对和攻克的一个重要难题。
[0005] 5G网络预计在2020年实现商用，其峰值速率将达到10GHz，是4G峰值速率的100 倍，因此5G终端产品，如智能手机、数据卡类等，的PCB设计势必需要解决同步开关噪声等 信号完整性和电磁兼容问题。
[0006] 现有技术中，为了抑制SSN，已经提出了很多方案，如在电源与地平面之间增加去 耦电容器，但是，在频率很高时，电容不能再被当作理想的电容看待，电容的寄生参数的影 响不能再被忽略，考虑到电容具有一定的物理尺寸，以及起连接作用的安装焊盘和过孔，其 寄生参数包括一个等效串联电感和一个等效串联电阻，电容的简化模型如图1所示；
[0007] 对电容的高频特性影响最大的是寄生电感Ls和寄生电阻Rs，由图1可知电容的阻 抗Z。和谐振频率f :
[0010] 由上述公式可知，电容器在谐振频率以下时，表现为容性；而在谐振频率以上时， 表现为感性，感性情况下，电容器的去耦作用逐渐减弱；电容器的等效阻抗随着频率的增加 先减小后增大，当处于串联谐振频率时，等效阻抗达到最小值&。由于电容在谐振点的阻抗 最低，所以设计时尽量选用&和实际工作频率相近的电容。
[0011] 一般情况下，尺寸小的电容器电感值较小，容值也小，因而其谐振频率较高，常用 于高频去耦；尺寸较大的电容器，能提供较大的电流，其容值较大，谐振频率较低，只能用作 低频去耦；为了得到较大的容值和较高的谐振频率，通常会把多个小电容并联使用，用来增 大容值，降低等效串联电阻（ESR，Equivalent Series Resistance)和等效串联电感（ESL， Equivalent Series Inductance)。η个相同的电容并联后，等效电容C变为nC，ESL变为 L/n，ESR变为R/n，但谐振频率不变。电源层和地层平面对本身就是一个等效的电容，所以 它也会和在一定频率下呈感性的电容发生并联谐振。去耦电容在谐振频率附近处呈现低阻 抗，可以为返回电流提供更短的路径，从而在一定程度上抑制SSN的传播。
[0012] 但是，由于去耦电容封装本身的寄生电感，使得电容的作用范围十分有限，当工作 频率高于600MHz时，寄生电感会与电容器产生自谐振，限制了频率带宽，因此采用去耦电 容器的旁路技术不能有效地解决高频同步开关噪声问题。 【实用新型内容】
[0013] 有鉴于此，本实用新型实施例期望提供一种电磁带隙结构及印刷电路板，能够实 现在连续超宽频段范围内对同步开关噪声的有效抑制。
[0014] 为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
[0015] 本实用新型实施例提供了一种电磁带隙结构，所述电磁带隙结构包括：非导电基 板、覆盖于非导电基板上下两面的金属板，嵌入在两层金属板中间的非导电基板中的第一 电磁带隙EBG层和第二电磁带隙EBG层；
[0016] 其中，所述第一电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联 构成，所述第二电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联构成。
[0017] 上述方案中，所述非导电基板材料为FR4材料。
[0018] 上述方案中，所述覆盖于非导电基板上下两面的金属板分别为电源层和地层；所 述第一电磁带隙EBG层与电源层相邻，所述第二电磁带隙EBG层与地层相邻。
[0019] 上述方案中，所述第一电磁带隙EBG层的两种不同尺寸的电磁带隙元件与所述第 二电磁带隙EBG层的两种不同尺寸的电磁带隙元件的尺寸不同。
[0020] 上述方案中，所述第一电磁带隙EBG层的两种电磁带隙元件为两种不同尺寸的正 方形金属贴片，所述金属贴片在中心处通过金属过孔和地层相连。
[0021] 上述方案中，所述的第二电磁带隙EBG层的两种电磁带隙元件分别为不同尺寸的 正方形和长方形金属贴片，所述金属贴片在中心处通过金属过孔和电源层相连。
[0022] 上述方案中，所述金属贴片之间有间隙。
[0023] 本实用新型实施例还提供了一种印刷电路板，所述印刷电路板包括上述任一项所 述电磁带隙结构。
[0024] 本实用新型实施例提供的电磁带隙结构包括：非导电基板、覆盖于非导电基板上 下两面的金属板，嵌入在两层金属板中间的第一电磁带隙（EBG，Electromagnetic Band Gap)层和第二电磁带隙EBG层；其中，所述第一电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带 隙元件周期性横向级联构成，所述第二电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周 期性横向级联构成；所述第一电磁带隙EBG层和第二EBG进行纵向级。如此，采用现有常规 PCB制造工艺，通过在电源层和地层之间引入两层电磁带隙结构，在保持电源层和地层均完 整的情况下，实现了连续超宽频段范围内对同步开关噪声的有效抑制，易于实现，降低了设 计成本。
【附图说明】
[0025] 图1为电容的简化模型示意图；
[0026] 图2为本实用新型实施例电磁带隙结构侧视示意图；
[0027] 图3为本实用新型实施例第一电磁带隙EBG层结构俯视示意图；
[0028] 图4为本实用新型实施例第二电磁带隙EBG层结构俯视示意图；
[0029] 图5为本实用新型实施例第一电磁带隙EBG层和第二电磁带隙EBG层纵向级联结 构俯视不意图；
[0030] 图6为本实用新型实施例测试端口的S21的仿真曲线示意图；
[0031] 图7为本实用新型实施例印刷电路板结构示意图。
【具体实施方式】
[0032] 在本实用新型实施例中，所述电磁带隙结构包括：非导电基板、覆盖于非导电基板 上下两面的金属板，嵌入在两层金属板中间的非导电基板中的第一电磁带隙EBG层和第 二电磁带隙EBG层；其中，所述第一电磁带隙EBG层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性 横向级联构成，所述第二电磁带隙E B G层由两种不同尺寸的电磁带隙元件周期性横向级联 构成；所述第一电磁带隙EBG层和第二EBG进行纵向级联。
[0033] 本实用新型实施例中，EBG结构是具有带阻特性的周期性结构，可以采用金属、铁 磁或铁电等材料植入基质材料，或者由多种符合要求的材料周期性排列而成；本实用新型 实施例中，以金属贴片为例，所述EBG结构通过金属贴片周期性排列而成，当电磁波入射到 EBG结构时，金属贴片表面会产生感应电流，电流从一个金属贴片通过金属过孔和地面流到 另一个金属贴片，形成电感；电荷在金属贴片窄缝的边缘以及贴片和地面之间积累形成电 容；所以本实用新型实施例所述EBG结构可以等效为电容电感并联网络。当入射电磁波的 频率等于所述等效网络即EBG结构的谐振频率时，EBG结构和地平面之间的阻抗Z趋于无 限大，形成了高阻抗平面，也就是说当入射电磁波的频率在谐振频率附近时，所述入射电磁 波将被高阻表面阻挡而不能传播，从而达到降低SSN的目的。
[0034] 下面结合附图及具体实施例，对本实用新型电磁带隙结构进行进一步详细的说 明。
[0035] 图2为本实用新型实施例电磁带隙结构侧视结构示意图，本实施例中，所述电磁 带隙结构包括：非导电基板21、覆盖于非导电基