专利名称：一种小型化的c型凹槽平面电磁带隙结构的制作方法
技术领域：
本发明属于高速电路、电磁场与微波技术领域，具体涉及一种小型化的C型凹槽平面电磁带隙(Electromagnetic Bandgap,简称EBG)结构，该结构可以作为电源地平面,用于抑制高速电路中从数百MHz到数GHz的电源噪声。
背景技术：
1999年D.Sievenpiper首次提出了蘑燕型EBG结构并用于天线领域表面波的抑制。2002 年，R.Abhari^PIG.V.Eleftheriades 第一次将 D.Sievenpiper 提出的蘑燕型EBG结构应用于抑制高速电路中的同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise,简称SSN)。同年,Telesphor Kamgaing和Omar M.Ramahi发表了类似的研究成果,进一步验证了 EBG电源地平面抑制高速数字系统噪声的可行性。2004年，Tzong-Lin Wu等人提出将平面EBG结构应用在高速电路噪声抑制中。随之，国内外许多研究者对EBG电源地平面进行了更加深入的分析和研究，并提出了多种不同的EBG结构。随着现代电子系统集成度和工作速度的提高，高速电路产生的SSN频谱分布从MHz提升到了 GHz频段，传统的去耦电容技术已不能满足噪声抑制的需要，必须寻求合适的方法进行噪声抑制。EBG结构可以在GHz频段产生电磁带隙(阻带)，从而有效抑制SSN。目前，国内外用于高速电路电源地平面抑制噪声的EBG结构大致可分为三类:
(I)嵌入型EBG结构
最早的嵌入型EBG结构即是D.Sievenpiper提出的蘑菇型EBG结构。2004年，S.Shahparnia和0.Μ.Ramahi采用三种不同的蘑菇型EBG结构级联来抑制SSN。2006年，J.Park等人在蘑菇形EBG结构的基础上提出一种双叠型EBG结构。2007年，张木水等人在蘑菇型EBG结构基础上将单一过孔 改变为多个过孔，拓宽了噪声抑制的阻带带宽，2012年，Chuen-De Wang等人分析了过孔的位置对多孔蘑燕形EBG结构阻带带宽的影响。(2)平面型EBG结构
由于嵌入型EBG结构需要在电源地平面之间增加一层金属层和额外的过孔，工艺复杂、成本较高，因此平面型EBG结构在低成本方面更具优势。典型的平面型EBG结构电源地平面是台湾大学吴宗霖教授在2004年提出的LPC-EBG结构。同年，J.Choi等人也提出阻抗可变的平面EBG结构。为了展宽平面EBG的阻带带宽，吴宗霖等人又于2005年提出了一种新型的具有L型桥型连接线的平面EBG结构。2006年，J.Qin等人采用蜿蜒线来替代L型桥型连接线，进一步增加了桥型连接线的电感，展宽了平面EBG阻带带宽。此外，国内外研究人员还提出了多种新颖的平面EBG结构。(3)混合型EBG结构
所谓的混合型EBG结构就是将一种平面型EBG结构和另一种嵌入型EBG结合起来构成新的EBG结构，或者通过集总电容电感元件用于上述两大类EBG结构实现。为了提高贴片电容和电感，W.McKinzie和K.H.Kim等人分别提出了带有集总电容元件和带有集总电感元件的平面EBG结构。2006年吴宗霖等人提出一种光子晶体电源地平面结构，并又于2007年采用高介电常数柱和低介电常数柱构成了人工介质形式的混合型EBG结构。此外，还有将传统蘑菇型EBG结构和平面型EBG结构结合起来构成的混合型EBG结构等等。综上所述，平面EBG结构仅在电源平面或者地平面上周期刻蚀设计好的平面EBG单元，因此具有制造简单、工艺兼容、加工成本低等优点，得到了国内外学术界和产业界的广泛关注和应用研究。平面电磁带隙结构的研究难点主要集中在噪声抑制阻带的展宽、阻带下截止频率的下移以及应用到封装电路中的小型化技术等方面，其中小型化技术方面的研究相对较少，且随着电子系统朝着高集成度的趋势发展，小型化设计显得尤为重要。目前已公开的小型化平面EBG结构主要有采用高介电常数薄膜的小型化平面EBG结构和增加桥型连接线寄生电感的小型化平面EBG结构，前者成本增加，后者小型化的效果不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于基片集成人工介质(Substrate IntegratedArtificial Dielectric, SI AD)的新型小型化的C型凹槽平面EBG结构，由其构成电源地平面，可以实现在噪声抑制阻带频率范围不变的基础上C型凹槽平面EBG单元面积减小50%以上。实现本发明目的的技术解决方案为:一种小型化的C型凹槽平面电磁带隙结构，包括电源层、介质层和接地层，接地层上方为介质层，介质层上方为电源层；在电源层上周期性地印制中心金属贴片、刻蚀C型凹槽、印制金属细方环和金属细线桥；每个C型凹槽的外围均设有金属细方环，金属细方环的一边中心处通过金属细线桥连接到金属贴片上；在金属贴片正下方周期性地打上金属柱阵列，金属柱的底层和接地层相连接，金属柱的顶层和电源层之间存有间距。本发明与现有技术相比，其显著优点:本发明的小型化的C型凹槽平面EBG结构，利用SIAD结构有效地增加了 C型凹槽平面EBG介质层的等效介电常数，从而有效实现了 C型凹槽平面EBG结构的小型化。
图1所示的是本发明中所使用的C型凹槽平面EBG结构的一个周期单元。图(a)一个周期单元俯视图，图(b) —个周期单元的设计参数标注图。图2所示的是根据本发明提出的一种小型化的C型凹槽平面EBG结构周期单元。图(a)—个周期单元俯视图，图(b)—个周期单元的横截面图。图3所示的是根据本发明提出的电源地平面结构(3X3单元)俯视图。图4所示的是没有小型化的C型凹槽平面EBG结构和根据本发明提出的小型化的C型凹槽平面EBG结构的色散图，图(a)小型化之前平面EBG的色散图，图(b)小型化之后平面EBG的色散图。图5所示的是本发明所使用的C型凹槽平面EBG结构和根据本发明提出的小型化C型凹槽平面EBG结构内部端口之间的插入损耗对比图。
具体实施方式
本发明方案是在传统两层电源地平面结构的电源层上周期性地刻蚀所设计的C型凹槽平面EBG单元样式(如图1所示)，而接地层保持完整，其单个周期单元的俯视图如图1所示，每个C型凹槽平面EBG电源地平面结构的周期单元从上到下分别是电源层、介质层和接地层。在C型凹槽平面EBG周期单元的介质层中周期性地打上金属柱阵列(SIAD结构)(单元俯视图和截面图如图2所示)是该发明的重点，也是创新之处。以下结合附图和具体实施方式
对本发明小型化平面电磁带隙结构作详细说明。本发明结构由下到上分别是接地层、介质层和电源层，其中接地层是完整的平面，电源层上周期性地刻蚀设计好的C型凹槽平面EBG单元，单个周期单元的俯视图如图1所示，即在电源层上周期性地印制中心金属贴片、刻蚀C型凹槽、印制金属细方环、金属细线桥，C型凹槽的外围是金属细方环，金属细方环的一边中心处通过金属细线桥连接到金属贴片上。在每个EBG周期单元的介质层中周期性地打上金属柱阵列，其俯视图和截面图如图2所示。由于本发明在已有C型凹槽平面EBG周期单元中打上周期排列的金属柱(即SIAD结构)可以显著提高介质层的有效介电常数，使得C型凹槽平面EBG结构的周期单元面积大幅减小。实施例:结合图1至图5以阻带频率范围为400MHZ-2.1GHz的C型凹槽平面EBG结构的电源地平面为例，详细说明本发明结构的具体实施方式
。按下列参数在2层印刷电路板顶层印制金属贴片[I]、刻蚀C型凹槽[2]、印制金属细方环[3]和金属细线桥[4]以及在该印刷电路板底层全部覆铜，实现C型凹槽平面电磁带隙结构，其周期单元的周期大小p=20mm, C型凹槽[2]的缝隙宽度S=Imm,金属细方环的宽度W1=0.2mm,金属细线桥[4]的宽度wb=0.4mm,长度lb=6mm ;介质层[7]中6X6金属柱[5]的高度为h2=l.4mm,金属柱顶层和电源层[6]之间的间距Ii1=0.2mm,金属柱的直径d=lmm,金属柱周期p=3mm。介 质层[7]采用FR4介质，相对介电常数为4.4,介质的损耗角正切为0.02，厚度为IiJh2=L 6mm ;整个小型化平面EBG结构的电源地平面结构是由3 X 3个正方形周期单元组成的。金属贴片[9]、[10]的右下角处作为测试本发明的噪声抑制阻带的输入输出端口 I和端口 2。原没有加入金属柱阵列[5]的C型凹槽平面电磁带隙结构周期单元的周期大小p=30mm,其他结构尺寸和材料参数均和上述引入SIAD结构的小型化平面EBG结构相同。相比没有加入金属柱阵列[5]的C型凹槽平面电磁带隙结构，本发明方案的周期单元面积减少了 56%。
权利要求
1.一种小型化的C型凹槽平面电磁带隙结构，其特征在于:包括电源层[6]、介质层[7]和接地层[8]，接地层[8]上方为介质层[7]，介质层[7]上方为电源层[6];在电源层[6]上周期性地印制金属贴片[I]、刻蚀C型凹槽[2]、印制金属细方环[3]和金属细线桥[4];每个C型凹槽[2]的外围均设有金属细方环[3],金属细方环[3]的一边中心处通过金属细线桥[4]连接到金属贴片[I]上；在金属贴片[I]正下方周期性地打上金属柱阵列[5]，金属柱的底层和接地层[8]相连接，金属柱的顶层和电源层[6]之间存有间距。
2.根据权利要求1所述的小型化的C型凹槽平面电磁带隙结构，其特征在于:介质层[7]的材料为 FR4、Roger R03003、Roger R04003 或 RogerRT/duroid 5870 介质。
全文摘要
一种小型化的C型凹槽平面电磁带隙结构，在传统两层电源地平面结构的电源层上周期性地刻蚀所设计的C型凹槽平面EBG单元样式，而接地层保持完整，每个C型凹槽平面EBG电源地平面结构的周期单元从上到下分别是电源层、介质层和接地层，在C型凹槽平面EBG周期单元的介质层中周期性地打上金属柱阵列。本发明利用SIAD结构有效地增加了C型凹槽平面EBG介质层的等效介电常数，从而有效实现了C型凹槽平面EBG结构的小型化。
文档编号H05K1/02GK103237408SQ20131013345
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者唐万春, 陈如山, 施永荣, 刘升, 王橙, 饶欣, 黄承, 沈来伟, 朱建平 申请人:南京理工大学