一种扩展蘑菇型EBG结构阻带带宽的新方法

史凌峰 王海鹏

(西安电子科技大学超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室 西安 710071)

(西安电子科技大学电路CAD所 西安 710071)

1 引言

同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise,SSN)，又称地弹噪声或者是ΔI噪声，是由高速数字电路系统工作时门电路的快速同时开关产生。如果SSN在设计过程中不能被及时发现和抑制，将会导致数字系统产生严重的信号完整性(Signal Integrity, SI)，电源完整性(Power Integrity, PI)以及电磁干扰(Electro-Magnetic Interference, EMI)等问题[1]。所以伴随着数字系统向高时钟频率，高速数据传输速率和低供电电压趋势发展，研究如何有效抑制 SSN的工作对于多层印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)的设计具有重要意义。

早期的研究工作中提出许多抑制SSN的方法，主要包括使用去耦电容[2]，嵌入式电容器[3]，电源层分割和电源岛的方法[4]以及采用差分信令[5]，但是这些方法存在不足：去耦电容由于其存在的等效串联电感只能应用在600 MHz以下低频范围；嵌入式电容存在制作费用和有限阻带带宽的限制；使用分割电源层和电源岛的缺点是破坏了电源平面电流返回路径的连续性，当传输线经过分割层时会使SI严重下降；利用差分信令技术可以提高信号的传输质量，但需要增大 PCB的面积和布线密度，增加制作成本，只适合个别数据率要求特别高的信号布线使用。

目前，文献[6]提出使用蘑菇型(mushroom-like)电磁带隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)结构对高速电路两层平行板电源分布网络中的SSN进行抑制。该EBG结构在阻带内有很好的SSN抑制能力，但阻带带宽较窄。因为多层PCB中SSN分布在一个从直流到 6 GHz的宽频率范围，且信号在EBG结构阻带内传输特性最好[7]，所以增加阻带带宽和降低阻带的中心频率成为研究的重点。叶状(leafy)结构[8]和回旋 L-bridge结构[9]等共面型 EBG结构可以在比较宽的频率范围内抑制SSN，但是单元面积较大。利用阻带不同的共面型单元分别部分阵列刻蚀在电源层和地层[10]或将共面型 EBG 与高阻抗平面(High Impedance Surface, HIS)垂直级联[11]可增加阻带带宽。增加每个EBG单元的过孔数量可扩展阻带带宽[12]，但是其阻带频率位于GHz以上，低频范围内不能起到抑制噪声的作用。HIS添加螺旋平面可降低阻带中心频率[13]，但阻带不连续。

本文通过对蘑菇型 EBG 结构的等效电路进行分析，提出一种扩展EBG结构阻带宽度的方法：插入交指电容(Inter-Digital Capacitor, IDC)法，即把蘑菇型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。使用这种电容可以显著降低下截止频率，提高上截止频率，增大阻带带宽。这种方法具有连续宽阻带、单元面积小等优点。

2 蘑菇型EBG结构和等效电路

图1是蘑菇型EBG结构的典型设计结构，由电源层、地层和HIS组成。HIS单元是由一个金属片和连接金属片到地层的过孔组成。图2表示蘑菇型EBG单元的等效电路[14]，其中L1,C1和C2组成的π型电路表示电源层与HIS层之间的平行板结构的电感和电容，L2表示 HIS层的电感。L3和C4表示电源层与地层之间平行板结构的电感及电容，Lv和C3组成的并联电路表示连接HIS和地层的过孔和两层之间的电容。文献[14]给出了蘑菇型EBG结构的下截止频率fL和上截止频率fH的近似解析式：

图1 蘑菇型EBG结构的典型设计

图2 典型蘑菇型EBG单元的等效电路

3 插入交指电容展宽阻带宽度

从式(1)和式(2)可知，增大等效电容C1可以有效地降低EBG结构阻带的下截止频率，减小等效电感L2可提高阻带的上截止频率，进而展宽阻带带宽。因此为满足实际应用中需要低频、宽阻带抑制SSN的需求，本文通过对蘑菇型 EBG的电源层和 HIS间插入交指电容来提高蘑菇型EBG的阻带性能。

使用插入交指电容方法设计一种新型的蘑菇型EBG结构，这里将其命名为 T型交指电容 EBG(TIDC-EBG)结构。该 EBG 单元的立体结构如图3(a)所示，图3(b)是该EBG单元的侧视图。从图中可以看到，交指电容是由 2N个等间距垂直相同的矩形金属层相互嵌套构成的电容并联组成，其中P1到PN是N个垂直连接到PCB电源层的金属层，G1到GN是N个垂直连接到HIS的金属层，相邻的两金属层作为每个电容的两个极板，相邻金属层之间缝隙填充的介质作为电容介质。通过增加交指的金属层数，可以显著增大并联连接的电容量。在实际PCB加工中，每个金属层可以近似用相互连接的盲孔并排放置构成，盲孔的孔径等于金属片的厚度，盲孔的深度等于金属片的长度。其中盲孔采用激光钻孔技术实现。

本文以IDC取N=1时EBG结构的阻带宽度进行分析。图 3(c)中虚线框内电路表示N=1时 IDC的等效电路，其中CIDC表示IDC两层之间的电容，LP和LG表示IDC中分别连接电源层和HIS的PN和GN层(如图3(b)所示)的电感，L表示两层之间的耦合互感。相对于典型的蘑菇型EBG结构，使用交指电容的 TIDC-EBG结构显著增大电源层与 HIS之间的等效电容C1，且由于 IDC结构使电源层与HIS厚度增大进而使L3增大，根据式(1)可知fL将下移，同时HIS的电感与IDC结构的等效电感LG并联使HIS的实际电感L2减小，根据式(2)可得fH上移。

图3 TIDC-EBG结构的设计

如图3(a)所示，对EBG结构单元的几何参数用以下参数集(p,w,h1,h2,r,ε1,ε2,N,l1,l2,d)表示，其中p表示单元周期，w表示HIS的边长，h1和h2分别是HIS与电源层和地层的距离，r表示过孔的孔径，ε1和ε2分别是HIS与电源层和地层之间介质的相对介电常数，N表示IDC个数，l1和l2分别是T型IDC每一个平面的长度和宽度，d表示IDC中相邻平面之间的间距。

4 仿真结果及分析

为了验证使用IDC方法的有效性，分别设计3种不同参数TIDC-EBG结构的PCB测试板，同时利用平行板电源/地结构和典型的蘑菇型EBG结构进行对比。图3(a)为N=5的TIDC-EBG测试板示意图，所有的测试板面积均为60×40 mm2，端口1和端口2用于测量插入损耗，以测试板左上角为坐标原点，横向为X轴，纵向为Y轴，端口1和端口2的位置分别是(19.9 mm, 9.9 mm)和(19.9 mm,54.9 mm)。其中，测试板TVA是两层平行板电源/地结构，两层之间采用厚度为0.45 mm，介电常数为4.4的FR4材料；测试板TVB是典型蘑菇型EBG结构，参数含义见第3节EBG结构单元，参数为(10 mm, 9.8 mm, 0.05 mm, 0.4 mm, 0.15 mm, 4.4, 4.4)；测试板TVC, TVD和TVE是3种N取不同值时的TIDC-EBG结构，参数含义见第3节EBG结构单元，且参数集分别为(10 mm, 9.8 mm, 5 mm, 0.4 mm,0.15 mm, 4.4, 4.4, 3, 4.95 mm, 9.8 mm, 0.05mm),(10 mm, 9.8 mm, 10 mm, 0.4 mm, 0.15 mm, 4.4, 4.4,1, 9.95 mm, 9.8 mm, 0.05 mm),(10 mm, 9.8 mm, 2 mm, 0.4 mm, 0.15 mm, 4.4, 4.4, 5, 1.95 mm, 9.8 mm,0.05 mm)。

本文采用电磁仿真软件Ansoft HFSS V11对测试板进行插入损耗|S21|仿真，图 4是测试板 TVC的仿真结果，并与测试板TVA和TVB的仿真结果进行比较。从图中可以看出，-30 dB时测试板TVB的阻带为930 MHz到7 GHz，阻带宽度为6.1GHz，而测试板TVC的阻带为290 MHz到7.4 GHz，阻带宽度为7.1 GHz，所以TIDC-EBG结构比典型蘑菇型 EBG结构具有更宽的阻带带宽和更低的下截止频率。图5是改变IDC参数N和l1的两种TIDCEBG结构的测试板TVD和TVE插入损耗仿真结果，从图中可以看出，TVD和TVE抑制SSN能力与TVC的性能接近，根据TVD和TVE的设计参数可知，相比于TVC，TVD的IDC正对面积增大，但IDC个数减小，而TVE的IDC正对面积减小，但IDC个数增大。所以在不降低TIDC-EBG结构性能的情况下，增大IDC设计参数N可使IDC正对面积相应减少，进而降低整个EBG结构的厚度，提高TIDC-EBG结构在高速多层PCB中宽阻带抑制SSN的性能。不过由于使用IDC结构，使得该方法在PCB制作成本上相比于蘑菇型EBG结构有所增加，采用IDC的个数越多，其成本越高。所以需要合理选择IDC的个数及其正对面积，节约PCB的制造成本。

图4 测试板TVA, TVB, TVC插入损耗|S21|仿真图

图5 测试板TVD, TVE插入损耗|S21|仿真图

5 结论

本文基于蘑菇型 EBG结构提出一种新颖的展宽阻带宽度的方法，并设计TIDC-EBG结构，从理论上分析IDC结构提高阻带带宽的原因。通过仿真验证该 EBG 结构可以有效的抑制高速多层印刷电路板中存在的 SSN，并经分析讨论在不改变TIDC-EBG结构性能的情况下，适当增大IDC设计参数N可以降低 EBG结构的厚度，为宽带多层EBG设计方法提供理论参考。

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