一种新型多周期平面电磁带隙结构

史凌峰 张 颖 王海鹏 张 科

（1.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，陕西 西安 710071；2.西安电子科技大学电路计算机辅助设计（CAD）所，陕西 西安 710071）

引 言

随着现代互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的发展，尤其是系统时钟频率和脉冲边沿转换速率的增加，以及电源供给电压和噪声容限的减小，如何抑制电源或地平面上的同步开关噪声（SSN），即地弹噪声（GBN），成为高速电路设计中的一个瓶颈。在过去的十多年中，研究人员一直在通过各种不同的方法来抑制SSN，从而维持一个无噪的电源分配系统（PDS），其中，最典型的方法是使用去耦电容。然而当系统工作在高频时，由于去耦电容的固有导线电感的存在，使得这种方法不再有效。

EBG结构是由Sievenpiper首先提出用于在天线应用方面对表面波进行抑制［1］。由于EBG结构具有在一定带宽范围内禁止电磁波传播的特性，近年来其被广泛应用于在电源平面上抑制SSN.在EBG结构研究初期，研究者常常采用蘑菇型EBG结构［2-6］，然而这种带有埋孔的多层EBG结构在传统的PCB制造工艺下，增加了制造的难度和成本。随着平面EBG结构的提出，其由于具有简单、平面、低损耗和易加工等优点而受到特别的关注［7-8］。平面EBG结构由于受自身谐振特性的限制，往往带隙宽度较窄，带宽上的瓶颈在一定程度上限制了其应用的范围，使其应用往往局限于窄带器件和电路。现在越来越多的研究关注于扩展平面EBG结构的带隙宽度，但其中大部分仅局限于通过增大单元结构的桥接连线来实现［9-11］。

作者提出一种适用于在高速电路中有效抑制SSN的新型多周期平面EBG结构，在抑制深度为-30dB时，其阻带范围为0.7～8.4GHz，阻带宽度为7.7GHz，相对于传统平面EBG结构，其带隙宽度有较为明显的展宽，为展宽平面EBG结构的带宽提供一种新方法，并通过时域仿真验证该结构具有较好的信号完整性。

1.传统平面EBG结构的原理和等效电路

与蘑菇型EBG结构在电源层和地层之间内嵌周期性结构不同，平面EBG结构是在电源层的金属表面上光刻或腐蚀出周期性结构。通过对单元结构的特殊设计，使其单元可等效为局域谐振特性比较强的并联电感电容（LC）电路，以增加单元的谐振性能，然后利用单元谐振时阻抗无穷大的特性，阻止谐振频率附近的电磁波传播，形成频率带隙［10］。传统平面EBG结构单元及参数（d，l，w，p1，p2）如图1所示。

每个结构单元可由如图2所示的等效电路表示［5］。该等效电路包含两个部分:第一部分通过EBG结构单元金属方块的等效电感Lp和等效电容Cp描述了单元金属块与地平面之间的传播特性；第二部分则描述了两个相邻单元之间的连接特性，其中Lb为对应桥接连线的等效电感，Cb为桥接连线的等效电容，Cg为两个相邻单元之间的等效间隙电容。该带阻结构的输入阻抗可表示为式（1）。

当Zin趋于无穷大时，可以得到截止频带的中心频率如式（2）所示。

带隙宽度可由自由空间的波阻抗η和输入阻抗Zin之间的关系推导出，如式（3）所示。

2.新型多周期平面EBG结构

2.1 结构模型设计

对于周期不同的平面EBG结构，由于其结构单元的大小以及相邻单元对应桥接连线长短的不同，其各自对应的Cg、Lb均不相同，所以其截止频带的中心频率以及带隙宽度也均不相同。因此，可以将周期不同的两种平面EBG结构看作两个特性参数不同的带阻滤波器。而根据滤波器理论，两种带宽不同的带阻滤波器级联后总的抑制频带是其各自抑制频带的并集。这种方法在扩展蘑菇型EBG结构的带隙带宽时具有较为明显的效果［12-13］。作者提出的EBG结构正是基于上述理论，对两种不同周期的平面EBG结构进行级联而形成的一种新型多周期平面EBG结构，从而展宽平面EBG结构的带隙带宽。

图3和图4分别为作者设计的带有多周期平面EBG结构的两层PCB模型的俯视图和立体图，模型尺寸为60mm×120mm×0.4mm，在电源平面和地平面之间采用了厚度为0.4mm，相对介电常数为4.4的FR4介质材料。如图4所示，该EBG结构左侧为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（d，l，w，p1，p2）分别为，小周期:（15mm，4mm，1mm，1mm，1 mm），大 周 期:（30mm，10mm，1mm，1mm，1 mm），而大小周期平面EBG结构通过16mm×1 mm的级联桥接连线相连。

2.2 模型仿真与结果分析

为了验证该新型结构的带隙特性，以图4的左下方为坐标原点，在电源平面上添加3个50Ω集总同轴端口，其中输入端口1坐标为（7.5mm，7.5 mm），输出端口2和3坐标分别为（112.5mm，52.5 mm），（112.5mm，7.5mm）。图5为新型EBG结构与组成新结构的两种传统平面EBG结构的插入损耗（S21）特性曲线对比，其中大周期和小周期的两种传统平面EBG结构的模型尺寸与新型EBG结构相同，也为60mm×120mm×0.4mm.通过仿真结果可以看出: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.新型EBG结构相比于这两种传统平面EBG结构阻带宽度分别增加2.1GHz、1.2 GHz，其带隙宽度有较为明显的展宽，并且从这三种结构的阻带范围来看，也很好地验证了平面EBG结构级联扩展带宽的可行性和效果。

图5 新型EBG结构与两种传统平面EBG结构对比曲线图

图6是在相同激励下，新型EBG结构中不同位置处的SSN抑制特性。可以看出:从端口1分别到端口2和端口3的插入损耗特性曲线基本一致，这也就意味着新型EBG结构能够全向消除电源平面上的SSN，即验证了作者提出的新型结构的有效性。

图6 多周期平面EBG结构S21和S31参数比较

2.3 信号完整性分析

为了对该新型结构的传输特性进行时域分析，作者建立如图7所示的四层PCB结构模型。其中上下两层为信号层，中间两层分别为电源层和地层，而电源层即为新型多周期平面EBG结构。该PCB模型层间距为0.4mm，整体尺寸为60mm×120 mm×1.2mm.信号沿着60mm的信号线从顶层通过过孔传播到底层，再由过孔返回到顶层，信号线端口阻抗为50Ω.作者通过Ansoft Designer对Ansoft HFSS仿真得到的S参数矩阵进行眼图分析。在Ansoft Designer中通过一信号源产生210-1的伪随机二进制码，数据传输速率为2GHz，上升和下降时间均为125ps，信号幅值为0.5V，源端阻抗为50Ω.仿真该结构产生的眼图如图8所示，其中眼高为396mV，眼宽为471ps.从图中可以看出带隙内信号的输出波形平滑，扰动较小，具有较好的信号完整性。

3.结 论

作者通过对传统平面EBG结构的原理及等效电路分析，根据不同周期平面EBG结构所具有的不同带隙特性，提出一种新型多周期平面EBG结构。在抑制深度为-30dB时，阻带范围为0.7～8.4 GHz，阻带宽度为7.7GHz，实现较宽的阻带宽度，为展宽平面EBG结构的禁带带宽提供一种新的方法，并通过时域仿真验证该结构具有较好的信号完整性。

［1］SIEVENPIPER D，ZHANG L J，ROMULO F，et al.High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1999，47 （11）:2059-2074.

［2］SHAHPARNIA S，RAMAHI O M.Electromagnetic interference （EMI）reduction from printed circuit boards（PCB）using electromagnetic bandgap structures［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2004，46（4）:580-587.

［3］KAMGAING T，RAMAHI O M.A novel power plane with integrated simultaneous switching noise mitigation capability using high impedance surface［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2003，13（1）:2123.

［4］张丰敏，杜正伟，王 蔷，等.一种展宽电磁带隙结构的带隙带宽的新方法［J］.电子学报，2007，35（6A）:74-77.ZHANG Fengmin，DU Zhengwei，WANG Qiang，et al.A novel method to broaden the bandwidth of ebg structure［J］.Acta Electronica Sinica，2007，35（6A）:74-77.（in Chinese）

［5］陈 曦，梁昌洪，苏子剑，等.一种新型的双带电磁带隙结构［J］.电波科学学报，2009，24（5）:860-865.CHEN Xi，LIANG Changhong，SU Zijian，et al.Novel dual-band electromagnetic bandgap structure［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（5）:860-865.（in Chinese）

［6］陈 曦，梁昌洪，刘松华，等.级联电磁带隙结构对双频微带天线互耦的影响［J］.强激光与粒子束，2010，22（10）:2383-2387.CHEN Xi，LIANG Changhong，LIU Songhua，et al.Effect of cascaded mushroom-like EBG structure on multual coupling of dual-band microstrip antenna［J］.High Power Laser and Particle Beams，2010，22（10）:2383-2387.（in Chinese）

［7］WU T L，LIN Y H.CHEN S T.A novel power plane with low radiation and broadband suppression of ground bounce noise using photonic bandgap structures［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2004，14（7）:337-339.

［8］WU T L，LIN Y H，WANG C C，et al.Electromagnetic bandgap power／ground planes for wideband suppression of ground bounce noise and radiated emission in high-speed circuits［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53（9）:2935-2942.

［9］QIN J，RAMAHI O，GRANATSTEIN V.Novel planar electromagnetic bandgap structures for mitigation of switching noise and EMI reduction in high-speed circuits［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2007，49（3）:661-669.

［10］刘 涛，曹祥玉，马嘉俊.一种新型紧凑宽带平面电磁带隙结构［J］.电子与信息学报，2009，31（4）:1007-1009.LIU Tao，CAO Xiangyu，MA Jiajun.A novel compact wideband planar electromagnetic band-gap structure［J］.Journal of Electronics and Information Technology，2009，31（4）:1007-1009.（in Chinese）

［11］JOO S H，KIM D Y，LEE H Y.A S-bridged inductive electromagnetic bandgap power plane for suppression of ground bounce noise［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17（10）:709-711.

［12］CHIAU C C，CHEN X，PARINI C G.A microstrip patch antenna on the embedded multi-period EBG structure［C］／／20036th International Symposium on Antennas，Propagation and EM Theory.Beijing，China，28October-1November，2003:96-99.

［13］CHEN Y C，LIU A S，WU R B.A wide-stopband low-pass filter design based on multi-period taperetched EBG structure［C］／／2005Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings.Suzhou，China，4-7 December，2005:2125-2127.