一种基于互补环缝谐振器抑制SSN的新方法

潘健　李玉山

摘 要： 针对高速PCB上抑制同步开关噪声（SSN）的问题，提出了一种将互补环缝谐振器（CSRR）刻蚀在电源平面上，抑制电源/地平面间的电场波动噪声传播的方法。采用基于有限元算法的HFSS软件对该结构进行仿真分析，结果表明：与理想参考平面和电磁带隙结构相比，刻蚀了该CSRR结构的电源分配网络具有较好的宽带全向SSN噪声抑制能力，在抑制深度为-40 dB时，其阻带覆盖从0.26 GHz到超过20 GHz以上的频率范围。

关键词： 电源分配网络； 同步开关噪声； 互补环缝谐振器； 阻带

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0058?03

Abstract： Aiming at the suppression of simultaneous switching noise （SSN） in the high?speed PCBs， a new method to etch the complementary split?ring resonators （CSRR） on the power plane of PCBs is proposed to restrain the diffusion of power fluctuation noise between the power supply and ground plane. The structure was simulated with HFSS software based on FEM. The results show that， compared with the ideal reference plane and coplanar electromagnetic band gap （EBG） structure， the power distribution network （PDN） with the CSRR has a capacity of wideband and omni?directional suppression of SSN， and the covering range of stop band is from 0.26 GHz to over 25 GHz when inhibition depth is -40 dB.

Keywords： power distribution network； simultaneous switching noise； complementary split?ring resonator； stop?band

0 引 言

随着电路系统向着高速、高密度、低功耗的方向不断发展，PCB上各模块I/O在高速状态切换时需要大量的瞬时开关电流，这很容易激起电源分配网络（Power Distribution Network，PDN）上供电电压波动，引发同步开关噪声（Simultaneous Switch Noise，SSN）[1]。PDN不仅为系统工作提供电荷，同时也是信号的主要返回路径，因此PDN上噪声抑制和优化设计问题是当前研究的热点之一[2?3]。

当前业界针对SSN抑制提出了很多方法，例如采用去耦电容的方法，但由于实际电容的寄生效应，当系统工作频率超过电容的自谐振频率时，它们将表现为感性特征，因此只适用于数百MHz以下频率的噪声抑制[4]。采用电磁带隙结构（Electromagnetic Band Gap，EBG）也是抑制SSN噪声的有效方法之一，文献[5?7]中提出了几种典型的EBG结构，对不同频段内的SSN抑制具有一定效果，但常用的蘑菇型EBG结构需要额外的金属层和过孔，增加了系统成本和工艺复杂度；共面型EBG结构虽然不需要额外的金属层，但它需要在电源平面或地平面上刻蚀多级单元形成阵列结构级联，对系统信号完整性（SI）的影响不能忽视。

互补环缝谐振器（Complementary Split Ring Resonator，CSRR）是Falcone等人在2004年通过环缝谐振器（Split Ring Resonator，SRR）结构演变提出的[8]，由于其低插入损耗、较好的频率选择性等特征，被广泛应用于耦合器等微波电路中。随着高速电路系统工作频率不断提升，近几年来有学者提出在PCB上利用CSRR结构抑制SSN的方法，文献[9?10]中分别提出一种环形CRSS结构和非双各向异性CSRR结构，其抑制SSN具有阻带带宽大，噪声抑制效果好的特点，具有较好的应用价值。

本文提出一种新的应用于PCB电源平面上的CSRR结构，该结构只需在关键隔离区域部分放置，即可达到较好的宽带噪声抑制效果。仿真分析验证了该结构的阻带特性，在抑制深度为-40 dB时，所设计的单级CSRR单元的抑制带宽即可覆盖0.26～20 GHz以上的频率范围。

1 基于CSRR的新型平面PDN结构设计

当CSRR结构受到垂直于其表面的电场分量[Ei]激励时，将会引起相应的谐振效应，并表现出一定的电磁带隙特性[9]。而典型的高速PCB系统电源/地平面层间间距通常很近，其层间电场垂直于电源/地平面分布，因此可以在电源/地的金属层上刻蚀CSRR结构，利用CSRR的谐振特性抑制电源/地腔体间的噪声传播。

电路中SSN的影响主要是由于高速数字电路激励引起电源/地平面谐振，进一步影响其他区域的电路单元正常工作，尤其对噪声鲁棒性较差的模拟电路单元及射频单元影响较大。为了抑制SSN扩散传播，本文设计在PDN上需要隔离的噪声源区域放置CSRR单元。如图1所示，PDN为矩形的双层PCB结构，由电源层、地层和层间介质组成。其中CSRR在电源平面上刻蚀，地平面保持金属层完整，系统坐标原点位于左上角。

2 仿真分析与验证

为了验证设计的CSRR结构对SSN噪声的抑制能力，假设图1中P1（45 mm，30 mm）为激励噪声输入端口，以P1为中心在电源平面上刻蚀图2所示的CSRR结构，将P2（60 mm，120 mm）和P3（90 mm，100 mm）设置为输出端口，考虑到检测级联CSRR抑制噪声的能力，在P2端口处也刻蚀一个CSRR结构。采用基于有限元方法的HFSS软件进行仿真分析，同时为了进行对比，对相同尺寸和相同端口位置的的理想参考平面和文献[7]中提出的共面型EBG结构也进行了仿真分析。

仿真验证刻蚀有CSRR结构的PDN上输入端口P1和输出端口P2，P3之间的传输特性，从图3所示的结果可以看出，当要求阻带深度为-40 dB以下时，[S21]表示的单级CSRR阻带抑制带宽覆盖从0.26 GHz到超过20 GHz的频率范围，[S31]表示的两级CSRR阻带抑制带宽覆盖从0.22～25 GHz的频率范围，两者均体现了文中提出的CSRR结构具有很好的宽带SSN噪声抑制能力。

通过结果分析还可以看到，相同频率范围下，[S31]的平均抑制深度比[S21]大，说明CSRR的级联噪声抑制能力更优秀，但两者的带宽范围差别不大。同时，从端口P2和P3的维度位置不同可以判断出，该CSRR结构具有二维方向的噪声抑制能力，可以有效抑制整板SSN噪声。

图4表示的是文中的CSRR结构、理想参考平面和文献[7]中共面型EBG结构这三种情况下，端口P1和P2之间的传输特性。从对比结果可以看出，在SSN噪声比较集中的7 GHz以下频带内，文中CSRR结构抑制SSN噪声的能力优于理想参考平面和蘑菇型EBG结构。

从实际PCB制板的角度来看，相对于蘑菇型EBG结构，文中提出的CSRR结构不需要额外的金属层和过孔，制作工艺简化，节约了制板成本；相对于共面型EBG结构，该CSRR结构不会大面积的破坏电源/地平面的连续性，只需要在重点隔离区域布设少量的结构单元即可达到理想的噪声抑制效果，从而减小了信号返回路径不连续时引发的信号完整性问题。

3 结 语

为了增强高速PCB板的电源完整性，有效抑制宽带SSN噪声影响，本文提出了一种适合在电源平面上刻蚀的CSRR结构。仿真结果表明，与理想参考平面和传统的EBG结构相比，布设了该CSRR结构的PDN具有更优秀的SSN抑制能力，在抑制深度为-40 dB时，其有效阻带覆盖了从0.26 GHz到超过20 GHz的频率范围，实现良好的低频抑制特性和宽带抑制能力。

参考文献

[1] LEE J， ROTARU M D， IYER M K， et al. Analysis and Suppression of SSN noise coupling between power/ground plane cavities through cutouts in multilayer packages and PCBs [J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging， 2005， 25（2）： 298?309.

[2] SWAMINATHAN M， CHUNG D， GRIVET?TALOCIA S， et al. Designing and modeling for power integrity [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2010， 52（2）： 288?310.

[3] ZHANG M. S， MAO J. F. A new systematic method for the modeling， analysis， and design of high?speed power?delivery networks by using distributed port [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2010， 58（11）： 2940?2951.

[4] SIEVENPIPER D， ZHANG L J， JIMENEZ B R F. High impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1999， 47（11）： 2059?2074.

[5] 路宏敏，余志勇，谭康伯，等.抑制同步开关噪声的新颖电磁带隙结构[J].西安交通大学学报，2012，46（6）：17?22.

[6] HUANG C H， WU T L. Analytical design of via lattice for ground planes noise suppression and application on embedded planar EBG structures [J]. IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology， 2013， 3（1）： 21?30.

[7] KWON J H， SIM D U， KWAK S， et al. Novel electromagnetic bandgap array structure on power distribution network for suppressing simultaneous switching noise and minimizing effects on hign?speed signals [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2010，52（2）： 365?372.

[8] FALCONE F， LOPETEGI T， BAENA J， et al. Effective negative?stopband microstrip lines based on complementary split ring resonators [J]. IEEE Microwave Wireless Component Letters， 2004，14（6）： 280?282.

[9] BAIT?SUWAILAM M， RAMAHI O M. Ultrawideband mitigation of simultaneous swithing noise and EMI reduction in high?speed PCBs using complementary split?ring resonators [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2012， 54（2）： 389?396.

[10] ZHU H R， MAO J F. Localized planar EBG structure of CSRR for ultrawideband SSN mitigation and signal integrity improvement in mixed?signal system [J]. IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology， 2013， 3（2）： 2092?2100.

2 仿真分析与验证

为了验证设计的CSRR结构对SSN噪声的抑制能力，假设图1中P1（45 mm，30 mm）为激励噪声输入端口，以P1为中心在电源平面上刻蚀图2所示的CSRR结构，将P2（60 mm，120 mm）和P3（90 mm，100 mm）设置为输出端口，考虑到检测级联CSRR抑制噪声的能力，在P2端口处也刻蚀一个CSRR结构。采用基于有限元方法的HFSS软件进行仿真分析，同时为了进行对比，对相同尺寸和相同端口位置的的理想参考平面和文献[7]中提出的共面型EBG结构也进行了仿真分析。

仿真验证刻蚀有CSRR结构的PDN上输入端口P1和输出端口P2，P3之间的传输特性，从图3所示的结果可以看出，当要求阻带深度为-40 dB以下时，[S21]表示的单级CSRR阻带抑制带宽覆盖从0.26 GHz到超过20 GHz的频率范围，[S31]表示的两级CSRR阻带抑制带宽覆盖从0.22～25 GHz的频率范围，两者均体现了文中提出的CSRR结构具有很好的宽带SSN噪声抑制能力。

通过结果分析还可以看到，相同频率范围下，[S31]的平均抑制深度比[S21]大，说明CSRR的级联噪声抑制能力更优秀，但两者的带宽范围差别不大。同时，从端口P2和P3的维度位置不同可以判断出，该CSRR结构具有二维方向的噪声抑制能力，可以有效抑制整板SSN噪声。

图4表示的是文中的CSRR结构、理想参考平面和文献[7]中共面型EBG结构这三种情况下，端口P1和P2之间的传输特性。从对比结果可以看出，在SSN噪声比较集中的7 GHz以下频带内，文中CSRR结构抑制SSN噪声的能力优于理想参考平面和蘑菇型EBG结构。

从实际PCB制板的角度来看，相对于蘑菇型EBG结构，文中提出的CSRR结构不需要额外的金属层和过孔，制作工艺简化，节约了制板成本；相对于共面型EBG结构，该CSRR结构不会大面积的破坏电源/地平面的连续性，只需要在重点隔离区域布设少量的结构单元即可达到理想的噪声抑制效果，从而减小了信号返回路径不连续时引发的信号完整性问题。

3 结 语

为了增强高速PCB板的电源完整性，有效抑制宽带SSN噪声影响，本文提出了一种适合在电源平面上刻蚀的CSRR结构。仿真结果表明，与理想参考平面和传统的EBG结构相比，布设了该CSRR结构的PDN具有更优秀的SSN抑制能力，在抑制深度为-40 dB时，其有效阻带覆盖了从0.26 GHz到超过20 GHz的频率范围，实现良好的低频抑制特性和宽带抑制能力。

参考文献

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[10] ZHU H R， MAO J F. Localized planar EBG structure of CSRR for ultrawideband SSN mitigation and signal integrity improvement in mixed?signal system [J]. IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology， 2013， 3（2）： 2092?2100.

2 仿真分析与验证

为了验证设计的CSRR结构对SSN噪声的抑制能力，假设图1中P1（45 mm，30 mm）为激励噪声输入端口，以P1为中心在电源平面上刻蚀图2所示的CSRR结构，将P2（60 mm，120 mm）和P3（90 mm，100 mm）设置为输出端口，考虑到检测级联CSRR抑制噪声的能力，在P2端口处也刻蚀一个CSRR结构。采用基于有限元方法的HFSS软件进行仿真分析，同时为了进行对比，对相同尺寸和相同端口位置的的理想参考平面和文献[7]中提出的共面型EBG结构也进行了仿真分析。

仿真验证刻蚀有CSRR结构的PDN上输入端口P1和输出端口P2，P3之间的传输特性，从图3所示的结果可以看出，当要求阻带深度为-40 dB以下时，[S21]表示的单级CSRR阻带抑制带宽覆盖从0.26 GHz到超过20 GHz的频率范围，[S31]表示的两级CSRR阻带抑制带宽覆盖从0.22～25 GHz的频率范围，两者均体现了文中提出的CSRR结构具有很好的宽带SSN噪声抑制能力。

通过结果分析还可以看到，相同频率范围下，[S31]的平均抑制深度比[S21]大，说明CSRR的级联噪声抑制能力更优秀，但两者的带宽范围差别不大。同时，从端口P2和P3的维度位置不同可以判断出，该CSRR结构具有二维方向的噪声抑制能力，可以有效抑制整板SSN噪声。

图4表示的是文中的CSRR结构、理想参考平面和文献[7]中共面型EBG结构这三种情况下，端口P1和P2之间的传输特性。从对比结果可以看出，在SSN噪声比较集中的7 GHz以下频带内，文中CSRR结构抑制SSN噪声的能力优于理想参考平面和蘑菇型EBG结构。

从实际PCB制板的角度来看，相对于蘑菇型EBG结构，文中提出的CSRR结构不需要额外的金属层和过孔，制作工艺简化，节约了制板成本；相对于共面型EBG结构，该CSRR结构不会大面积的破坏电源/地平面的连续性，只需要在重点隔离区域布设少量的结构单元即可达到理想的噪声抑制效果，从而减小了信号返回路径不连续时引发的信号完整性问题。

3 结 语

为了增强高速PCB板的电源完整性，有效抑制宽带SSN噪声影响，本文提出了一种适合在电源平面上刻蚀的CSRR结构。仿真结果表明，与理想参考平面和传统的EBG结构相比，布设了该CSRR结构的PDN具有更优秀的SSN抑制能力，在抑制深度为-40 dB时，其有效阻带覆盖了从0.26 GHz到超过20 GHz的频率范围，实现良好的低频抑制特性和宽带抑制能力。

参考文献

[1] LEE J， ROTARU M D， IYER M K， et al. Analysis and Suppression of SSN noise coupling between power/ground plane cavities through cutouts in multilayer packages and PCBs [J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging， 2005， 25（2）： 298?309.

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[4] SIEVENPIPER D， ZHANG L J， JIMENEZ B R F. High impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1999， 47（11）： 2059?2074.

[5] 路宏敏，余志勇，谭康伯，等.抑制同步开关噪声的新颖电磁带隙结构[J].西安交通大学学报，2012，46（6）：17?22.

[6] HUANG C H， WU T L. Analytical design of via lattice for ground planes noise suppression and application on embedded planar EBG structures [J]. IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology， 2013， 3（1）： 21?30.

[7] KWON J H， SIM D U， KWAK S， et al. Novel electromagnetic bandgap array structure on power distribution network for suppressing simultaneous switching noise and minimizing effects on hign?speed signals [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2010，52（2）： 365?372.

[8] FALCONE F， LOPETEGI T， BAENA J， et al. Effective negative?stopband microstrip lines based on complementary split ring resonators [J]. IEEE Microwave Wireless Component Letters， 2004，14（6）： 280?282.

[9] BAIT?SUWAILAM M， RAMAHI O M. Ultrawideband mitigation of simultaneous swithing noise and EMI reduction in high?speed PCBs using complementary split?ring resonators [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2012， 54（2）： 389?396.

[10] ZHU H R， MAO J F. Localized planar EBG structure of CSRR for ultrawideband SSN mitigation and signal integrity improvement in mixed?signal system [J]. IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology， 2013， 3（2）： 2092?2100.