一种抑制同步开关噪声的电磁带隙结构微带线互连

王香婷，李晓春， 毛军发

(上海交通大学 高速电子系统设计与电磁兼容研究教育部重点实验室，上海 200240)

微带线由接地板、介质基板和信号线组成，由于其加工方便，且易于与其他无源、有源等微波器件集成，在微波集成电路中得到了广泛应用.然而，随着集成电路的时钟频率越来越高，电源供电电压逐步降低，由高时钟频率、低电压水平和陡峭的信号边缘等原因导致的同步开关噪声(SSN)的问题日益严重[1].受封装结构的分布电感和分布电容的影响，SSN信号会在系统内部传播，且会不断被激励和恶化，引发严重的电源完整性以及信号完整性问题.因此，只有有效地抑制SSN才能保证信号完整性和电源完整性.

电磁带隙结构(EBG)是一种典型的人工电磁材料，它由周期性的图案组成，可以在一定的频率范围内产生带隙特性，抑制在该频段内电磁波的传播[2].将EBG应用于微带线上的研究有4种类型：刻蚀在接地板上，刻蚀在介质上，刻蚀在信号线上和混合刻蚀.第1种研究为在微带线的接地板上刻蚀EBG结构.在文献[3]中，Radisic将3排圆孔刻蚀在微带线的接地板上，刻蚀后的结构表现出了阻带抑制特性.然而在封装时，为了避免电磁干扰(EMI)，电路通常被固定在一个金属盒内，当EBG结构被刻蚀在接地板上时，由于EBG地平面和金属基底之间的近距离接触，EBG结构的噪声抑制特性将会减弱甚至消失.第2种研究为在微带线的介质上刻蚀EBG结构，可应用于功率放大器[4]和天线[5].第3种研究为在微带线的信号线上刻蚀EBG结构.文献[6]中提出在信号线两侧添加旁路单元的EBG结构，文献[7-8]中提出在信号线上刻蚀EBG的结构.此种类型的研究可以应用于滤波器[6]、耦合器[7]和天线[8]上.第4种研究为混合刻蚀，即同时在接地板以及信号线上刻蚀EBG结构，文献[9]中采用此种刻蚀方式，并将其应用于滤波器上.综合以上分析可知，现有的关于EBG微带线的研究，均没有考虑在微带线的信号线上刻蚀EBG来进行基带信号的传输.

针对基带信号容易受到SSN的影响而产生信号完整性的问题，本文提出了一种抑制SSN的EBG微带线互连.该互连结构由级联的宽、窄信号线的周期排列形成.给出了该EBG微带线互连的具体设计方法，采用印制电路板(PCB)工艺对该互连进行了加工，并测试了该互连的S参数.仿真与测试结果一致，表明该互连具有良好的通带传输特性和阻带抑制特性.最后，本文结合高速互连的电路模型，在基带信号源中引入SSN，并对所提出的EBG微带线互连的时域响应进行了仿真分析.结果表明，与相同尺寸的在接地板上刻蚀EBG结构的微带线互连相比，本文提出的互连具有更强的抑制SSN的能力，更好地保证信号传输的完整性.

1 原理与设计

在高速数字电路中，信号源为基带信号.另外，很多电路共用接地板和馈电线，大量信号的快速翻转会导致电流的大量涌动，由于寄生电感的存在，在电源和地平面之间产生大量的噪声，即称为SSN，它的值可以表示为[10]

(1)

式中：N为同时改变状态的逻辑开关数目；L为电路中的回路电感；i为单个逻辑开关跳变时在电路中产生的电流.由式(1)可知，信号翻转的速度越快，则SSN越大，而且，当同时切换工作状态的逻辑器件较多时，SSN会很大，SSN噪声不但会引起电源的完整性问题，还会引起信号的完整性问题.

图1给出了高速互连的电路模型.图中：信号源为基带信号；Vin1和Vin2分别为输入的基带信号和加入SSN之后受干扰的输入信号；Vout为通过互连结构之后的信号.图2给出了基带信号与同步开关噪声的时域频域图.可以看出，SSN会引起信号的畸变.因此，为了保证传输信号的完整性，需要对SSN进行抑制.

图1 高速互连的电路模型Fig.1 The modal of high-speed interconnect circuits

图2 基带信号和同步开关噪声Fig.2 Spectrum of base-band signal and simultaneous switching noise

传统微带线作为电路中一种常用的互连结构，如图3所示.图中：h1为介质厚度；h2为金属导体厚度；w为信号线宽度；εr为介质的相对介电常数.对于非常薄的金属导体，其厚度h2可以忽略不计.微带线的等效介电常数记为εe，特性阻抗记为Z0[11].

图3 传统微带线的结构图Fig.3 The structure of the traditional microstrip line

当w/h1≤1时,

(2)

(3)

当w/h1≥1时,

(4)

(5)

当介质厚度h1和介质的相对介电常数εr固定时，Z0随着线宽w的增大而减小.

根据光子晶体理论，当平面的EBG结构满足Bragg反射条件时，会呈现出一定的阻带抑制特性，EBG结构参数之间需要满足[3]：

式中：λg为波导波长；k为波导波长对应的波数；c为自由空间中的光速；f0为阻带的中心频率；d为EBG单元的周期长度.由式(6)～(8)可得f0和d的关系：

(9)

结合EBG结构的原理，文献[9]中提出了如图4所示结构，并且将其应用于滤波器上.然而，为了解决干扰信号的SSN问题，本文提出了将该互连应用于SSN的抑制与信号的传输上.

图4 EBG微带线互连Fig.4 The structure of the EBG microstrip line interconnect

图4所示互连结构由接地板、介质基底和级联的周期性宽、窄信号线组成.图中：l为该新型EBG微带线结构的长度；w1和w2分别为宽、窄信号线的宽度；a为窄信号线的长度；b为刻蚀结构的宽度.w1、w2和b之间满足：

w1=w2+2b

(10)

本文提出的EBG微带线互连的设计方法如下：

(1)选取合适的工艺和材料.确定介质的相对介电常数εr，介质厚度h1和金属导体厚度h2.

(2)设计宽信号线对应的微带线特性阻抗.为了实现EBG微带线互连与其他器件之间的阻抗匹配，宽信号线对应的微带线的特性阻抗应设计为50 Ω.结合步骤(1)中的参数，使用微带线的特性阻抗式(2)～(5)来确定宽信号线的宽度w1.

(3)针对具体的SSN，确定d和a的值.针对具体想要抑制的SSN噪声频率，结合式(8)确定EBG结构的周期长度d.针对阻带抑制特性，本文对窄信号线的长度a进行了优化分析.图5给出了不同窄信号线长度a对应的EBG微带线互连的插入损耗S21，其中d=16 mm.可以看出，在d确定时，随着a的增大，阻带抑制深度先增大后减小，且在a=d/2处，阻带抑制深度最大.因此，为了获得最佳的阻带抑制特性以确保信号的完整性，a取为d的1/2.

(4)综合考虑通带传输特性和阻带抑制特性，确定刻蚀结构的宽度b的值.本文对刻蚀结构的宽度b进行了优化分析.图6给出了不同刻蚀结构的宽度b对应的EBG微带线互连的S21.可以看出，随着b的增大，阻带抑制深度越来越大，同时，通带的传输特性会变差.因此，b的取值应该综合考虑通带传输特性和阻带抑制特性来确定.

图5 不同a对应的EBG微带线互连的S21Fig.5 S21 parameters of the EBG microstrip line interconnect for different values of a

图6 不同b对应的EBG微带线互连的S21Fig.6 S21 parameters of the EBG microstrip line interconnect for different values of b

(5)通过调整周期数n的值来进一步优化阻带抑制特性，最大程度地保证信号的完整性.为了研究EBG结构的周期数n对该互连特性的影响，本文分析了在相同尺寸、材质下，具有不同EBG周期数的EBG微带线.图7给出了n为3和7的2种EBG微带线的S参数，图中S11为回波损耗.可以看出，相比于周期数n=3和7的EBG微带线具有更大的抑制深度，即刻蚀EBG的数目越多，该EBG微带线互连对SSN的抑制能力越强，越能保证信号的完整性.因此，在进行EBG微带线互连的设计时，可以在微带线长度一定的情况下，尽量增加刻蚀的EBG结构的周期数n，以便更好地抑制SSN，保证信号完整性.

图7 不同周期数目的EBG微带线互连的SFig.7 Simulated S parameters of the EBG microstrip line interconnect with different number of cycles

图8 加工样品以及实验平台Fig.8 Processed sample and experimental platform

2 仿真和实验

本文采用PCB工艺对提出的微带线互连进行了设计和加工，加工样品及实验平台如图8所示.选取Rogers RT/duroid 5880板材作为PCB介质材料，其εr=2.2，损耗角正切为 0.000 9，厚度h1=1.575 mm；金属选取铜，厚度h2=0.017 5 mm.本文提出的EBG微带线互连的设计参数具体如下：EBG微带线互连的长度l=75 mm，宽和窄信号线的宽度w1和w2分别为 5.068 和 2.568 mm，EBG单元的周期长度d=10 mm，窄信号线的长度a=5 mm，设EBG结构的周期数n=7.将互连的参数代入式(9)，可得阻带中心频率为 10.95 GHz.

采用双端口的网络分析仪Agilent 8722ES对样品进行S参数的测试，并且将测试结果与仿真结果进行对比，结果如图9所示.可以看出，本文提出的EBG微带线互连的实物测试结果与仿真结果有良好的一致性，表明该互连具有良好的SSN抑制能力与通带传输特性.

图9 EBG微带线互连的S参数仿真与测试结果Fig.9 Comparison of simulated results and measured results of the EBG microstrip line interconnect

另外，为了对比在信号线上刻蚀EBG的微带线和在接地板上刻蚀相同尺寸的EBG的微带线的性能差异，本文利用HFSS软件对相同尺寸及材质的2种微带线结构进行仿真，对比两者的S参数，结果如图10所示.可以看出，相比在接地板上刻蚀EBG的微带线结构而言，本文提出的EBG微带线互连在抑制SSN方面具有更大的抑制宽度以及更强的抑制深度.

图10 在信号线上刻蚀EBG的微带线和在接地板上刻蚀EBG的微带线的仿真结果Fig.10 Simulated results of the microstrip line with EBG etched on the signal line and the ground plane

图11 在信号线上刻蚀EBG的微带线和在接地板上刻蚀EBG的微带线的去噪能力对比Fig.11 Comparison between the microstrip line with EBG etched on the signal line and the ground plane

结合图1，在ADS软件中建立了高速互连的等效电路，从信号时域响应的角度进行了研究.基带信号源由时钟频率为 2.19 GHz的方波信号提供，它的幅值为1 V，上升时间为 0.091 ns，下降时间为 0.07 ns，占空比为50%.SSN频率为 10.95 GHz，幅值为 0.2 V.RL设置为50 Ω.图11给出了在信号线上刻蚀EBG的微带线和在接地板上刻蚀EBG的微带线这2种互连的时域响应波形.图中：Vin1和Vin2分别为输入基带信号和加入SSN之后的输入信号；Vout1和Vout2分别为通过在信号线上刻蚀EBG的微带线和在接地板上刻蚀EBG的微带线之后的时域响应信号.可以看出，本文提出的在信号线上刻蚀EBG的微带线能够得到更理想的时域响应波形，保证了信号传输的完整性.

3 结语

本文针对基带信号容易受到SSN的影响而产生信号完整性的问题，提出了一种抑制SSN的EBG微带线互连设计方法.该互连结构由级联的宽、窄信号线的周期结构组成，具有良好的通带传输特性和阻带抑制特性，能够抑制同步开关噪声，保证信号的完整性.仿真与测试结果表明，与相同尺寸的在接地板上刻蚀EBG结构的微带线互连相比，本文提出的在信号线上刻蚀EBG的微带线互连具有更强的抑制SSN的能力，能够得到更为理想的信号波形.