电磁带隙结构的信号完整性分析

丁同浩 李玉山 张 伟 闫 旭 曲咏哲

①(西安电子科技大学电路CAD研究所 西安 710071)

②(西安电子科技大学天线与微波国家重点实验室 西安 710071)

1 引言

随着同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise，SSN)问题的日益严重，电磁带隙结构被广泛研究以应用于抑制 SSN在电路板中传播。目前，EBG结构的 SSN抑制的研究已经取得了很多成果[1−7]，无论从SSN抑制的幅度，还是噪声抑制的带宽都已经达到了很高要求。EBG结构的周期性高阻平面可以把SSN抑制在本地贴片内，也正是由于周期性高阻平面破坏了信号线完整的返回路径，引发了严重的信号完整性问题，因此对于EBG结构传输特性的研究变得异常重要。通常，设计师通过使用差分线[8,9]来提高信号质量，这样将导致电路设计成本和电路板布线空间的增加，不益于大型电路的设计，因此设计师对于EBG结构的使用应当慎重地权衡其优缺点。

目前国内外对于 EBG的传输特性只进行了很少的研究工作[10]，且没有给出有益于电路设计的规则。本文运用HFSS和S参数模型，从频域和时域的角度协同分析和研究了 EBG结构对于信号传输的影响，并给出了电路设计的经验法则，为方便电路设计提供了有益的参考。

2 EBG结构传输特性研究

2.1 频率分析

图1 EBG传输线结构横截面示意图

EBG 的传输线结构及参数(p，L，h1，h2，εr)如图1所示，特性阻抗Z0=50 Ω的传输线位于贴片与地平面的中心位置，线宽W=0.1524 mm,p表示贴片的大小，L表示贴片上下参考平面的大小，h1和h2分别表示贴片与电源平面和地平面的间距，εr为结构介质的介电常数。为了获得EBG结构对信号传输的影响，本文研究了3种不同参数EBG结构的传输特性。3种结构的参数分别为，结构1：(6.75mm，7 mm，0.1 mm，0.4 mm，4.4)，结构2：(4.75 mm，5 mm，0.1 mm，0.4 mm，4.4)，结构3：(2.75 mm，3 mm，0.1 mm，0.4 mm，4.4)。

利用HFSS仿真的3种结构得到的带隙特性和传输特性如图2所示，EBG结构的高阻平面能够在特定的频率内抑制SSN的传播，同时EBG周期性结构变化破坏了传输线连续的返回路径，产生了周期性的阻抗变化，引发了信号扰动。由图2(a)可知，3种结构的频率带隙分别为，结构1：1.57 GHz～4.34 GHz，结构2：2.52 GHz～6.98 GHz，结构3：4.80 GHz～13.92 GHz，虽然结构3的完整带隙超过了图中给出的频率范围，但是这不会影响问题的说明。

如图 2(b)所示，在 EBG的频率带隙内，传输线表现出极其出色的传输性能，EBG结构的高阻平面不仅作用为理想的参考平面，而且抑制了平行谐振腔产生的带隙频率内的谐振模，但是当信号频率处于带隙频率边缘，传输性能急剧恶化，这主要是由于阻抗的周期性不连续引发的。单位长度阻抗变化频率越大(单位长度的贴片间隙个数)，带隙外的传输函数的波动就越大，在研究的3种结构中，结构1的贴片最大，阻抗变化频率最小，其带隙边缘的传输函数波动也最小，最大波动值为0.55 dB，结构3的贴片最小，阻抗变化频率最大，传输函数波动最大，最大值为4.64 dB，结构2处于两者之间，最大波动值为1.58 dB，结构3的阻抗变化频率为结构1的2.5倍，结构3传输函数波动却是结构1的8倍多，远大于贴片尺寸的变化幅度。

周期性数字信号可以表示成如式(1)所示的不同频率点正弦信号和余弦信号的叠加。由EBG传输特性可知，对于不同频率的信号有不同的传输衰减，特定频率点的传输函数绝对值越大，信号的衰减也就越大。理想传输线的传输函数在图2 (b)中呈现线性下降趋势，任何传输函数非线性波动都会导致输出信号波形失真。波动越大，信号波形失真越严重。

2.2 宽频信号时域分析

本文通过Hspice对HFSS仿真得到的S参数模型进行眼图分析来对 EBG 结构的传输特性进行时域分析，3种尺寸EBG仿真得到的眼图如图3所示。在Hspice中通过一信号源产生27-1的伪随机二进制码，数据传输速率为 2.5 GHz，上升时间和下降时间均为50 ps，信号源输出信号幅值和源端阻抗分别为1 V和10 Ω。由式(2)可以估算出信号的带宽为7 GHz[10]，涵盖了3种尺寸EBG传输函数波动对信号传输质量的影响，RT表示信号的上升时间。

3种结构眼图的眼宽，眼高参数如表1所示。结构1到结构3输出信号的波形扰动依次增大，结构1较小的阻抗变化频率对信号质量没有产生太多影响，表现了很好的信号传输特性，而结构3过大的阻抗变化频率导致了最严重的信号扰动，影响了信号传输质量。时域仿真结果与频率分析结果取得了很好的一致，验证了之前的分析。

表1 3种尺寸EBG的眼图参数

从时域角度来说，EBG结构对传输线输出信号的影响有两方面原因：(1)当传输线跨过EBG的周期性高阻平面，阻抗的不连续会导致信号在各贴片间来回反射，使得输出信号波形上下波动(振铃现象)。(2)割裂的高阻平面破坏了信号电流的返回路径，增大了信号回路的电感，增加的额外电感滤除了信号的一部分高频分量，减缓了边沿变化率，使输出信号变得平滑，从而导致信号波形失真。

图2

图3 3种尺寸EBG结构的眼图

2.3 带隙频率内信号时域分析

根据EBG传输线结构1的频率带隙位置：1.57 GHz～4.34 GHz，将上述Hspice仿真使用的信号源的数据传输速率改变为4 GHz，信号的上升时间和下降时间改变为150 ps。由式(2)可得信号的带宽大约为2.3 GHz，信号所处带宽位置大约从2 GHz到4.3 GHz，处于EBG的带隙频率内。

仿真得到的信号眼图如图4所示，眼高为0.78 V，大于图3 (a)眼图的眼高。比较图4与图3 (a)可知，带隙内信号的输出波形要比带隙外信号的输出波形平滑，扰动明显减小，说明EBG对频率带隙内的信号扰动有明显抑制，信号质量得到明显提高。对处于频率带隙内的信号来说，EBG高阻平面为返回信号提供了一条短路路径，使信号波形不受EBG高阻平面的影响。

3 结论

本文从频域和时域的角度共同研究了 EBG结构对信号传输的影响，单位长度阻抗变化频率越大，EBG频率带隙外的信号波形恶化就越严重，当信号带宽处于频率带隙内，传输线表现出优异的传输特性。综合上述分析，本文最后给出EBG结构在电路设计中的设计规则：(1)信号层应尽量避免与 EBG结构层相邻。(2)在满足SSN抑制的频率要求下，应选择阻抗变化频率小的EBG结构。(3)当信号线与EBG结构层相邻，其信号频率应保持在EBG结构的频率带隙内。

图4 结构1频率带隙内的信号眼图

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