一种抑制同步开关噪声的超宽带电磁带隙结构

史凌峰 蔡成山 孟 辰 成立业

(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

随着电子系统朝着高速度、高密度和低功耗等方向的发展，这就要求高频时钟信号具有更陡的跳变沿和更低的电压冗余量.在这些要求中，时域范围内陡峭上升沿和下降沿将导致频域内更宽的频谱.同时，数字系统中信号电压的降低要求有严格的噪声冗余量.高速时钟频率也带来诸如电源完整性(Power Integrity,PI)、地弹噪声(Ground Bound Noise,GBN)等问题[1-3].尤其是由大量驱动开关不停的开断而造成的同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise,SSN)问题在电源、地平面当中不可避免.这些噪声不仅会造成信号传输抖动和电磁干扰(Electro-Magnetic Interference,EMI)等问题，还会导致敏感射频、模拟电路的误操作等严重的信号完整性(Signal Integrity,SI)问题.

现在已经有很多有效的方法来抑制SSN，各种形式的EBG结构在抑制SSN传播有相当好的效果.如文献[4]～[6]提到的平面EBG结构，在低频获得良好的结果.然而由于EBG结构受其自身电特性限制，带隙较窄从而无法达到大范围抑制SSN作用.文献[7]提出结构在提高抑制带宽同时，也降低对低频的抑制.而文献[8]提出的结构虽然同时提高带宽和低频抑制效果，但是电源平面连续性降低，影响信号完整性.针对上述问题，本文提出一种新颖的垂直级联式EBG结构，称为折叠垂直级联式(Fold Superimposition Type,FST)EBG结构.它是通过折线(Meander Line)EBG结构和高阻抗平面(High Impedance Surface,HIS)垂直级联来实现SSN的抑制，其电磁带隙抑制深度为-40 dB时阻带范围750 MHz到15.7 GHz，带宽达到14.95 GHz，抑制带宽得到显著地提高.

1 传统EBG结构的设计原理

本文EBG的带隙形成为局域谐振机理，通过EBG结构的表面波阻抗随着电磁波频率不同而不同的特性来实现特定频率噪声抑制.其中，可将表面波阻抗等效为对有着特定谐振频率的集总LC网络，利用单元谐振时电抗无穷大的特性，阻止谐振频率附近的电磁波的传播，以形成频率带隙.带隙的中心频率和相对带宽近似由表面单元等效电容C和等效电感L决定[9].

(1)

(2)

式中:η为自由空间波阻抗.由式(1)和(2)可以看出，为了使结构单元既具有低的中心频率，以使其在低频范围具有良好的抑制效果.同时也要求其具有宽的抑制带宽，通过增大单元的等效电感就成为实现超宽带EBG结构比较好的方法.文献[10]～[12]提出的结构都是通过增加平面各EBG结构单元的等效电感来提高低频的抑制效果，而文献[13]提出的多过孔EBG结构实现在高频具有较宽的带宽抑制作用.

2 FST-EBG结构设计原理

研究L-bridge和蘑菇型(Mushroom)EBG结构的特点[4,7]，提出新型的FST-EBG结构.此结构由三部分构成，图1所示的是具有FST-EBG结构单元的侧视图.顶层为Meander Line电源层，中间为折叠式HIS层，底层为地平面层.

图1 FST-EBG结构的侧视图

2.1 Meander Line电源层

设计的Meander Line电源层结构单元的特点就是通过螺旋线来增加各个单元块间的电感，同时,又由于螺旋线在每个单元块内部，使得相邻结构单元间距更易达到小型化，实现紧凑型EBG结构.图2给出的是Meander Line电源面结构单元俯视图.

图2 Meander Line电源面结构单元俯视图

2.2 折叠式高阻抗层

2.2.1 设计原理

提出的高阻抗平面由折叠式蘑菇型(Fold Mushroom)单元构成，图3所示为新型折叠式Mushroom结构及其结构小单元的尺寸示意图.对于传统的Mushroom结构，电源平面保持连续性，可以通过增加结构单元的过孔数来提高抑制带宽，但过孔数的增加不仅带来成本的增加，而且会加大接地平面的不连续性，产生严重的SI问题.因此，提出Fold Mushroom结构，通过将EBG结构层和地平面层折叠式连接，增加之间的电感量.在同一个结构小单元中，只有一个过孔连接到地平面，这使地平面也更大限度的保持连续性，有助于提高SI.

图3 折叠Mushroom结构及尺寸

图3中，H1=0.1 mm，H2=1 mm，G=0.1 mm.如图3所示在HIS层中，每个结构单元由两个孔折叠组合而成，其对应的尺寸为：p=3 mm，g=0.65 mm，h1=0.4 mm，h2=0.4 mm，a=0.2 mm.

2.2.2 仿真结果及分析

为了测试这种折叠Mushroom结构设计对抑制SSN的效果，建立测试模型，测试的折叠Mushroom结构的外围尺寸为20 mm×20 mm×1.1 mm.与传统1-via Mushroom结构进行对比[7]，其尺寸与折叠Mushroom相同.此时，保持电源平面的连续性.电源平面与地平面中间的电介质为普通的FR4.仿真的S21参数结果如图4所示.从图中可以看出，在带隙深度为-40 dB时，Fold Mushroom抑制带宽从3.3 GHz到19.9 GHz，1-via Mushroom是从2.9 GHz到18.7 GHz，其新结构带宽增加0.8 GHz.

图4 Fold Mushroom与传统Mushroom S 参数比较

2.2.3 SI分析

通过HFSS Designer对S参数模型进行眼图分析.在Designer中，设置信号源产生255的伪随机二进制码，数据的传输速率为2.5 GHz，上升沿和下降沿均为125 ps，仿真结果具体如表1所示.由图5(a)和图5(b)比较可知：相比于传统1-via Mushroom结构，Fold Mushroom结构具有更好的信号质量.

表1 眼图分析数据表

(a) Fold Mushroom结构图仿真

(b) 传统1-via Mushroom结构眼图仿真图5

3 仿真结果与分析

给出了FST-EBG结构的单元尺寸，在电源Meander Line结构单元层中，如图2所示，L=12.4 mm，L1=1.5 mm，W1=0.2 mm，W2=0.1 mm，W3=0.3 mm，W4=0.1 mm.图1中高阻抗平面结构类型和图3相同，图3的尺寸为p=4 mm，g=0.9 mm，h1=0.4 mm，h2=0.4 mm，a=0.2 mm，其中，设置仿真参数和2.2.2相同.如图6所示，原点设在结构面的左上角，激励端口1，2位置分别为(7 mm，7 mm)和(19.5 mm，32 mm)，其中1端口是输入端，2端口是输出端.

图6 FST-EBG结构测试点位置

S21参数如图7所示.在抑制深度为-40 dB时，阻带带宽为14.95 GHz.为了说明这种FST-EBG结构的特性，通过与同尺寸传统1-via Mushroom EBG结构性能进行比较.通过比较可以看出，本文所提出的结构相对于传统Mushroom EBG结构，扩展了3.65 GHz的带宽，具有较好的SSN抑制带宽性能.

图7 不同模型下S参数特性对比图

4 结 论

从分析传统EBG结构等效电路和平面导线电感对电磁带隙特性产生机理着手，提出Fold Mushroom结构.仿真结果表明，这种结构相比传统Mushroom结构，不仅具有更好的抑制带宽，而且有良好的SI.同时，提出的一种新颖FST-EBG结构单元，它突破传统EBG结构抑制带隙窄的缺陷.与传统1-via Mushroom EBG结构相比，其带宽增加3.65 GHz，实现了超带宽抑制噪声作用.

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