基于EBG结构的新型超宽带低噪声电源/地平面设计

万连城，吕 玲

（西安电子科技大学 期刊中心，陕西 西安 710071）

随着集成电路的发展，设计出能抑制电磁干扰的电源/地平面，对电路设计而言是非常有意义的。但是随着高速数字电路、高速信号处理、以及射频电路与数字电路集成化等等因素，使得新的电源/地平面的设计应当具有非常宽的带宽以及较强的禁带内衰减。由于加载EBG结构的电源/地平面具有禁带带宽较宽、实现工艺简单、禁带深度较深、成本低廉等优势被作为抑制电源/地平面上两点间电磁干扰的有效手段。

1 模型设计

1.1 设计思路以及理论依据

要设计出具有宽禁带的EBG结构，也就是需要减小一次谐波的谐振频率的同时增大二次谐波的谐振频率。

在Mu-Shui Zhang的研究中[5]，详细地介绍了贴片EBG结构导体柱的个数对禁带的影响。将EBG结构的一个导体柱改为4个导体柱将会减小其等效电长度，使其变为原来的，也就是减小了其等效的电感L2，而贴片的等效电容变为原来的，从而增大了二次谐波的谐振频率f，达到禁带向

2高频扩宽的目的，如图2所示[5]。

图1 将EBG结构的导体柱由1个改为4个Fig.1 The conductor column EBG structure from 1 to 4

图2 等效电感及电容的变化Fig.2 Equivalent inductance and capacitance

1.2 新结构对禁带影响的分析

通过上述理论分析，可以得出减小金属平面与贴片的距离、增大其间介质的介电常数、增加导体柱个数可以拓宽EBG结构的禁带宽度的结论。

首先，建立模型。测试的EBG平面对外围的尺寸大小为80mm×80mm，板间填充介质为FR4-Epoxy，其介电常数εr为4.4，损耗为0.02。EBG结构为10×10正方形阵列其参数为H1=0.2 mm,H2=0.2 mm,贴片间距d=1 mm,贴片边长l=7 mm。EBG结构的短导体柱为直径0.5mm的覆铜通孔，其导体介质上与阵列方块、下与底板相连接，测试点通孔也为直径0.5mm的覆铜通孔，测试点通孔与上表面不连接，上表面在测试点处留出直径为2mm的不覆铜的圆，测试点通孔的覆铜延伸出上表面做直径为1.5 mm的垫衬，测试点通孔与底板相连接,所有金属板厚度均为0.03mm.测试点位置如图9所示。仿真后，其参数如图4所示。得到了深度为-80 dB时，带宽为3.3～4.8 GHz的带隙。

图3 未加载EBG结构的电源/地平面的S21参数Fig.3 Sparameters of does not load the EBG structure of the power/ground plane

图4 加载10×10的单导体柱EBG结构的S21参数Fig.4 Sparameters of loaded 10*10 single cylinder EBG structure

减小金属平面与贴片的距离为0.016 mm，其参数如图5所示。可以看到深度为-80 dB时，带宽为1.3～5.2 GHz的带隙，禁带向低频扩展。

金属平面与贴片的距离H1为0.016mm，其间填充介电常数εr为 16.5的介质，其S21参数如图 5，6所示。可以看到深度为-80 dB时，带宽为0.7～4.5 GHz的带隙，禁带进一步向低频扩展。

图5 距离为0.016mm加载10×10的单导体柱EBG结构的S21参数Fig.5 Distance as Sparameters of the power/0.016 mm loading of 10*10 single cylinder EBG structure

图6 距离为0.016mm，填充εr为16.5的介质，加载10×10的单导体柱EBG结构的S21参数Fig.6 Distance is 0.016mm,which filled with a dielectric constant of 16.5 medium,Sparameters of the power/load 10*10 single cylinder EBG structure

将EBG结构的一个导体柱改为4个导体柱，H1=0.2 mm,H2=0.2 mm，其介电常数εr为4.4，损耗为0.02，其余尺寸均不变时，其S21参数如图8所示，导体柱位置如图7所示。可以看到深度为-80 dB时，带宽为7.0～8.9 GHz的带隙，禁带向高频扩展。同时由于结构发生变化，禁带的中心频率产生了一定的漂移。

图7 导体柱位置Fig.7 Conductor column position

图8 将EBG结构的一个导体柱改为4个导体柱时电源/地平面的S21参数Fig.8 A conductor column EBG structure to the 4 conductor column when the power/ground plane Sparameters

2 新型超宽带低噪声电源/地平面模型结构描述

通过上述实验分析，可以看出减小金属平面与贴片的距离，增大其间介质的介电常数两种方案来提高C1的值，从而减小一次谐振频率f1，可以达到禁带向低频扩宽的目的。将EBG结构的一个导体柱改为4个导体柱减小了其等效的电感L2，而贴片的等效电容C2也同时减小，达到了禁带向高频扩宽的目的。

结合两种因素，如果既减小金属平面与贴片的距离，增大其间介质的介电常数又将EBG结构的一个导体柱改为4个导体，那么应当获得较为理想的超宽禁带宽度。

建立如下模型：EBG平面对外围的尺寸大小为80 mm×80mm，下底板与贴片间填充介质为FR4-Epoxy，其介电常数εr为4.4，损耗为0.02。EBG结构为10×10正方形阵列其参数为H1=0.016 mm,H2=0.2 mm，贴片间距d=1 mm,贴片边长l=7 mm。金属平面与贴片的距离H1为0.016 mm，其间填充介电常数εr=16.5的介质。每个贴片的导体柱为4个，其余尺寸均如前所述。经过仿真实验其参数如图10所示。

图9 设计模型结构Fig.9 Structure design model

可以看到其深度为-80 dB时，带宽为1.3～9.8 GHz，具有非常宽的禁带以及比较理想的深度。同时由于没有对电源/地的金属平面进行蚀刻，有效的保证了信号的完整性。本文设计的电源/地平面可以为复杂的电路系统提供一个较为理想地电磁环境，有效的抑制了电路间的电磁干扰。其可应用于超宽带(UWB)通信电路中，抑制共地的数字电路与射频电路之间产生的电磁干扰。

图10 每个EBG单元有4导体柱双层介质的电源/地平面的S21参数Fig.10 Each EBG unitwith parameters of the power/4 conductor column double-layer dielectric ground plane

3 实验结果分析比对

Mu-Shui Zhang采用双层混合EBG结构设计电源/地平面[6]，一方面采用传统单导体柱EBG结构，一方面采用蚀刻金属平面的方法。得到了深度为-80 dB时，带宽为10～32GHz的禁带，但是对低频抑制效果不明显，而且蚀刻金属板会影响高速信号的完整性。Jinwoo Choi采用在金属板上蚀刻混合的L型槽结构设计UWB(UltraWide Band)系统的电源/地平面[7]，其采用不同尺寸的L型槽来抑制对应的频带。取得了深度为-80 dB时，带宽为3～11 GHz的禁带。但是其对低频的抑制效果不是很好，并且对采样点的位置有限制，即必须保证互扰电路间有一定的距离，这样将不利于系统的小型化。同样由于对金属板的蚀刻，其对高速信号的完整性也有影响[8]。

4 结论

本设计在保证了信号完整性的前提下，使所设计的电源/地平面具有较为理想地带宽以及禁带深度，而不足的是工艺较为复杂。

[1]路宏敏，赵永久，朱满座.电磁场与电磁波基础[M].北京：科学出版社，2006.

[2]路宏敏.工程电磁兼容[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[3]王家礼，朱满座，路宏敏.电磁场与电磁波[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[4]葛德彪，闫玉波.电磁波时域有限差分方法[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[5]Mu-Shui Zhang,Yu-Shan Li,Chen Jia,et al.A doublesurface electromagnetic bandgap structure with one surface embedded in power plane for ultra-wideband SSN suppression[J].IEEE Microwave And Wireless Components Letters,2007,17(10):706-708.

[6]Mu-Shui Zhang,Yu-Shan Li,Chen Jia,et al.A power plane with wideband SSN suppression using amulti-via electromagnetic bandgap structure[J].IEEE Microwave And Wireless Components Letters,2007,17(4):307-309.