汝 巖，陳 朋，金 峰

(浙江工業(yè)大學信息工程學院，杭州310023)

一種超寬阻帶共面混合橋電磁帶隙新結構

汝 巖，陳 朋，金 峰

(浙江工業(yè)大學信息工程學院，杭州310023)

為改善共面EBG(Electromagnetic Band-Gap)結構的SSN(Simultaneous Switching Noise)抑制性能，通過在EBG結構單元設計中使用組合單元法，提出一種適用于高速電路SSN抑制的共面混合橋電磁帶隙(HB-EBG:Hybrid Bridges EBG)結構。實測結果表明，在抑制深度為-40 dB時，HB-EBG結構阻帶范圍為225 MHz～15 GHz。與LBS(L-shaped Bridges and Slits)-EBG結構相比，在保持高頻段SSN抑制性能的同時，阻帶下限截止頻率由432 MHz降至225 MHz，有效降低了帶隙中心頻率。信號傳輸特性的研究結果表明，當采用局部拓撲并選擇合適的走線策略時，該結構在保持良好的SSN抑制性能的同時，能實現(xiàn)較好的信號完整性。

電磁帶隙;信號完整性;電源完整性;同步開關噪聲;阻帶

0 引言

隨著電子技術的迅速發(fā)展，集成電路中信號翻轉(zhuǎn)速率不斷提高。由此引發(fā)的同步開關噪聲(SSN:Simultaneous Switch Noise)在電路板的電源、地平面構成的平行板波導中傳播，激起平面諧振，從而導致嚴重的電源完整性(PI:Power Integrity)問題。最終引發(fā)信號完整性(SI:Signal Integrity)及電磁干擾(EMI:Electro-Magnetic Interference)等問題，嚴重影響電子系統(tǒng)的性能。如何有效抑制SSN成為目前電源分配網(wǎng)絡(PDN:Power Distribution Network)設計研究的重點［1］。

早期的研究工作提出了許多抑制SSN的方法，主要包括使用分立式去耦電容［2］、嵌入式電容［3］及電源層分割［4］等。但這些方法都存在一定的不足:由于寄生電感的存在，去耦電容只適用于600 MHz以下的頻段;嵌入式電容需要額外的PCB層，導致PCB制造成本攀升且阻帶寬度有限;電源層分割破壞平面連續(xù)性，引起信號完整性問題。電磁帶隙結構中周期性的高阻平面可以有效地抑制SSN的傳播，針對應用EBG結構抑制SSN的研究已經(jīng)取得了豐富的成果。如Wu等［5］提出的L-bridged結構、Li等［6］提出的LBS(L-shaped Bridges and Slits)結構、Joo等［7］提出的S-bridged結構、郭雁林等［8］提出的自旋枝條型結構，史凌峰等［9］提出的 TIDC 結構、Kim 等［10，11］和 Wang等［12］提出的一些垂直結構，以及張豐敏等［13］提出的組合單元法。然而，TIDC結構及垂直EBG結構需要額外的PCB層，傳統(tǒng)的共面EBG結構阻帶寬度往往較低，組合單元法則需要設計不同的EBG結構單元。為此，筆者提出了一種適用于SSN抑制的超寬阻帶共面混合橋電磁帶隙(HB-EBG:Hybrid Bridges EBG)結構。該結構在EBG結構單元內(nèi)運用組合單元法，通過在單元內(nèi)使用兩種不同的橋接連線，以改善EBG結構的SSN抑制性能。

1 原理分析與設計思想

1.1 EBG結構帶隙形成機理

EBG結構的帶隙形成機理分為兩種［14］:Bragg散射機理和局域諧振機理。在局域諧振型EBG結構中，金屬貼片之間通過特殊的連接關系，形成局域電容與電感的諧振單元;利用結構單元在諧振效應下的高阻特性，阻止諧振頻率附近的表面波傳播，從而形成頻率帶隙。共面EBG結構是局域諧振機理EBG的主要結構之一。

1.2 共面EBG等效電路分析

共面EBG結構中，金屬貼片可等效為旁路電容和電感，橋接連線可等效為串聯(lián)電感。將金屬貼片等效為兩個Π-型LC電路級聯(lián)結構，得到共面EBG結構單元一維等效電路模型(見圖1)。其中Lb為橋接連線的等效電感，Lp1為金屬貼片單元的等效電感，Cp1，Cp2為金屬貼片單元的等效電容，且有Cp1=2Cp2，因此，共面EBG結構具有低通濾波特性。

圖1 共面EBG結構單元一維等效電路分析模型Fig.1 One-dimensional model for planar EBG

在該模型下，共面EBG結構的下限截止頻率fL和上限截止頻率fH分別為［1］

由式(1)和式(2)可知，在金屬貼片等效電容Cp1和Cp2一定時，可通過增大橋的等效電感Lb降低fL，通過減小金屬貼片單元的等效電感Lp1提高fH。通過改變金屬貼片的等效電容Cp1、Cp2同樣可以改變fL和fH，但減小金屬貼片等效電容將削弱EBG結構對SSN的抑制能力［15］。為保證對SSN的抑制深度，在實際設計中，通過適當?shù)脑O計以改變橋接連線的等效電感Lb及金屬貼片等效電感Lp1，可得到不同的既滿足SSN抑制深度要求同時滿足阻帶帶寬要求的EBG結構［15，16］。

1.3 單元內(nèi)組合單元法

根據(jù)組合單元法思想，將具有不同帶隙特性的子單元結構組合在一起，可得到多個子帶隙;當這些不同的子帶隙首尾相連，就能得到較寬的阻帶寬度，達到擴展EBG結構阻帶寬度的目的。然而，根據(jù)組合單元法，要獲得阻帶寬度的擴展，必須要設計具有不同帶隙的單元結構，同時要保證不同結構單元的帶隙之間能在頻段上首尾相連。為此，筆者在結構單元的設計中使用組合單元法的方法，通過使用兩種不同的橋接連線，實現(xiàn)EBG結構阻帶寬度的擴展，從而使EBG結構SSN抑制性能的提升。

2 HB-EBG結構設計及分析

2.1 結構設計及SSN抑制分析

通過在結構單元內(nèi)使用組合單元法思想，筆者提出了一種共面混合橋電磁帶隙(HB-EBG:Hybrid Bridges EBG)結構，其結構單元形狀及相應尺寸參數(shù)定義如圖2所示。參數(shù)值分別為:a=30mm，w1=0.1mm，w2=w3=0.2mm，g1=0.4mm，g2=0.2mm，g3=1.0mm，s=6.1mm，l1=11.0mm，l2=9.0mm。

相鄰兩個HB-EBG結構單元之間的連接示意如圖3所示，相鄰結構單元由當前單元旋轉(zhuǎn)180°后與當前單元相連。該設計一方面通過改進的S-型橋接連線增加金屬貼片單元間的等效電感，以改善EBG結構低頻段性能;另一方面使用不同的S-型橋組合，以改善EBG結構的阻帶特性，從而增強該結構的SSN抑制能力。

圖2 HB-EBG單元結構及尺寸參數(shù)定義Fig.2 HB-EBG structure unit and dimension

圖3 HB-EBG結構相鄰單元連接示意圖Fig.3 Neighboring two HB-EBG cells

為說明HB-EBG結構對SSN的抑制性能，分別使用HB-EBG結構單元和LBS-EBG結構單元設計了兩層PCB模型，模型的結構示意如圖4所示。模型的電源層由3×5的HB-EBG結構單元矩陣組成，地層保持完整，模型尺寸為90mm×150mm。層間填充介質(zhì)為FR-4，介電常數(shù)為4.4，損耗正切值為0.02，介質(zhì)厚度為0.8mm，銅箔厚度為0.035mm。在電源平面上的(15mm，45mm)，(75mm，75mm)和(135mm，45mm)處分別添加50 Ω集總同軸端口，其中端口1為輸入端口，模擬噪聲源，端口2和端口3為輸出端口，模擬噪聲敏感電路。同時制作了相應的PCB，使用Agilent N9918A進行實驗測量。

圖4 HB-EBG電源地平面結構示意圖Fig.4 HB-EBG power/ground plane

表1為筆者提出的HB-EBG結構和文獻［6］提出的LBS-EBG結構的參數(shù)對比。HB-EBG作為電源層和LBS-EBG作為電源層時端口1到端口2的傳輸參數(shù)仿真結果對比如圖5所示，圖6為相應的實驗測量結果，低頻段的S21參數(shù)測量結果對比如圖7所示。仿真結果與實驗測量結果具有良好的一致性。以上對比結果表明，與LBS-EBG相比，HB-EBG結構在保持良好的高頻段SSN抑制性能的同時，使阻帶下限截止頻率由432 MHz(該值為文獻［6］中的測量值，該實驗中的測量值為466 MHz)下降至225 MHz，有效降低了阻帶中心頻率，提升了EBG結構低頻段的SSN抑制能力，HB-EBG結構有效改善了共面EBG結構的SSN抑制性能。

表1 HB-EBG與LBS-EBG的對比Tab.1 Comparisons with LBS-EBG

圖5 HB-EBG與LBS-EBG傳輸參數(shù)S21仿真對比Fig.5 Simulated insertion losses S21of HB-EBG and LBS-EBG

圖6 HB-EBG與LBS-EBG傳輸 參數(shù)S21實測對比Fig.6 Measured insertion losses S21of HB-EBG and LBS-EBG

筆者提出的HB-EBG結構中端口1到端口2和端口3的傳輸參數(shù)仿真對比如圖8所示。在相同激勵的情況下，S31與S21特性曲線在阻帶范圍內(nèi)基本一致，說明HB-EBG結構在各個方向都可有效抑制電源地平面間的同步開關噪聲。

圖7 HB-EBG與LBS-EBG低頻段傳輸參數(shù)S21實測對比Fig.7 Measured insertion losses S21of HB-EBG and LBS-EBG in the lower frequency range

圖8 HB-EBG的S21和S31參數(shù)仿真對比Fig.8 Simulated insertion losses S21and S31

2.2 信號完整性分析

筆者提出的HB-EBG結構具有阻帶范圍較寬且阻帶中心頻率較低的特點。然而，當使用HB-EBG結構矩陣替代完整的平行板電源平面時，會導致電源平面的不連續(xù)。當信號以該平面為參考平面時，信號返回路徑將被迫改變，導致傳輸線阻抗不連續(xù)及信號回路電感增大，最終引起信號反射、串擾及EMI等問題。針對HB-EBG結構帶來的信號完整性問題，筆者通過使用局部拓撲同時采用保持傳輸線參考平面連續(xù)的策略改善HB-EBG結構的信號完整性。

圖9 4層HB-EBG結構分析模型Fig.9 Four-layer HB-EBG PCB structure

為驗證該策略下HB-EBG結構的信號完整性及SSN抑制能力，制作了如圖9所示的4層PCB仿真結構模型，電源層使用局部拓撲下的HB-EBG結構矩陣，地平面保持完整，頂層和底層為信號層。模型中，使用完整平面代替如圖所示的4個HB-EBG結構單元。HB-EBG結構單元尺寸及介質(zhì)參數(shù)如前文所述，模型尺寸如圖9所示，層間距為0.4mm。同時在模型中制作了兩條傳輸線，一條傳輸線由頂層(15mm，15mm)到(15mm，45mm)后，經(jīng)過孔到達底層，經(jīng)底層到達(15mm，65mm)，再經(jīng)過孔到達頂層后，最終到達(15mm，75mm);另一條傳輸線采用相同的換層策略，坐標分別為(135mm，15mm)、(135mm，45mm)、(135mm，65mm)和(135mm，75mm);傳輸線阻抗均為50Ω，并分別在傳輸線兩端添加50Ω集總同軸端口。同時制作了以下3種對比模型:1)電源平面為完整平面，傳輸線為50Ω單端信號線;2)參考平面為HB-EBG結構矩陣，傳輸線為50 Ω單端信號線;3)參考平面為HB-EBG結構矩陣，傳輸線為100Ω差分信號線。其中各模型中傳輸線的換層策略、HB-EBG結構單元尺寸、模型尺寸及層疊等與局部拓撲下的保持一致。

使用Ansoft Designer軟件進行仿真分析，在端口1處添加27-1偽隨機二進位序列源，在端口2處觀察信號傳輸質(zhì)量。偽隨機序列源的中心頻率為3 GHz，信號上升時間及下降時間均為120 ps，信號擺幅為500 mV。各模型下傳輸線的信號仿真眼圖如圖10所示，其中，圖10a為參考平面為完整平面時單端信號眼圖;圖10b為參考平面為HB-EBG結構矩陣時單端信號眼圖;圖10c為參考平面為HB-EBG結構矩陣時差分傳輸線的信號眼圖;圖10d為參考平面為局部拓撲HB-EBG并采用保持信號參考平面連續(xù)的布線策略時單端信號的眼圖。仿真結果的眼圖參數(shù)對比如表2所示。結果顯示:相較于以完整平面為參考平面，當單端信號線以HB-EBG結構矩陣為參考平面時，信號眼高(MEO:Maximum Eye Open)由424 mV下降至334 mV，眼寬(MEW:Maximum Eye Width)由316 mV下降至178 mV，信號眼高和眼寬分別退化21.2%和43.7%，信號質(zhì)量退化嚴重，說明當單端信號以HB-EBG結構為參考平面時存在嚴重的信號完整性問題;采用差分傳輸線可明顯改善信號質(zhì)量，但差分信號線需占據(jù)兩倍以上的布線空間，并容易產(chǎn)生EMI問題;當采用局部拓撲并選擇保持傳輸線參考平面連續(xù)的布線策略時，單端信號眼高為404 mV，眼寬為306 mV，與完整平面信號眼圖相比，眼高和眼寬的降低程度分別為4.7%和3.2%。表明當使用局部拓撲并采用適當?shù)淖呔€策略時，能明顯改善該結構的信號傳輸質(zhì)量，局部HB-EBG結構可實現(xiàn)較好的信號完整性。

圖10 信號的眼圖Fig.10 Simulated eye patterns

當一條傳輸線經(jīng)過過孔進行換層時，將噪聲耦合至電源、地平面構成的平行板波導中;這些噪聲在PDN中傳播，并通過信號換層過孔將能量耦合至其他傳輸線中，導致信號完整性問題。圖11為圖9所示模型與相應完整HB-EBG結構及以完整平面作為電源層時端口1和端口3之間的傳輸特性參數(shù)仿真結果。結果顯示:局部拓撲下，在小范圍內(nèi)使用完整平面代替HB-EBG結構單元時，對結構的SSN抑制性能影響較小，局部拓撲HB-EBG在實現(xiàn)較好的信號完整性的同時能實現(xiàn)對SSN的有效抑制。

表2 各模型下信號仿真眼圖參數(shù)對比Tab.2 Comparisons of different SI models

圖11 HB-EBG與局部拓撲HB-EBG的SSN抑制性能Fig.11 SSN suppression under HB-EBG and localized HB-EBG

3 結語

筆者通過在EBG結構單元內(nèi)使用組合單元法，提出了HB-EBG結構。實驗測量結果顯示，該結構在抑制深度為-40 dB時，阻帶范圍為225 MHz～15 GHz，在實現(xiàn)較寬阻帶寬度的同時，有效降低了阻帶中心頻率，增強了結構低頻段SSN抑制能力。同時，針對HB-EBG結構帶來的SI問題，研究了局部拓撲下的信號傳輸特性。仿真結果表明，當采用局部拓撲并選擇適當?shù)淖呔€策略時，該結構在保持良好的SSN抑制性能的同時，能實現(xiàn)較好的信號完整性。

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(責任編輯:何桂華)

A Novel Ultra-Wide Stopband Planar Electromagnetic Band-Gap Structure with Hybrid Bridges

RU Yan，CHEN Peng，JIN Feng
(College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China)

To improve the SSN(Simultaneous Switching Noise)suppression performance of the planar EBG(Electromagnetic Band-Gap)structure，a novel planar HB-EBG(Hybrid Bridges EBG)is proposed by applying the concept of“united cells method”in the unit cell.In our proposed HB-EBG，the-40 dB stopband is achieved from 225 MHz to 15 GHz.The lower cutoff frequency is decreased from 432 MHz to 225 MHz as compared to the EBG structure with LBS(L-shaped Bridges and Slits).A lower band-gap center frequency is also obtained.The signal transfer characteristics of the localized HB-EBG are studied.Wideband SSN suppression and good signal integrity are successfully verified by simulations and measurements.

electromagnetic band-gap(EBG);signal integrity(SI);power integrity(PI);simultaneous switching noise(SSN);stopband

TN41

A

1671-5896(2014)02-0151-07

2013-11-14

國家自然科學基金資助項目(61303139)

汝巖(1986— )，男，安徽亳州人，浙江工業(yè)大學碩士研究生，主要從事高速電路信號完整性及電源完整性研究，(Tel)86-571-85290717(E-mail)ruyan0916@163.com;陳朋(1981— )，男，浙江溫州人，浙江工業(yè)大學副教授，博士，碩士生導師，主要從事聲吶信號處理及高速電路信號完整性分析研究，(Tel)86-13819195905(E-mail)chenpeng123@zju.edu.cn。