申才立 陳瑞明 王棟 蘇浩航 韓志學(xué)

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

隨著高分辨率對(duì)地觀測(cè)相機(jī)研制技術(shù)的不斷發(fā)展，相機(jī)成像電路結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，呈現(xiàn)高速和高集成度的特點(diǎn)；同時(shí)現(xiàn)代CMOS工藝的數(shù)字器件時(shí)鐘和信號(hào)的邊沿不斷變陡，信號(hào)電壓也逐漸降低。由于單個(gè)器件內(nèi)部集成的晶體管數(shù)量增加，當(dāng)電路系統(tǒng)中大量的高速開關(guān)門電路同時(shí)切換時(shí)，其電流變化引起的噪聲就會(huì)疊加，在電路中產(chǎn)生同步開關(guān)噪聲（simultaneous switching noise，SSN），也稱為地彈噪聲[1]。如果噪聲門限超過閾值，將導(dǎo)致電路錯(cuò)誤翻轉(zhuǎn)，功能受損。由于 CCD相機(jī)成像電路是模數(shù)混合信號(hào)處理電路，數(shù)字部分產(chǎn)生的SSN將會(huì)嚴(yán)重影響模擬前端電路的性能，因此這個(gè)問題成為高分辨率相機(jī)成像電路設(shè)計(jì)的瓶頸，解決這個(gè)問題的方法就是抑制SSN，從而維持一個(gè)低噪聲的電源分配系統(tǒng)。最經(jīng)典的方法就是在電路中添加大量的去耦電容，這是一種為SSN提供低阻抗的本地通路來達(dá)到抑制SSN的目的。但去耦電容抑制SSN的頻率范圍有限，對(duì)于常見的瓷片電容，僅在噪聲頻率低于600MHz時(shí)有較好的抑制作用。而隨著頻率的提高，電容本身以及過孔、印制線等寄生電感的影響變大，逐漸抵消甚至超過容抗的作用。也就是說，去耦電容只在低于自身諧振頻率時(shí)才有效[1]。

電磁帶隙（electromagnetic band-gap，EBG）結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，給SSN的抑制提供了一種新的解決方法。EBG結(jié)構(gòu)最初由文獻(xiàn)[2]提出并應(yīng)用于天線方面的表面波抑制，最初提出的是一種Mushroom-like結(jié)構(gòu)[2]，它是在兩層金屬之間嵌入一層雙面的周期性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于制作工藝復(fù)雜等原因，應(yīng)用受到一定限制。文獻(xiàn)[3]提出了平面 EBG結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)就是在一層平面上蝕刻出周期性的單元結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)又由分支和基本單元兩部分組成。平面EBG結(jié)構(gòu)由于具有簡(jiǎn)單、低損耗和易加工等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛關(guān)注，在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[3-7]提出了L-Bridge結(jié)構(gòu)、S-Bridge結(jié)構(gòu)以及空心型等多種平面EBG結(jié)構(gòu)，其中大多研究都致力于如何降低EBG結(jié)構(gòu)的阻帶中心頻率和增加阻帶帶寬來抑制SSN，如文獻(xiàn)[5]中結(jié)構(gòu)的抑制帶寬達(dá)到了7.7GHz。本文提出一種適用于在高速電路中有效抑制SSN的多周期平面EBG結(jié)構(gòu)，并使用ANSYS HFSS仿真軟件對(duì)該EBG結(jié)構(gòu)的頻域特性進(jìn)行了分析。

1 帶隙的形成及設(shè)計(jì)

1.1 帶隙的形成

EBG結(jié)構(gòu)的帶隙形成原理一般分為兩種[8-10]：Bragg散射原理和局域諧振原理。Bragg散射原理是利用一種介質(zhì)材料在另一種介質(zhì)材料中周期分布形成的結(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波經(jīng)過這種結(jié)構(gòu)時(shí)，某些頻段的電磁波強(qiáng)度會(huì)因?yàn)橹芷谛缘慕橘|(zhì)散射而減弱，從而在頻譜上形成頻率帶隙；根據(jù)Bragg散射理論，這種結(jié)構(gòu)的周期需要與帶隙中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)相當(dāng)[11]；工程應(yīng)用時(shí)中心頻率可低至1GHz左右，結(jié)構(gòu)單元的尺寸約30cm，過大的結(jié)構(gòu)尺寸在一定程度上限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。局域諧振原理是利用金屬單元在電介質(zhì)中的特殊排列關(guān)系，形成局域的電容與電感諧振單元，利用結(jié)構(gòu)單元本身的諧振效應(yīng)，通過高阻平面來抑制諧振頻率附近的表面波傳播，從而形成電磁頻率帶隙；這種結(jié)構(gòu)的帶隙中心頻率僅與局域諧振單元的諧振頻率有關(guān)，而與結(jié)構(gòu)的周期多少無關(guān)，可以采用集總參數(shù)的并聯(lián)LC電路模型對(duì)帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述和估算。局域諧振原理EBG的主要結(jié)構(gòu)有兩種：Mushroom-like結(jié)構(gòu)和共面緊湊型（UC）結(jié)構(gòu)。由于Mushroom-like結(jié)構(gòu)所需的額外附加金屬層增加了成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，其使用受到一定的限制，經(jīng)過不斷改進(jìn)，EBG結(jié)構(gòu)逐漸演化為以共面緊湊型EBG結(jié)構(gòu)（又稱平面型EBG）為主。

1.2 帶隙的設(shè)計(jì)

平面型 EBG結(jié)構(gòu)是在電源層或地層的金屬面上蝕刻出周期性的結(jié)構(gòu)。通過單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使EBG結(jié)構(gòu)等效為集總參數(shù)的LC網(wǎng)絡(luò)，其電磁特性也可以采用等效的電感和電容來描述。利用單元諧振時(shí)阻抗無窮大的特性，來抑制諧振頻率附近的電磁波，從而形成電磁頻率帶隙[12-14]。一種傳統(tǒng)的平面EBG結(jié)構(gòu)單元如圖1所示[15]，其等效電路圖如圖2所示[15]，其中Lp為EBG結(jié)構(gòu)單元金屬塊的等效電感；Cp為單元金屬塊與地平面之間等效電容；Lb為橋接連線的等效電感；Cb為橋接連線的等效電容；Cg為兩個(gè)相鄰單元之間的等效間隙電容。

圖1 傳統(tǒng)的平面EBG結(jié)構(gòu)單元示例Fig.1 Cell of traditional planar EBG

圖2 平面EBG結(jié)構(gòu)單元的等效電路示例Fig.2 Equivalent circuit of planar EBG structure

由等效電路圖可知，該結(jié)構(gòu)單元的輸入阻抗可以表示為[16]

式中 ω為角頻率。

若忽略Cb（因其影響較?。剑?）可簡(jiǎn)化為

考慮發(fā)生諧振效應(yīng)，若發(fā)生并聯(lián)諧振，即令分母等于0，其并聯(lián)諧振頻率為

若發(fā)生串聯(lián)諧振，即令Zin中的虛部等于0，其串聯(lián)諧振頻率為

根據(jù)電路原理，并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振一定是交替出現(xiàn)的[16]。由式（3）、（4）可知，并聯(lián)諧振的諧振頻率較小，所以起始截止頻率可用式（3）表示。

截止頻帶的帶寬可以由自由空間的波阻抗η和輸入阻抗Zin之間的關(guān)系推導(dǎo)出[11]，如式（5）所示。截止頻帶的帶寬為

由上述分析可知，衡量平面 EBG結(jié)構(gòu)降噪性能的兩種重要指標(biāo)是起始截止頻率f0和截止頻率帶寬BW。因此，可根據(jù)式（3）、（5），并結(jié)合傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種新型平面EBG結(jié)構(gòu)。

1.3 新型平面EBG結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

由電路原理可知，電路中連線的電感值與其長(zhǎng)度成正比，平行板的電容值與其正對(duì)面積成正比，因此EBG結(jié)構(gòu)單元的大小以及相對(duì)應(yīng)橋接連線長(zhǎng)短的不同，都使其截止頻帶的起始截止頻率和帶隙寬度不相同。如果采用尺寸較大的基本單元結(jié)構(gòu)，雖然可以增大帶隙寬度，但考慮到在實(shí)際使用中PCB自身尺寸的限制，如果基本單元結(jié)構(gòu)的尺寸過大，在同樣的PCB尺寸下，能布置的EBG基本單元數(shù)量就會(huì)減少，從而使降噪效果降低[14]。由式（3）、（5）可知，增加基本單元的等效電感值，比如增加式（3）、（5）中Lb的值，而其他參數(shù)值保持不變，不僅可以降低起始截止頻率，而且能增加帶寬，增強(qiáng)降噪效果。綜合以上分析，本文在設(shè)計(jì)新型平面EBG結(jié)構(gòu)時(shí)，在保證基本單元等效電容值不變的基礎(chǔ)上，盡可能增加分支結(jié)構(gòu)的尺寸，以增加等效電感值，從而達(dá)到較好的降噪效果。

本文在文獻(xiàn)[5,13]的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，其基本單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，基本單元大小為 15mm×15mm，橋接連線的線寬為 0.2mm，縫隙為 0.2mm，4個(gè)基本單元的大小都為5.1mm×5.1mm。等效電路如圖4所示，其中， Cp1～Cp4分別為4個(gè)基本單元的等效電容。對(duì)比圖2所示的傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)可知，本文設(shè)計(jì)的平面EBG結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把單元金屬塊的等效電感Lp歸入到橋接連線的等效電感Lb中。隨著線寬的減小，電感值逐漸變大，令Lb′為改進(jìn)后的橋接連線等效電感，因此有：Lb′＞ Lp+ Lb，其截止頻帶的起始截止頻率為

由以上分析可知，在保證等效電容值不變的情況下，改進(jìn)后的電感值大于改進(jìn)前，再結(jié)合式（3）、（6）可知，改進(jìn)后的起始截止頻率向低頻段移動(dòng)，使其抑制同步開關(guān)噪聲的能力得到增強(qiáng)。

圖3 新型平面EBG結(jié)構(gòu)基本單元示例Fig.3 Cell of novel planar EBG structure

圖4 新型平面EBG基本單元等效電路示例Fig.4 Equivalent circuit of novel planar EBG

2 仿真分析與驗(yàn)證

2.1 新型EBG結(jié)構(gòu)單元的仿真驗(yàn)證

根據(jù)圖 3所示的基本單元結(jié)構(gòu)，建立了 3×3單元的兩層 PCB板結(jié)構(gòu)模型，PCB的尺寸為45mm×45mm×0.27mm，其中電源層和地層厚度為0.035mm，中間填充厚度為0.2mm、介電常數(shù)為4.4F/m的FR4介質(zhì)[5]。為了維持信號(hào)的完整性，保持接地平面的連續(xù)，本文把EBG結(jié)構(gòu)蝕刻嵌入到電源平面，模型如圖 5所示，其中原點(diǎn)位于 PCB平面的中心。為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的頻域特性，在電源平面上添加兩個(gè)50Ω的集總型同軸端口，位置分別為端口1（–18.75mm，–18.75mm），端口2（18.75mm，18.75mm），其中端口1為輸入端口，端口2為輸出端口。

使用ANSYS HFSS軟件對(duì)該模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。圖中，S參數(shù)反映的是端口入射電壓波和反射電壓波的關(guān)系。S21為輸入端口和輸出端口間電壓的比值[5]。一般仿真中用S參數(shù)來表示噪聲抑制效果的優(yōu)劣[5]。從新型EBG結(jié)構(gòu)的S參數(shù)（S21）特性曲線中可以看出，當(dāng)抑制深度為–20dB時(shí)，阻帶的范圍為0.6～10GHz，帶寬為9.4GHz；抑制深度為–30dB時(shí)，阻帶范圍為0.7～2.3GHz和3～10GHz。

圖5 新型平面型EBG結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Novel planar EBG structure model

圖6 新型EBG結(jié)構(gòu)S參數(shù)（S21）特性曲線Fig.6 S-parameter （S21） curve of novel planar EBG structure

本文設(shè)計(jì)的平面EBG結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的平面EBG結(jié)構(gòu)相比，起始截止頻率較低，帶寬也更寬；與文獻(xiàn)[13]中的某新型平面EBG結(jié)構(gòu)相比，帶寬由7.7GHz增加到8.6GHz，達(dá)到一定的降噪效果。

2.2 結(jié)合實(shí)用PCB的仿真驗(yàn)證

根據(jù)上一節(jié)對(duì)新型EBG結(jié)構(gòu)的模型分析及仿真可以看出，在理想情況下，使用此類結(jié)構(gòu)能達(dá)到一定降低噪聲的目的。為對(duì)其應(yīng)用性能作進(jìn)一步分析，本文根據(jù)一款實(shí)用的CCD相機(jī)成像電路PCB尺寸、噪聲干擾源和噪聲敏感端的位置布局等信息，對(duì)其進(jìn)行建模仿真。

建立的CCD相機(jī)成像電路PCB模型如圖7所示。其左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎軸為Y軸，橫軸為X軸。X方向長(zhǎng)度為350mm，Y方向?qū)挾葹?50mm。根據(jù)實(shí)際電路板上易產(chǎn)生噪聲的部位，以及易受噪聲干擾的部位等因素，設(shè)計(jì)中采用局部EBG結(jié)構(gòu)布局的方法，EBG結(jié)構(gòu)的基本單元采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)。EBG結(jié)構(gòu)區(qū)域的左上角坐標(biāo)為（127mm，102mm）。根據(jù)電路板設(shè)計(jì)布局中現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列時(shí)鐘的位置和CCD模擬前端電路的位置來確定噪聲源和干擾測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)。這里分別選取端口1（129.5mm，104.5mm）和端口2（279.5mm，129.5mm），其中EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在電源層上。電源層和地層的厚度均為0.018mm，中間填充厚度為0.15mm、介電常數(shù)為4.4F/m的FR4介質(zhì)。通過ANSYS HFSS進(jìn)行仿真，其S參數(shù)結(jié)果如圖8所示，相應(yīng)完整平面參考板的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖7 蝕刻EBG的實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用PCB結(jié)構(gòu)Fig.7 A practical PCB with EBG structure

圖8 有EBG的某PCB的S參數(shù)曲線Fig.8 S-parameter curve of PCB with EBG structure

圖9 無EBG的某PCB的S參數(shù)曲線Fig.9 S-parameter curve of PCB without EBG structure

對(duì)比圖8和圖9中的仿真結(jié)果可以看出，采用EBG結(jié)構(gòu)后，PCB上頻率為0.7～4GHz的噪聲降低了40～120dB，噪聲得到了有效的抑制。

3 結(jié)束語

本文分析了 EBG結(jié)構(gòu)的帶隙形成原理以及傳統(tǒng)平面 EBG結(jié)構(gòu)的等效電路，提出了一種新型平面EBG結(jié)構(gòu)，通過等效電路分析及仿真模型分析得出，該新型EBG結(jié)構(gòu)的起始截止頻率較低，且截止頻帶的帶寬相對(duì)于參考文獻(xiàn)[5]提高了約23%。最后結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的相機(jī)電路PCB進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析，可以看出該結(jié)構(gòu)能夠有效的抑制同步開關(guān)噪聲，為以后在實(shí)際PCB中的使用提供了參考。

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