專利名稱：一種小型化的嵌入蛇形橋平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種小型化的嵌入蛇形橋平面電磁帶隙(Electromagnetic Bandgap,簡稱EBG)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法，屬于高速電路微波技術(shù)領(lǐng)域。提出的EBG結(jié)構(gòu)每個單元格的尺寸為15mmX 15mmX0. 36mm，根據(jù)測試結(jié)果，該結(jié)構(gòu)可以在O. 97GHz到21. 54GHz的頻段內(nèi)抑制高速電路電源配送網(wǎng)絡(luò)(Power DistributionNetwork,簡稱F1DN)的同步開關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise,簡稱 SSN)。
(ニ)背景技術(shù)
根據(jù)2008 國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(International Trend Roadmap ofSemiconductors，簡稱ITRS)發(fā)布的報告可知，電子系統(tǒng)正朝著更高的工作頻率、更低的エ作電平、更小的尺寸、更低的成本以及高頻時更快的瞬時電流的方向發(fā)展。這些日益增長的趨勢，使得電子系統(tǒng)越來越難以承受來自系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外的噪聲，也就加劇了 PDN設(shè)計面臨的考驗。PDN設(shè)計過程中主要關(guān)注電源完整性(Power Integrity，簡稱PI)和信號完整性(Signal Integrity,簡稱SI)兩類問題。解決問題的關(guān)鍵在于對PDN噪聲的抑制效果。PDN噪聲的主要來源是SSN，它起源于數(shù)字電路中大量開關(guān)同時在高低電平間快速切換，因為能在電源/地平面對之間傳播，因此會影響整個系統(tǒng)的電源完整性和信號完整性。通常來講，消除SSN有兩種方式。第一種方式是通過在芯片、封裝和PCB三個層次上引入去耦電容以保持PDN在很廣的頻率范圍內(nèi)具有非常低的阻杭。理想情況下，這種方式是最有效的，因為低阻抗的PDN可以快速提供三極管跳變時所需的瞬態(tài)電流，同時，也可以抑制噪聲在整個I3DN上傳播。然而實際中，由于在使用去耦電容時不可避免地會引入串聯(lián)電感，這導(dǎo)致了用以旁路高頻噪聲的去耦電容是帶限的，在高于諧振頻率的頻帶內(nèi)，去耦電容只具有感性而失效。另ー種方式是采用隔離的方法將TON的局部維持在高阻抗以削減SSN的傳播。典型的隔離方式包括在電源或地平面上蝕刻縫隙或EBG圖案。這種方法能有效地防止SSN傳播到整個PDN平面，并且有助于解決EMI和RFI問題。目前，用于抑制SSN的平面EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計主要關(guān)注兩個方面。ー是阻帶帶寬的展寬，這是因為數(shù)字電路的開關(guān)噪聲將覆蓋越來越大的頻率范圍。ニ是小型化技術(shù)，這是由封裝內(nèi)系統(tǒng)(System in Package,簡稱SiP)和片上系統(tǒng)(System on Chip,簡稱SoC)兩大技術(shù)向更小尺寸發(fā)展的趨勢所決定的。

發(fā)明內(nèi)容
I.發(fā)明目的電路電源配送網(wǎng)絡(luò)(H)N)中的噪聲逐漸延伸到特高頻(SHF，3_30GHz)的頻率范圍內(nèi)，去耦電容和傳統(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)目前并不能很好地在如此高的頻段內(nèi)工作；而且，由于電子系統(tǒng)小型化的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)的較大尺寸(30mmX30mm)的單元格在某些情況下可能不再適用?；诖耍景l(fā)明提出ー種小型化的嵌入蛇形橋平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法，以滿足単元尺寸小、阻帶帶寬大、下截止頻率小、制作成本低的要求。
2.技術(shù)方案(I)本發(fā)明ー種小型化的嵌入蛇形橋平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由ー個EBG單元沿X、Y方向在ニ維平面上周期性延拓形成的3X 3EBG結(jié)構(gòu)，每個EBG單元由三層構(gòu)成，自上而下依次是蝕刻成EBG形式的電源層(以下簡稱EBG電源層，并定義具有該層形狀的平面為EBG平面)、介質(zhì)層和完整的地層，如圖I所示。EBG電源層、地層均為厚度為I. 2mil (約O. 0305mm)的銅片，平面尺寸為1 5mm X 1 5mm η介質(zhì)層是15_Χ 15_Χ O. 36mm的矩形塊,材料是普通的FR-4介質(zhì)，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為O. 02。
EBG電源層蝕刻的樣式(圖2)是該發(fā)明的重點，我們所強調(diào)的創(chuàng)新點也正是體現(xiàn)在単元EBG平面的樣式和各參數(shù)的尺寸上，下面做詳細(xì)介紹。為便于敘述，定義每個單元EBG電源層的中心部分的金屬片為中心板(圖3)，連接兩兩單元的蛇形微帶線為橋(圖4)。EBG平面是中心対稱的周期單元圖形，它由ー塊中心金屬片(中心板)和四個連接兩兩單元的蛇形微帶線構(gòu)成，蛇形微帶線是嵌在兩兩中心板間的。如圖3所示，中心板最大邊沿尺寸(L3)為14mm,小于姆個EBG單元的邊長(L1) 15mm,所以兩兩單元連接時,兩個中心板是分離的。橋形狀特別，是一條蜿蜒的微帶線。如圖4所示，定義平行X方向的微帶線為臂，平行于Y方向的微帶線為連臂，則本發(fā)明中共有7條臂、6條連臂。每個單元中共有四個半橋，其中的任意ー個半橋繞中心板的中點旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°，可依次得到其余三個半橋。并且，每個半橋都是不連續(xù)的，只有當(dāng)兩個單元連起來吋，兩個半橋接在一起，才能恰好形成一條連續(xù)的蛇形微帶線，連通兩個中心板。由

圖1-4，EBG結(jié)構(gòu)厚度(H)、單元EBG平面邊長(L1),中心板一邊到中間缺ロ的距離(L2)、中心板最大邊沿尺寸(L3)、蛇形微帶線的始末兩端沿X方向的距離(し4)、微帶線的寬度(W)、中心板到單元EBG邊沿的距離(G1X臂與中心板的間距(G2)、連臂與中心板的間距(G2)、臂與臂的間距(G3)如下，H=O. 36mm, L1=ISmm, L2=4. 9mm,L3= 14mm,し=5mm，W=O. 2mm，G1=O. 5mm，G2=O. 5mm，G^=O. 3mm。(2)設(shè)計基礎(chǔ)I)理論基礎(chǔ)——諧振理論平面EBG結(jié)構(gòu)每個單元本身的諧振效應(yīng)在帶隙的形成中起主要作用。只要周期性EBG単元尺寸比其上傳播的信號波長小得多，EBG単元就可等效為局部諧振特性比較強的并聯(lián)LC諧振電路。因為單元諧振時電抗無窮大，EBG結(jié)構(gòu)便可以阻止諧振頻率附近的電磁波傳播，從而形成頻率帶隙，即阻帯。不失一般性，將平面EBG結(jié)構(gòu)單元等效為如圖5所示的電路模型。EBG單元中的半橋等效為電感Lb，中心板等效為串聯(lián)的的兩個π型電路，半個中心板的電容、電感分別用Cp和Lp表示，則阻帶的上下截止頻率故與fH)由下式?jīng)Q定
權(quán)利要求
1.ー種小型化的嵌入蛇形橋平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于它是由ー個EBG単元沿X、Y方向在ニ維平面上周期性延拓形成的3X3EBG結(jié)構(gòu)，每個EBG單元由三層構(gòu)成，自上而下依次是蝕刻成EBG電源層、介質(zhì)層和完整的地層，EBG電源層、地層均為厚度為I. 2mil的銅片，平面尺寸為15mmX 15mm ;介質(zhì)層是15mmX 15mmX0. 36mm的矩形塊,材料是普通的FR-4介質(zhì)，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為O. 02 ； EBG平面是中心対稱的周期單元圖形，它由ー塊中心金屬片即中心板和四個連接兩兩単元的蛇形微帶線構(gòu)成，蛇形微帶線是嵌在兩兩中心板間的，中心板最大邊沿尺寸為14mm，小于每個EBG単元的邊長15mm，兩兩單元連接時，兩個中心板是分離的，橋形狀是一條蜿蜒的微帶線，定義平行X方向的微帶線為臂，平行于Y方向的微帶線為連臂，則它共有7條臂、6條連臂，每個單元中共有四個半橋，其中的任意ー個半橋繞中心板的中點旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°，依次得到其余三個半橋；并且，每個半橋都是不連續(xù)的，只有當(dāng)兩個單元連起來時，兩個半橋接在一起，才能恰好形成一條連續(xù)的蛇形微帶線，連通兩個中心板。
2.—種小型化的嵌入蛇形橋平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟ー在確定了使用7條臂的蛇形微帶線的前提下，使用傳輸線法，在Agilent-ADS中建立EBG結(jié)構(gòu)的電路模型，使用S參數(shù)仿真，掃描優(yōu)化，大致確定平面EBG單元各參數(shù)的尺寸； 步驟ニ在Ansoft-HFSS中建立ー個EBG單元的三維模型，該模型由三層構(gòu)成，自上而下依次是EBG電源層、介質(zhì)層和完整的地層，EBG電源層、地層均為平面，尺寸為15mmX 15mm,邊界條件設(shè)置為理想金屬導(dǎo)體即Perfect E;介質(zhì)層是尺寸為.15mmX 15mmX0. 36mm的矩形塊，材料為普通的FR-4,其介電常數(shù)為4. 3,損耗角正切為.O.02 ;此外，基于步驟一得到的初歩結(jié)果，設(shè)置單元EBG平面各參數(shù)的尺寸； 步驟三在Ansoft-HFSS中建立3X3單元格的EBG結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置端ロ，仿真測試兩端ロ間的傳輸系數(shù)S21，并結(jié)合參數(shù)掃描，優(yōu)化EBG結(jié)構(gòu)各參數(shù)尺寸；基于步驟ニ中建立的單元EBG模型，再向X和Y方向延拓得3X3單元格的EBG結(jié)構(gòu)模型，在設(shè)計過程中設(shè)置了兩個端ロ，假定EBG結(jié)構(gòu)的左下角為坐標(biāo)原點，則端ロー、端ロニ的中心坐標(biāo)分別在(22. 5mm,.22. 5mm), (7. 5mm, 7. 5mm)上，激勵源選擇集總端ロ即Lumped Port ;在EBG結(jié)構(gòu)之外設(shè)置一個大的空氣盒子，該盒子外殼的每個平面到EBG結(jié)構(gòu)的距離都不能小于10mm，其邊界條件設(shè)置為輻射邊界條件即Radiation ;頻率掃描范圍設(shè)置為40MHz - 40GHz ;添加參數(shù)掃描設(shè)置，分別對蛇形微帶線始末兩端沿X方向的距離(L4)、微帶線的寬度(W)、臂與臂的間距(G3)參數(shù)做掃描，觀察S21曲線變化情況，找到滿意的仿真結(jié)果，即抑制帶寬大、下截止頻率低的阻帶特性，從而確定滿意的EBG結(jié)構(gòu)的各參數(shù)尺寸；最終確定的EBG結(jié)構(gòu)的S21仿真結(jié)果，該EBG結(jié)構(gòu)在I. lOGHz-21. 53GHz和21. 92GHz_36. 17GHz的范圍內(nèi)抑制深度可達30dB以上；同吋，為了證明提出的EBG結(jié)構(gòu)確實可以起到抑制SSN的作用，需要在HFSS中建立ー個對照板，即將EBG電源層替換為普通的完整金屬平面，其它參數(shù)及端ロ位置均保持不變； 步驟四制做EBG板，并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA測試該電路板實際抑制電源噪聲的性能；制作的EBG板由三層構(gòu)成，自上而下依次是EBG電源層、介質(zhì)層和完整的地層，EBG電源層、地層均為平面，尺寸為45mmX45mm ;介質(zhì)層是尺寸為45mmX45mmX0· 36mm的矩形塊，材料為FR-4，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為O. 02 ;單元EBG平面是中心對稱圖形，它的中心板形狀規(guī)整，最大邊沿尺寸(L3)為14mm，橋是一條蜿蜒的微帶線，蛇形微帶線的始末兩端沿X方向的距離(L4)、微帶線的寬度(W)、臂與中心板的間距(G2)、連臂與中心板的間距(G2)、臂與臂的間距(G3)如下，L4=5mm, W=O. 2mm, G2=O. 5mm, G3=O. 3mm ;依照步驟三中所述的端ロ位置，在電路板上打通孔，將SMA接頭的底座焊接在EBG平面，SMA接頭的探針焊接在地平面，務(wù)必注意不要讓探針與EBG平面接觸，以防短路，影響測試結(jié)果；這里指定端ロ 一(22. 5mm, 22. 5mm)為激勵源端ロ，端ロニ(7. 5mm, 7. 5mm)為接收端端ロ ；使用VNA進行測試，掃描頻率設(shè)置為40MHZ-26. 5GHz，測試結(jié)果直接由GPIB卡讀出，同吋，為了證明提出的EBG結(jié)構(gòu)確實起到抑制SSN的作用，需要加工一個對照板，即將EBG電源層替換為普通的完整金屬平面，其它參數(shù)及端ロ位置均保持不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種小型化的嵌入蛇形橋平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于該EBG結(jié)構(gòu)厚度(H)、単元EBG平面邊長(L1),中心板一邊到中間缺ロ的距離(L2)、中心板最大邊沿尺寸(l3)、蛇形微帶線的始末兩端沿X方向的距離(l4)、微帶線的寬度(W)、中心板到単元EBG邊沿的距離(G1)、臂與中心板的間距(G2)、連臂與中心板的間距(G2)、臂與臂的間距(G3)如下，H=O. 36mm, L1=ISmm, L2=4. 9mm, L3=14mm, L4=5mm, W=O. 2mm, G,=0. 5mm, G2=O. 5mm,G3=O. 3mm。
全文摘要
一種小型化的嵌入蛇形橋平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，它自上而下分別為EBG電源層、介質(zhì)層和地層。EBG電源層和地層的材料是銅，介質(zhì)層的材料是普通的FR-4。本發(fā)明在傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，縮小了單元格的尺寸和中心板的面積，以減小其電容電感，使得阻帶帶寬變大。提出的EBG結(jié)構(gòu)每個單元格的尺寸為15mm×15mm×0.36mm，根據(jù)測試結(jié)果，該結(jié)構(gòu)可以在0.97GHz到21.54GHz的頻段內(nèi)抑制高速電路電源配送網(wǎng)絡(luò)的同步開關(guān)噪聲。其構(gòu)建方法有四大步驟步驟一，在ADS中建模，仿真優(yōu)化得EBG單元的大致尺寸；步驟二，利用上述尺寸，在HFSS中建立EBG單元的模型；步驟三，建立3×3單元格的EBG模型，設(shè)置端口，參數(shù)掃描得最終尺寸；步驟四，制板并用VNA測試板子的抑制性能。
文檔編號H01P1/20GK102694221SQ201210177110
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者王彥盛, 石國昌, 閻照文, 馬志才 申請人:北京航空航天大學(xué)