專利名稱：一種優(yōu)化pcb板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化PCB板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法。該電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以抑制高速電路電源分配網(wǎng)絡(luò)(“電源分配網(wǎng)絡(luò)”以下簡(jiǎn)稱PDN)的高頻及超高頻電源噪聲。它屬于高速電路微波技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和電路新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，電路系統(tǒng)向著高速度、高密度、 高功耗、低電壓和大電流的趨勢(shì)發(fā)展。電路系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性成為高速電路發(fā)展的關(guān)鍵，這就為當(dāng)代電子系統(tǒng)的電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與電源完整性分析提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。PDN是電子系統(tǒng)最龐大最復(fù)雜的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)上所有器件都直接或間接地連接到PDN上，約40%的互聯(lián)空間用于PDN布局布線。PDN的設(shè)計(jì)與電路電源完整性(PI)直接相關(guān)，也與信號(hào)完整性(Si)和電磁干擾(EMI)緊密相連。PCB板上的晶體管的同步開關(guān)行為需要吸取大量的瞬態(tài)電流，導(dǎo)致了供電軌道電壓的波動(dòng)，電壓波動(dòng)在PDN上傳播形成分布式電源噪聲。電源噪聲通過PDN耦合到信號(hào)線上，引起信號(hào)畸變，眼圖閉合。電源地平面形成的諧振腔容易被高速數(shù)字信號(hào)的返回電流和同步開關(guān)噪聲(SSN)激勵(lì)而發(fā)生諧振，導(dǎo)致電源地平面邊緣上嚴(yán)重的電磁輻射。當(dāng)前對(duì)PI的研究并沒有形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，研究方向主要為電源平面的建模與分析、去耦電容網(wǎng)絡(luò)的分析與設(shè)計(jì)、電源開關(guān)噪聲和PCB的電磁兼容四個(gè)方面。對(duì)于PDN 的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，去耦電容網(wǎng)絡(luò)是其重要組成部分，去耦網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也是PDN的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。如何分配去耦電容器、去耦電容的位置是否影響去耦效果等問題是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。SSN的抑制也是PDN設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前已經(jīng)發(fā)展出了多種SSN抑制方法(1)添加分立去耦電容器；(2)采用嵌入式去耦電容器；(3)優(yōu)化過孔的位置；(4)電源地平面分割；( 在PCB邊緣增加阻性匹配元件；(6)采用有損元件；(7)設(shè)計(jì)過孔防護(hù)欄；⑶采用差分信令等。但這些方法在抑制SSN時(shí)存在不足，如去耦電容的寄生電感使得電容器在高頻的阻抗增大而使得噪聲抑制失效，一般的表貼封裝去耦電容器的去耦范圍在IOOMHz左右。近年來引進(jìn)了一種采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG結(jié)構(gòu))抑制PDN中電源噪聲的方法，并衍生出多種寬帶EBG結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)與分析方法。EBG結(jié)構(gòu)是具有帶阻特性的周期性結(jié)構(gòu)，可以采用金屬、介質(zhì)、鐵磁或鐵電物質(zhì)植入基質(zhì)材料，或者直接由各種材料周期性排列而成。目前國(guó)內(nèi)外提出的EBG結(jié)構(gòu)多種多樣， 比如在介質(zhì)基板中穿孔，或者在介質(zhì)基板中填充其他材料或金屬，在微帶電路表面環(huán)繞冗余部分形成EBG結(jié)構(gòu)等。EBG結(jié)構(gòu)引入到電源地平面的噪聲抑制中抑制高速系統(tǒng)中SSN和電磁輻射其原理為EBG結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一種奇特電磁特性，它為兩平面間的高頻電流(或噪聲) 提供了低阻抗通路。兩參考平面交流短路，這就使得電源地平面產(chǎn)生的噪聲迅速通過本地低阻抗通路形成回路，不能向外傳播，從而達(dá)到噪聲抑制的效果。噪聲被抑制的同時(shí)也減小了電磁輻射。
一般情況下，EBG結(jié)構(gòu)的帶寬很窄并且下限截止頻率很高，而數(shù)字信號(hào)的SSN頻率范圍覆蓋從DC到時(shí)鐘頻率的高次諧波。因此如何降低EBG結(jié)構(gòu)的下限截止頻率或增加帶寬以獲得更好的噪聲抑制特性成為研究焦點(diǎn)。另外應(yīng)權(quán)衡SSN抑制和成本問題。將電磁帶隙概念引入到集成電路的設(shè)計(jì)和制作工藝中，利用現(xiàn)有的集成電路工藝，如反應(yīng)離子體刻蝕、基于X射線光刻技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)電磁帶隙與集成電路的有機(jī)結(jié)合， 降低電磁帶隙的制作難度和成本。本發(fā)明中設(shè)計(jì)了一種新型的抑制頻率帶寬達(dá)IOGHz以上的復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)。它實(shí)現(xiàn)了低下限截止頻率高帶寬的特性且制作成本低。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的由于電子電路的電源分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的噪聲逐漸延伸到高頻、超高頻的頻率范圍內(nèi)，目前傳統(tǒng)的添加去耦電容和現(xiàn)存經(jīng)典的EBG結(jié)構(gòu)不能很好的應(yīng)用到如此高的頻率范圍，且需要考慮到電子電路的制作工藝和生產(chǎn)成本等問題，本發(fā)明提供一種優(yōu)化PCB板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法，它實(shí)現(xiàn)了相對(duì)頻帶帶寬高、制作成本低的特性要求。該復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)經(jīng)典的EBG結(jié)構(gòu)相比，克服了傳統(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)抑制噪聲頻帶寬度較窄的缺點(diǎn)。它可以應(yīng)用在SSN噪聲分布范圍越來越寬，要求抑制的頻率上限越來越高的高速信號(hào)電路中。這種結(jié)構(gòu)通過兩種相同形狀不同尺寸形狀的電源平面蝕刻，有效縮小了電磁帶隙結(jié)構(gòu)的尺寸，實(shí)現(xiàn)了 EBG結(jié)構(gòu)的小型化，有利于電路的集成。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種優(yōu)化PCB板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，它是一種復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，它是由EBG結(jié)構(gòu)單元(即周期單元)沿X，Y方向周期延拓而成。(1)復(fù)合共面電磁帶隙結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元(EBG結(jié)構(gòu)單元)的設(shè)計(jì)復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)周期單元本身的諧振效應(yīng)在帶隙的形成中起主要作用。只要周期性電磁帶隙結(jié)構(gòu)的單元尺寸比其上傳播的信號(hào)波長(zhǎng)小得多，電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元可等效為局部諧振特性比較強(qiáng)的并聯(lián)LC諧振電路，以增加單元的諧振性能，然后利用單元諧振時(shí)電抗無窮大的特性，阻止諧振頻率附近的電磁波傳播，以形成頻率帶隙。帶隙的中心頻率和帶寬由下式?jīng)Q定(1)BW=- = -.-(2)
CO0 ^Vc其中，L和C為EBG結(jié)構(gòu)單元的等效電感和等效電容。η是自由空間波阻抗，ω。 是中心頻率，BW是相對(duì)帶寬。本發(fā)明中的電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元由方形金屬貼片和窄橋狀連接金屬枝條構(gòu)成，如圖1所示。圖中的方形金屬貼片主要對(duì)應(yīng)等效電容，窄橋狀連接金屬枝條主要對(duì)應(yīng)EBG單元結(jié)構(gòu)的等效電感。即電容大小由方形金屬貼片決定，電感大小由窄橋狀連接金屬枝條決定。因此可以改變單元結(jié)構(gòu)尺寸，控制其等效LC諧振電路，從而控制帶隙中心頻率和相對(duì)帶寬。金屬貼片的面積越大則電容越大，窄橋狀連接金屬枝條的等效路徑越長(zhǎng)則等效電感越大。由式( 可看出，帶隙寬度與單元等效電容平方根成反比，與單元等效電感平方根成反比。增大電容在降低頻率的同時(shí)會(huì)使得帶隙寬度減小，而增大電感在降低頻率的同時(shí)使得帶隙寬度增大，因此選擇增大電感來減小中心頻率的同時(shí)，增大帶寬寬度。本發(fā)明中的新型復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)就是通過充分利用單元冗余空間，增加窄橋狀連接金屬枝條在單元的空間分布率，即增大窄橋狀連接金屬枝條的等效路徑，實(shí)現(xiàn)了新型EBG結(jié)構(gòu)低下限截止頻率高帶寬特性，為實(shí)現(xiàn)EBG結(jié)構(gòu)小型化提供條件。(2)復(fù)合共面電磁帶隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)由三個(gè)參數(shù)決定阻帶的下限截止頻率，阻帶帶寬， 以及阻帶中可達(dá)到的隔離度。對(duì)復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的單個(gè)結(jié)構(gòu)單元的色散圖進(jìn)行分析可以得到復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的阻帶下限截止頻率和帶寬。對(duì)有限個(gè)復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)可以通過計(jì)算EBG結(jié)構(gòu)的S參數(shù)觀察復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的阻帶下限截止頻率，阻帶帶寬以及阻帶隔離度。復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分兩步。第一步，由復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的單個(gè)結(jié)構(gòu)單元計(jì)算出色散圖，初步得到EBG結(jié)構(gòu)的色散圖阻帶下限截止頻率和阻帶帶寬信息。色散圖描述的是EBG結(jié)構(gòu)中傳播的電磁波波相位常數(shù)和頻率之間的曲線關(guān)系，S卩β和f之間的關(guān)系。對(duì)本發(fā)明中的二維復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)電磁波在該結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，可將其看作分
別沿X和Y兩個(gè)方向傳播，其中β =^k2x+k2y , K, ky為χ和y方向的波常數(shù)。從色散圖中可以明顯觀察到EBG結(jié)構(gòu)的帶隙范圍。不存在電磁波的帶隙頻段表明電磁波在該頻段內(nèi)不能傳播。使用色散圖可以獲得使用復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)作為隔離抑制噪聲時(shí)的頻段區(qū)域。二維EBG結(jié)構(gòu)的色散圖求解可采用光子晶體結(jié)構(gòu)理論體系中的布里淵區(qū)結(jié)構(gòu)理論，二維復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)的布里淵區(qū)圖如圖3所示。其中Γ，Χ，Μ分別
對(duì)應(yīng)kx = ky = 0 -A = -= 0 ;K = ky=i三點(diǎn)、(a為^G結(jié)構(gòu)單元尺寸)。由此可以觀測(cè)
d d
沿χ和γ所有可能波矢量和其他方向上的最大和最小波矢量?jī)蓚€(gè)特殊點(diǎn)，通過在這個(gè)特殊區(qū)的計(jì)算可以得到足夠的關(guān)于能帶和帶隙的信息。本發(fā)明使用有限元法仿真軟件HFSS建立EBG結(jié)構(gòu)單元模型。通過假設(shè)復(fù)合共面 EBG結(jié)構(gòu)單元的周期無限長(zhǎng)對(duì)一個(gè)EBG結(jié)構(gòu)單元分析而獲得復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的二維色散圖。為實(shí)現(xiàn)EBG結(jié)構(gòu)單元周期無限長(zhǎng)采用主從邊界條件并使用Floquet仿真端口。其次， 為模擬電磁波在無限大空間傳播的情況，減小邊界截?cái)嗵幉ǖ拿黠@反射，一種行之有效地方法是在截?cái)嗵幵O(shè)置一種吸收邊界條件，使傳輸?shù)浇財(cái)嗵幍牟ū贿吔缥斩划a(chǎn)生反射， 從而達(dá)到模擬無限空間的目的。本發(fā)明中采用一種吸收性能非常出色的PML邊界條件，它能在有限的理想匹配層里將電磁波完全吸收，并將電、磁場(chǎng)能量在吸收邊界區(qū)分裂，對(duì)各個(gè)分裂的場(chǎng)分量賦以不同的損耗。建立的EBG單元結(jié)構(gòu)色散圖模型如圖4所示。這種方法適用于任意二維電磁帶隙結(jié)構(gòu)的色散圖求解。本發(fā)明中復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的色散圖曲線如圖5所示。計(jì)算出單元的色散圖后，我們就知道了緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的帶隙特征。第二步通過計(jì)算S參數(shù)得到復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的隔離度。可實(shí)現(xiàn)的隔離度隨緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元格數(shù)目的增加而提高。S參數(shù)的計(jì)算對(duì)象是將復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)單元拓展為有限個(gè)EBG結(jié)構(gòu)單元組成的EBG平面，如圖6所示。為了計(jì)算出S參數(shù)，我們用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)有限尺寸的復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真計(jì)算。建立的仿真模型如圖7所示。該模型為一個(gè)3X3的由EBG結(jié)構(gòu)單元組成的尺寸為90mmX90mm的二維復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)。該仿真模型由電源層，介質(zhì)層和地層構(gòu)成，它們之間的位置連接關(guān)系如圖 7 其中1為電源層(EBG平面層)位于頂層，3為地層位于底層，中間2是介質(zhì)層。且該電源層被設(shè)計(jì)成復(fù)合共面的EBG平面，該地層為完整的金屬平面，該介質(zhì)層為0. 4mm厚的FR4 介質(zhì)材料，介電常數(shù)為、=4. 3，損耗角正切為tan δ =0.02。為了計(jì)算這一結(jié)構(gòu)的插入損耗，仿真計(jì)算出緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的隔離深度，在電源平面相應(yīng)位置處添加兩個(gè)離散端口仿真分析，直角坐標(biāo)原點(diǎn)位于圖7的左上方，輸入端口 portl (激勵(lì)端口)和輸出端口 port2分別依次位于(30mm，10mm) (30mm, 50mm)，應(yīng)用有限元軟件HFSS采用50歐姆標(biāo)準(zhǔn)同軸激勵(lì)。仿真該EBG結(jié)構(gòu)在0到IOGHz頻段范圍內(nèi)的傳輸特性，得到的仿真結(jié)果如圖8所示。由仿真結(jié)構(gòu)圖可以看出設(shè)計(jì)的新型復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)存在明顯的帶隙特性，當(dāng)抑制深度為_30dB時(shí)，帶隙范圍從800MHz到IOGHz甚至更高。很好地實(shí)現(xiàn)了其低下限截止頻率高帶寬的頻段抑制特性，適應(yīng)了現(xiàn)代電子電路PDN系統(tǒng)噪聲分布范圍越來越廣，分布頻段上限越來越高的趨勢(shì)。綜上所述，本發(fā)明一種優(yōu)化PCB板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，它是一種復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，其周期單元(即EBG結(jié)構(gòu)單元)形狀是一個(gè)由四個(gè)大尺寸窄橋狀連接金屬枝條和相同形狀的八個(gè)小尺寸窄橋狀連接金屬枝條以及方形金屬貼片構(gòu)成，各個(gè)周期單元的連接方式是利用周期單元各邊的窄橋狀連接金屬枝條連接，如圖6 所示。該窄橋狀連接金屬枝條的形狀特征是該結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形金屬，橫跨兩個(gè)EBG結(jié)構(gòu)單元，將兩個(gè)EBG結(jié)構(gòu)單元的方形金屬貼片連接起來。本發(fā)明中的電磁帶隙結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算模型由電源層，介質(zhì)層和地層構(gòu)成，它們之間的位置連接關(guān)系如圖7 其中1為電源層(EBG平面層)位于頂層，3為地層位于底層，中間2是介質(zhì)層。且該電源層被設(shè)計(jì)成復(fù)合共面的EBG 平面，該地層為完整的金屬平面，該介質(zhì)層為FR4介質(zhì)材料；該復(fù)合共面EBG周期結(jié)構(gòu)的制作是在完整的電源金屬平面上利用電路刻蝕工藝刻出，復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)材料采用雙面覆銅板。根據(jù)不同工程應(yīng)用，不同的尺寸大小可以在電源平面上蝕刻出相應(yīng)不同數(shù)量的周期單元。只要周期單元數(shù)量在電源平面結(jié)構(gòu)的橫向和縱向超過三個(gè)就可以提供很好的抑制作用。本發(fā)明中仿真測(cè)試3X3的EBG結(jié)構(gòu)單元組成的尺寸為90mmX90mm的EBG結(jié)構(gòu)。為了將復(fù)合共面電磁結(jié)構(gòu)的傳輸特性測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，在實(shí)際的EBG結(jié)構(gòu)板電源平面相同位置處添加兩個(gè)測(cè)試端口，測(cè)試復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的傳輸特性。得到的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。由測(cè)試曲線圖可以看出，當(dāng)抑制深度為_30dB時(shí)，帶隙范圍從800MHz到IOGHz 甚至更高。測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果的帶寬趨勢(shì)基本吻合。但由于制作工藝和材料損耗，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果存在細(xì)微差異，但這并不影響使用。(3)本發(fā)明一種優(yōu)化PCB板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，該方法具體步驟如下；步驟一建立一個(gè)零厚度的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元層；步驟二 建立復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元的介質(zhì)層；步驟三建立復(fù)合共面EBG周期結(jié)構(gòu)單元色散圖仿真模型；步驟四將步驟一得到的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元沿X，Y方向做周期延拓得到復(fù)合共面EBG層；步驟五建立EBG結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層。將復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)層嵌入到介質(zhì)的基片中；步驟六添加仿真端口計(jì)算EBG結(jié)構(gòu)的S參數(shù)；
步驟七實(shí)際制板并測(cè)試新型復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的傳輸特性。3、優(yōu)點(diǎn)及功效1)在設(shè)計(jì)過程中，由于復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的帶寬特性是由其周期單元本身的諧振效應(yīng)決定，其頻帶的選擇性與周期單元本身的尺寸直接相關(guān)。這樣直接修改復(fù)合共面EBG 結(jié)構(gòu)的周期單元尺寸，就可以修改其對(duì)應(yīng)的頻帶范圍，且該發(fā)明中的單元蝕刻形狀較為規(guī)整。因此，便于對(duì)EBG結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行快速修改，加快設(shè)計(jì)的進(jìn)程。2)這種復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)具有低下限截止頻率高帶寬特性?？朔藗鹘y(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)抑制噪聲頻帶寬度較窄的缺點(diǎn)。它可以應(yīng)用在SSN噪聲分布范圍越來越寬，要求抑制的頻率上限越來越高的高速信號(hào)電路中。3)這種復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)通過兩種相同形狀不同尺寸形狀的電源平面蝕刻，有效縮小了電磁帶隙結(jié)構(gòu)的尺寸，實(shí)現(xiàn)了 EBG結(jié)構(gòu)的小型化，有利于電路的集成。4)這種復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該結(jié)構(gòu)在普通的上下表面覆有金屬的介質(zhì)基片上就可以實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過程中只需要調(diào)節(jié)EBG結(jié)構(gòu)電源層的結(jié)構(gòu)單元形狀和尺寸以及周期的大小就可以得到所需要的性能。該結(jié)構(gòu)參數(shù)少，大大節(jié)省設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)間。5)這種具有低下限截止頻率高帶寬的EBG結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單方便，采用現(xiàn)有常規(guī)印刷電路板制造工藝就能夠?qū)崿F(xiàn)，成本較低。


圖1是本發(fā)明中復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)單元層示意2是本發(fā)明中復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)單元示意3是本發(fā)明中二維復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)的布里淵區(qū)示意4本發(fā)明中復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)單元色散圖仿真模型示意5是本發(fā)明中復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的色散曲線6是本發(fā)明中復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)單元組成的3X3EBG平面示意7是本發(fā)明中復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)S參數(shù)仿真模型示意8是本發(fā)明中復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)S參數(shù)仿真結(jié)果9是本發(fā)明中復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)S參數(shù)測(cè)試結(jié)果中符號(hào)說明如下1 :電源層；2 介質(zhì)層；3 地層；Γ :kx = ky = 0 ;X 夂=二，ky = 0 ;M:夂=夂=二 ；
d dMx =EBG單元結(jié)構(gòu)X方向的主邊界面；Sx =EBG單元結(jié)構(gòu)X方向的從邊界面；My =EBG單元結(jié)構(gòu)Y方向的主邊界面；Sy =EBG單元結(jié)構(gòu)Y方向的從邊界面；PML 吸收邊界條件；Portl 仿真端口 1 ；Port 仿真端口 2 ；PCB 印刷電路板；PDN 電源分配網(wǎng)絡(luò)；EBG 電磁帶隙；PI 電源完整性；SI 信號(hào)完整性；EMI 電磁輻射；SSN 電源開關(guān)噪聲。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明針對(duì)高速電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種具有低下限截止頻率高帶寬的復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)，它實(shí)現(xiàn)了高速信號(hào)電路PDN中高頻段噪聲的抑制。該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)經(jīng)典平面EBG結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增大窄橋狀連接金屬枝條路徑，充分利用結(jié)構(gòu)單元冗余空間，增加窄橋狀連接金屬枝條在結(jié)構(gòu)單元的空間分布率，實(shí)現(xiàn)了新型EBG結(jié)構(gòu)的低下限截止頻率高帶寬特性，為實(shí)現(xiàn)EBG結(jié)構(gòu)小型化提供條件。本發(fā)明中的復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)是由一個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元在一個(gè)平面上周期延拓成的一個(gè)3X3 EBG結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中的電磁帶隙結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算模型由電源層，介質(zhì)層和地層構(gòu)成，它們之間的位置連接關(guān)系如圖7 其中1為電源層(EBG平面層)位于頂層，3為地層位于底層，中間 2是介質(zhì)層。且該電源層被設(shè)計(jì)成復(fù)合共面的EBG平面，該地層為完整的金屬平面，該介質(zhì)層為0.4mm厚的FR4介質(zhì)材料，介電常數(shù)為ε ^ = 4. 3，損耗角正切為tan δ =0.02。所述復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)平面如圖6，它是在完整的電源金屬平面上利用電路刻蝕工藝刻出，復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)材料采用雙面覆銅板。此結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，周期單元形狀是一個(gè)由四個(gè)大尺寸窄橋狀連接金屬枝條和相同形狀的八個(gè)小尺寸窄橋狀連接金屬枝條以及方形金屬貼片構(gòu)成，各個(gè)周期單元的連接方式是利用周期單元各邊的橋型枝條連接，如圖6 所示。根據(jù)不同工程應(yīng)用，不同的尺寸大小可以在電源平面上蝕刻出相應(yīng)不同數(shù)量的周期單元。只要周期單元數(shù)量在電源平面結(jié)構(gòu)的橫向和縱向超過三個(gè)就可以提供很好的抑制作用。本發(fā)明中仿真測(cè)試3X3的EBG單元結(jié)構(gòu)組成的尺寸為90mmX90mm的EBG結(jié)構(gòu)。為了仿真計(jì)算和測(cè)試出緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)對(duì)電源分配系統(tǒng)噪聲的抑制作用，在電源平面相應(yīng)位置處添加兩個(gè)離散端口。直角坐標(biāo)原點(diǎn)位于圖7的左上方，輸入端口 portl (激勵(lì)端口) 和輸出端口 port2分別依次位于(30mm，10mm) (30mm, 50mm)。如圖7所示。二維復(fù)合共面 EBG結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)的布里淵區(qū)圖如圖3所示。本發(fā)明一種優(yōu)化PCB板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，需要用到一臺(tái)可以運(yùn)行基于有限元算法HFSS軟件的電腦進(jìn)行建模和仿真計(jì)算。本發(fā)明一種優(yōu)化PCB板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，該方法具體步驟如下步驟一建立一個(gè)零厚度的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元層。首先使用HFSS仿真軟件中的作圖工具建立一個(gè)尺寸為30mmX30mm的正方形完整平面。然后使用作圖工具中的布爾操作加減功能將正方形完整平面進(jìn)行裁剪組合。EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此也可以選擇對(duì)正方形完整平面的四分之一尺寸大小進(jìn)行操作，然后應(yīng)用HFSS軟件中的鏡像功能，得到完整的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元，如圖1所示。復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元包含兩種尺寸的橋型連接金屬枝條。其中大尺寸的橋型連接金屬枝條長(zhǎng) 8. 5mm,寬1. 5mm，位于EBG周期結(jié)構(gòu)單元平面四邊側(cè)的中心。小尺寸的橋型連接金屬枝條長(zhǎng) 5mm,寬1mm，大尺寸的橋型連接金屬枝條將EBG周期結(jié)構(gòu)單元平面分成四部分金屬片塊，小尺寸的橋型連接金屬枝條位于每個(gè)金屬片塊邊沿的中心。這樣充分利用單元冗余空間，增加金屬枝條在單元的空間分布率，即增大金屬枝條的等效路徑，實(shí)現(xiàn)了新型EBG結(jié)構(gòu)低下限截止頻率高帶寬特性，為實(shí)現(xiàn)EBG結(jié)構(gòu)小型化提供條件。步驟二 建立復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元的介質(zhì)層。將復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)單元層嵌入到介質(zhì)的基片中。首先用HFSS仿真軟件中的作圖工具作一個(gè)30mmX 30mmX 0. 4mm 的長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體頂面和復(fù)合共面EBG周期結(jié)構(gòu)單元層的下表面重合。長(zhǎng)方體材料設(shè)置為介電常數(shù)為4. 3，磁導(dǎo)率為1，損耗角正切為0. 02。然后再用HFSS軟件中的作圖工具作一個(gè) 30mmX30mm的長(zhǎng)方形，將其作為復(fù)合共面EBG周期結(jié)構(gòu)單元的地層。長(zhǎng)方形上表面和長(zhǎng)方體底面重合。這樣就得到一個(gè)添加介質(zhì)層的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元，如圖2所示。步驟三建立復(fù)合共面EBG周期結(jié)構(gòu)單元色散圖仿真模型。使用HFSS軟件在EBG 周期結(jié)構(gòu)單元上建立一個(gè)尺寸為30mmX30mmX12mm的長(zhǎng)方體空氣殼子。長(zhǎng)方體的下表面與EBG結(jié)構(gòu)中EBG結(jié)構(gòu)層的上表面重合。在長(zhǎng)方體空氣殼子的上表面上建立PML層，從而達(dá)到模擬無限空間的目的，使傳輸?shù)竭吔缃財(cái)嗵幍碾姶挪ū贿吔缥斩划a(chǎn)生反射，PML層的厚度為15mm。建立一個(gè)30mmX 30mmX 27. 4mm的長(zhǎng)方體空氣殼子，使其上表面與PML層的上表面重合，下表面與EBG結(jié)構(gòu)的地層下表面重合。為實(shí)現(xiàn)EBG結(jié)構(gòu)單元周期無限長(zhǎng)條件， 將模型的四個(gè)側(cè)面邊界設(shè)置為主從邊界條件，建立的仿真模型如圖4所示。得到的色散圖仿真結(jié)果如圖5所示。由色散圖仿真結(jié)果可以看出帶隙范圍分布在800MHz到10GHz，甚至更高上限截止頻率。步驟四將步驟一得到的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元沿X，Y方向做周期延拓得到復(fù)合共面EBG層。使用HFSS仿真軟件建模中的圖形平移功能，將步驟一中得到的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元沿X，Y方向做周期延拓，X和Y方向圖形的平移距離均為30mm， 平移后的十字螺旋FSS結(jié)構(gòu)層為3X3的結(jié)構(gòu)平面，如圖6所示。步驟五建立EBG結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層。將復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)層嵌入到介質(zhì)的基片中。 首先用HFSS仿真軟件中的作圖工具作一個(gè)90mmX90mmX0. 4mm的長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體頂面和復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)層的下表面重合。長(zhǎng)方體材料設(shè)置為介電常數(shù)為4. 3，磁導(dǎo)率為1，損耗角正切為0. 02。然后再用HFSS軟件中的作圖工具作一個(gè)90mmX90mm的長(zhǎng)方形，將其作為 EBG結(jié)構(gòu)的地層。長(zhǎng)方形上表面和長(zhǎng)方體底面重合。這樣就得到一個(gè)添加介質(zhì)層的復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)，如圖7所示。步驟六添加仿真端口計(jì)算EBG結(jié)構(gòu)的S參數(shù)。為了仿真計(jì)算和測(cè)試出緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)對(duì)電源分配系統(tǒng)噪聲的抑制作用，使用HFSS在電源平面相應(yīng)位置處添加兩個(gè)離散端口。直角坐標(biāo)原點(diǎn)位于圖6的左上方，輸入端口 portl (激勵(lì)端口)和輸出端口 port2 分別依次位于(30mm，10mm) (30mm, 50mm)如圖7所示。仿真結(jié)果圖如圖8所示。由S參數(shù)可以看出設(shè)計(jì)的新型的平面EBG結(jié)構(gòu)有明顯的帶隙特性。當(dāng)抑制深度為_30dB時(shí)，帶隙范圍從800MHz到IOGHz甚至更高，與色散圖仿真結(jié)構(gòu)基本一致。步驟七實(shí)際制板并測(cè)試新型復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的傳輸特性。根據(jù)步驟五確定的最優(yōu)尺寸，加工制作電磁帶隙結(jié)構(gòu)。使用電路板刻蝕的工藝加工本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)。 這里選用FR4基材，介電常數(shù)為4. 3，厚度為0. 4mm，材料上下表面為銅膜。在步驟六中仿真模型指出添加離散端口的位置處打通孔，使用SMA頭進(jìn)行饋電，將SMA頭的同軸探針焊接在電磁帶隙結(jié)構(gòu)平面，SMA頭的接地端焊接在接地平面(完整的敷銅平面)。外導(dǎo)體端面和地平面直接接觸，使插入損耗降到最低。使用安利矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，掃描頻率設(shè)置為 O-IOGHz測(cè)試結(jié)果直接由GPIB卡讀出，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化PCB板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于它是一種復(fù)合共面EBG 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，其周期單元形狀是一個(gè)由四個(gè)大尺寸窄橋狀連接金屬枝條和相同形狀的八個(gè)小尺寸窄橋狀連接金屬枝條以及方形金屬貼片構(gòu)成，各個(gè)周期單元的連接方式是利用周期單元各邊的窄橋狀連接金屬枝條連接，該窄橋狀連接金屬枝條的形狀為長(zhǎng)方形，橫跨兩個(gè)EBG結(jié)構(gòu)單元并將兩個(gè)EBG結(jié)構(gòu)單元的方形金屬貼片連接起來；該結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算模型由電源層，介質(zhì)層和地層構(gòu)成，電源層即EBG平面層位于頂層，地層位于底層，中間是介質(zhì)層；該電源層是復(fù)合共面的EBG平面，該地層為完整的金屬平面，該介質(zhì)層為FR4 介質(zhì)材料。
2.一種優(yōu)化PCB板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(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一建立一個(gè)零厚度的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元層； 步驟二 建立復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元的介質(zhì)層； 步驟三建立復(fù)合共面EBG周期結(jié)構(gòu)單元色散圖仿真模型；步驟四將步驟一得到的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元沿X，Y方向做周期延拓得到復(fù)合共面EBG層；步驟五建立EBG結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層，將復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)層嵌入到介質(zhì)的基片中；步驟六添加仿真端口計(jì)算EBG結(jié)構(gòu)的S參數(shù)；步驟七實(shí)際制板并測(cè)試新型復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的傳輸特性。
全文摘要
一種優(yōu)化PCB板電源分配網(wǎng)絡(luò)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，它是周期結(jié)構(gòu)，周期單元形狀是由四個(gè)大尺寸窄橋狀連接金屬枝條和相同形狀的八個(gè)小尺寸窄橋狀連接金屬枝條和方形金屬貼片構(gòu)成，各個(gè)周期單元是利用各邊的窄橋狀連接金屬枝條連接。其構(gòu)建方法有七大步驟一、建立一個(gè)零厚度的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元層；二、建立復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元的介質(zhì)層；三、建立復(fù)合共面EBG周期結(jié)構(gòu)單元色散圖仿真模型；四、將步驟一得到的復(fù)合共面EBG層的周期結(jié)構(gòu)單元沿X，Y方向做周期延拓得到復(fù)合平面EBG層；五、建立EBG結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層，將復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)層嵌入到介質(zhì)的基片中；六、添加仿真端口計(jì)算EBG結(jié)構(gòu)的S參數(shù)；七、實(shí)際制板并測(cè)試復(fù)合共面EBG結(jié)構(gòu)的傳輸特性。
文檔編號(hào)H05K1/02GK102361533SQ20111029432
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者曹晉, 車明明, 閻照文, 韓雅靜 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)