一种用于抑制同步开关噪声的新型电磁带隙结构

摘要

本发明公开一种用于抑制同步开关噪声的新型电磁带隙结构。本发明刻蚀在电源平面，每个单元结构通过S型微带线连接，每个单元结构内设有L型微带线。S型形状的桥结构，增大了电磁带隙结构的桥结构的电感，从而降低了噪声抑制的下截止频率，S型形状的桥结构将SSN噪声抑制在阻带范围内无法向外传播，从而有效增大噪声抑制的带宽范围，实现对电源平面与地平面之间的同步开关噪声的超宽带抑制。本发明在抑制深度为‑40dB时，其抑制带宽范围为0.26GHz‑25GHz。

权利要求

1.一种用于抑制同步开关噪声的电磁带隙结构，为周期性结构，由多个结构单元构成；

负载在绝缘介质层的上层，绝缘介质层的下层设置地平面；其特征在于每个结构单元为正方形结构，刻蚀在电源平面；电源平面每边刻蚀有一矩形缺口，该矩形缺口的左侧壁高度小于右侧壁高度，且该缺口的底部中点引出一条微带线；所述微带线沿逆时针方向围绕电源平面至其下一条边的末端，且该条微带线位于“下一条边”部分将此边矩形缺口引出的微带线位于该边部分包围；同时该条微带线与相邻结构单元微带线相连，进而构成S型微带线；

所述电源平面的中心区域为镂空，内嵌一个方形平面板，四个角分别通过四个L型微带线与电源平面连接，所述四个L型微带线沿顺时针围绕，且关于中心对称；

所述电磁带隙结构的结构单元大小为 ，单元之间通过S型微带线相互连接，构成一个3 的周期性结构；

所述电磁带隙结构中内嵌有3个端口，其中一个端口作为输入端口，其余2个端口作为输出端口；

所述矩形缺口的左侧壁高度a1为4mm，右侧壁高度a2为4.4mm，矩形缺口内S形微带线距离内壁s为0.2mm，左侧壁距离电源平面上与该矩形缺口所在边垂直的边的最近距离d3为

14.4mm，右侧壁距离电源平面上与该矩形缺口所在边垂直的边的最近距离d2为14mm；

S型微带线位于矩形缺口内以及被相邻S形微带线围合部分的线宽w1为0.2mm，其余部分线宽g1为0.1mm；

结构单元上位于两对边上的矩形缺口最近距离c为20.6mm；

S型微带线用于围合相邻S形微带线部分的长度d1为29.4mm；

电源平面的中心空白区域为边长a3为14.4mm的正方形；

方形平面板为边长a4为12.8mm的正方形；

L型微带线用于连接方形平面板部分线宽w2为0.2mm；

L型微带线用于连接电源平面部分线宽w3为0.2mm；

L型微带线用于连接电源平面部分与方形平面板间的空隙宽度g2为0.2mm；

所述绝缘介质层为FR-4材料，为有耗介质材料，其相对介电常数为4.4，介质厚度为

0.4mm，损耗角正切值为0.02；

所述电磁带隙结构刻蚀在电源平面上，地面为一完整平面，从而对电源平面与地平面之间的同步开关噪声进行抑制。

说明书

一种用于抑制同步开关噪声的新型电磁带隙结构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络，具体涉及一种用于抑制同步开关噪声的新型电磁带隙结构。

背景技术

[0002] 随着微电子技术的飞速发展，现代电子系统对高性能、小型化、高集成度和多功能性的要求越来越高。然而，高速数字电路的异步切换会引起同步开关噪声(simultaneous switching noise,SSN)，尤其是在边缘速率均匀、工作频率高、电源电压低的情况下，电源和地面之间的SSN会引起严重的信号和电源完整性问题。因此，在混合信号系统中，抑制SSN在与良好信号相关的宽阻带内传播是非常有必要的。近年来，许多研究人员尝试了各种方法来处理SSN问题。例如增加解耦电容、选择通孔的数量和位置、采用差分互连等方式，这些方法可以有效地抑制SSN的传播。然而，这些方法存在一些不足之处，要么不能有效地抑制高频噪声，要么成本太高而无法有效地实现。

[0003] 电磁带隙结构(electromagnetic band-gap structure,EBG)是一种周期性结构，它起源于光子带隙结构，是天线领域中最早使用的一种周期结构。近年来，由于该结构具有高阻抗特性，电磁波不能在某些频段传播，尤其是在抑制SSN方面具有很大的优点，因此EBG结构在混合信号系统中具有广泛的应用前景。目前常用的平面型EBG结构是采用在电源平面上刻蚀带隙结构，来抑制同步开关噪声，但目前的电磁带隙结构在对噪声达到想要的抑制深度的同时，或是不能更好地降低下截止频率，或是不能实现超宽带抑制。本发明提出的电磁带隙结构可以在抑制深度达到-40dB的同时，其抑制带宽范围为0.26GHz-25GHz，可以有效降低下截止频率，实现对电源平面与地平面之间同步开关噪声的超宽带抑制。

发明内容

[0004] 本发明的目的主要是针对现有技术的不足，提出了一种新型电磁带隙结构，在对同步开关噪声达到所需要的抑制效果的同时，可以有效降低下截止频率，提高阻带带宽。

[0005] 为达到上述目的，本发明按以下技术方案实现：

[0006] 本发明提供一种新型电磁带隙结构，为周期性结构，负载在绝缘介质层的上表面，绝缘介质层的下表面设置地平面；

[0007] 每个结构单元为正方形结构，刻蚀在电源平面；电源平面每边刻蚀有一矩形缺口，该矩形缺口的左侧壁高度小于右侧壁高度，且该缺口的底部中点引出一条微带线；所述微带线沿逆时针方向围绕电源平面至其下一条边的末端，且该条微带线位于“下一条边”部分将此边矩形缺口引出的微带线位于该边部分包围；同时该条微带线与相邻结构单元微带线相连，进而构成S型微带线；上述四个矩形缺口引出的微带线中心对称设置；

[0008] 所述电源平面的中心区域为镂空，内嵌一个小的方形平面板，四个角分别通过四个L型微带线与电源平面连接，所述四个L型微带线沿顺时针围绕，且关于中心对称。

[0009] 进一步优选，所述电磁带隙结构的结构单元大小为30mm×30mm，单元之间通过S型微带线相互连接，构成一个3×3的周期性结构。所述电磁带隙结构中内嵌有3个端口，其中一个端口作为输入端口，其余2个端口作为输出端口。

[0010] 进一步优选，矩形缺口的左侧壁高度a1为4mm，右侧壁高度a2为4.4mm，矩形缺口内S型微带线距离内壁s为0.2mm，左侧壁距离电源平面上与该矩形缺口所在边垂直的边的最近距离d3为14.4mm，右侧壁距离电源平面上与该矩形缺口所在边垂直的边的最近距离d2为14mm。

[0011] S型微带线位于矩形缺口内以及被相邻S型微带线围合部分的线宽w1为0.2mm，其余部分线宽g1为0.1mm。

[0012] 结构单元上位于两对边上的矩形缺口最近距离c为20.6mm。

[0013] S型微带线用于围合相邻S型微带线部分的长度d1为29.4mm。

[0014] 电源平面的中心镂空区域为边长a3的正方形，a3＝14.4mm。

[0015] 方形平面板为边长a4的正方形，a4＝12.8mm。

[0016] L型微带线用于连接方形平面板部分线宽w2为0.2mm。

[0017] L型微带线用于连接电源平面部分线宽w3为0.2mm。

[0018] L型微带线用于连接电源平面部分与方形平面板间的空隙宽度g2为0.2mm。

[0019] 所述电磁带隙结构刻蚀在电源平面上，地面为一完整平面，从而对电源平面与地平面之间的同步开关噪声进行抑制。所述绝缘介质层为FR-4材料，为有耗介质材料，其相对介电常数为4.4，介质厚度为0.4mm，损耗角正切值为0.02。所述的地平面为一完整平面，保证了信号完整性不受影响。

[0020] 本发明与现有技术相比，具有如下的突出实质性特点：

[0021] 所述电磁带隙结构的相邻结构单元微带线相互连接，进而构成一个S型形状的桥结构，增大了电磁带隙结构的桥结构的电感，从而降低了噪声抑制的下截止频率，S型形状的桥结构将SSN噪声抑制在阻带范围内无法向外传播，从而有效增大噪声抑制的带宽范围，实现对电源平面与地平面之间的同步开关噪声的超宽带抑制。本发明在抑制深度为-40dB时，其抑制带宽范围为0.26GHz-25GHz。

附图说明

[0022] 图1是本发明结构由顶层至底层示意图；

[0023] 图2是本发明结构基本单元的示意图；

[0024] 图3是本发明结构基本单元的大的平面板示意图；

[0025] 图4为本发明结构基本单元的参数标注图：(a)外部参数标注图，(b)内部参数标注图；

[0026] 图5是本发明的电磁带隙结构平面图；

[0027] 图6是本发明的各端口的噪声抑制传输系数图；

[0028] 图7是本发明结构与其他典型电磁带隙结构的噪声抑制性能对比图。

具体实施方式

[0029] 下面将结合附图具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0030] 如图1所示是本发明的结构示意图，由顶层至底层结构分别为电源面1，绝缘介质层2，完整地平面3，其中所述的新型电磁带隙结构刻蚀在电源面上。

[0031] 如图2所示为本发明结构基本单元示意图，其基本单元结构是在一个如图3所示的电源平面每边刻蚀有一竖直线凹槽，且该凹槽的底部中点引出一条微带线，所述微带线沿逆时针方向围绕电源平面至其下一条边的末端；在所述电源平面的中心区域上为镂空区，内嵌一个小的方形平面板，四边分别通过四个L型微带线与电源平面连接，所述四个L型微带线沿顺时针围绕，且关于中心对称。

[0032] 图4(a)、图4(b)分别为外部和内部参数标注图，d1代表所述电磁带隙基本单元结构的尺寸大小，其中a1、a2分别代表大平面板上凹槽的较短和较长边的长度，w1代表凹槽引出微带线的宽度，s代表微带线两侧的槽的宽度，d2、d3分别代表大平面板上凹槽两侧较短和较长边的长度，c代表同一水平线上的两凹槽的距离，a4代表小方形平面板的尺寸大小，w3代表L型微带线的宽度，g2代表L型微带线两侧的槽的宽度，通过优化得到各参数的数值，如表1所示。

[0033] 表1各参数数值

[0034] 参数 d1 d2 d3 c a1数值(mm) 29.4 14 14.4 20.6 4
参数 a2 a3 a4 s w1
数值(mm) 4.4 14.4 12.8 0.2 0.2
参数 w2 w3 g1 g2  
数值(mm) 0.2 0.2 0.1 0.2  

[0035] 如图5所示是本发明的电磁带隙结构示意图，其整体尺寸大小为长90mm×宽90mm，呈3行×3列分布的9个结构单元。所述电磁带隙结构中内嵌如图5所示的3个端口，其中端口1(-30mm，-30mm)作为输入端口，端口2(30mm，30mm)和端口3(30mm，0mm)作为输出端口。

[0036] 如图6所示是本发明的各端口的噪声抑制传输系数图，当端口1作为噪声输入端口时，其余2个端口位置与端口1之间的S参数图可看出所述电磁带隙结构对噪声的抑制作用。

[0037] 如图7所示是本发明结构与传统的L-bridge电磁带隙结构、传统的S-bridge电磁带隙结构关于S21参数的对比图。当对噪声的抑制深度为-40dB时，本发明电磁带隙结构能在0.26GHz-25GHz频率范围内对同步开关噪声进行抑制，可看出本发明电磁带隙结构的下截止频率明显较低，且其噪声抑制带宽范围大于传统的L-bridge电磁带隙结构和传统的S-bridge电磁带隙结构的带宽范围。

[0038] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合，均在本发明的保护范围之内。