一种适用于高速电路中SSN抑制的紧凑型电磁带隙新结构

史凌峰 侯 斌

(西安电子科技大学超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室 西安 710071)(西安电子科技大学电路CAD所 西安 710071)

1 引言

随着现代数字通信系统的发展，系统的集成度不断提高，同时为满足系统高速度和低功耗的要求，高速时钟信号的边沿不断变陡，信号电压不断降低。高速电路系统工作过程中大量的高速开关器件同时切换状态产生的同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise, SSN)，也称为地弹噪声(Ground Bounce Noise, GBN)在电路板的电源、地平面所构成的平行板波导中传播，容易激起平面谐振，导致严重的信号完整性(SI)和电磁干扰(EMI)问题，对周围高速设备产生干扰或引发芯片的误动作，从而影响到系统的整体稳定性[1]。如何在保证信号完整性的前提下，有效地抑制SSN成为目前研究的热点。

由于数字通信系统中集成了大量的高速开关器件，SSN不可避免，并且主要分布在6 GHz以下的频带范围内，因此需要有效地抑制SSN的传播，典型的方法是添加去耦电容，通过为SSN提供低阻抗的本地通路来达到抑制SSN的目的，但去耦电容抑制SSN的频率范围有限，仅在系统的工作频率低于600 MHz时，有较好的抑制作用，而系统的工作频率升高时，由于去耦电容自身产生的寄生电感而对SSN的抑制作用减弱。此外，分割电源地平面、采用差分线等方法也可以较好的抑制SSN，但存在很多的不足，不利于电路的设计[2]。

EBG结构常常用于改善微波器件和天线的性能，现在也越来越多的应用于高速PCB中SSN抑制的研究，其中很多的研究关注于如何降低EBG结构阻带的中心频率和增加阻带带宽来有效的抑制SSN，并获得很多的研究结果，例如多带隙Mushroom-like结构[3]，带有一层嵌入面的双面EBG结构[4]，L-Bridge结构[5]，π-Bridge结构[6]以及S-Bridge结构[7]等，其中很多的研究工作注重于SSN的抑制，却较少涉及到信号完整性问题。对此本文提出了一种适用于高速电路中 SSN抑制的紧凑型EBG结构，在抑制深度为-30 dB时，阻带范围为0.6-6.4 GHz，阻带带宽为5.8 GHz，并通过时域仿真验证该结构具有较好的信号完整性。

2 原理分析与设计思想

2.1 EBG的带隙形成机理

EBG 的带隙形成机理分为两种[8-10]：一种是Bragg散射机理，利用一种介质材料在另一种介质材料中周期分布形成的周期结构，当电磁波经过这种结构时，某些频段的电磁波强度会因为周期性的介质散射而减弱，从而在频谱上形成频率带隙。根据Bragg散射理论，该种结构的周期需要与带隙中心频率对应的波长相当，结构过大的尺寸在一定程度上限制了其在实际中的应用。另一种为局域谐振机理，利用金属单元与电介质特殊的连接关系，形成局域电容与电感的谐振单元，利用结构单元本身的谐振效应，形成高阻平面，阻止谐振频率附近的表面波传播，从而形成频率带隙。该种结构的带隙中心频率仅仅与局域谐振单元的谐振频率有关，而与结构的周期大小无关，可以采用集总参数的并联LC电路模型来对带隙结构进行描述和估算。Mushroom-like结构和共面紧凑(UC)结构是局域谐振机理EBG的两种主要结构，由于Mushroom-like结构所需的多层金属成本较高，EBG结构逐渐演化为以共面EBG结构为主。

2.2 EBG结构的设计思想

共面EBG结构单元可以等效为如图1所示的电路，结构单元的贴片可以等效为旁路电容，结构单元的桥接连线等效为串联电感，阻带的上下限频率可以由式(1)和式(2)得出，其中Cp1,Cp2和Lp1对应结构单元贴片的等效电容和电感，Lb对应桥接连线的等效电感[11]。由式(3)可以推导出，通过增加结构单元的等效电感L和等效电容C可以降低带隙的中心频率。

图1 共面EBG的等效电路

实际应用中为较好地抑制SSN，在降低带隙的中心频率的同时需要展宽阻带的频带宽度，由式(4)可以得出带隙宽度与等效电容的平方根成反比，与等效电感的平方根成正比，因此，增大单元的桥接连线的等效电感可以满足实际应用中的要求[12-14]，本文即通过增大结构单元的桥接连线，增加阻带带宽来实现对SSN的抑制。

3 仿真模型及结果分析

3.1 SSN的抑制

本文提出了一种回旋L-bridge结构，其平面结构单元尺寸如图2所示，在结构单元尺寸相同的条件下，该结构通过尽可能小的减少贴片的面积来保证结构单元的等效电容，同时尽可能充分利用结构单元的间隙，增加结构单元结构间的桥接连线长度来增加相应的等效电感，从而获得较低的带隙中心频率和较大的阻带带宽，结构也更为紧凑。

图2 回旋L-bridge EBG结构单元

图3为本文中设计的3×3单元的两层PCB模型，模型尺寸为90 mm×90 mm×0.4 mm，其中电源平面与地平面间填充厚度为0.4 mm，介电常数为4.4的FR4介质。如图3中所示，原点位于PCB平板的右下方，为验证该结构的频域特性，在电源平面上的(15 mm, 15 mm), (15 mm, 45 mm), (45 mm,45 mm)处分别添加50 Ω的集总同轴端口，其中端口1为输入端口，端口2和端口3为输出端口。

图4为平板电源层、L-bridge结构作为电源层和回旋L-bridge结构作为电源层的仿真结果对比，当传输参数(S21)为-30 dB时，回旋L-bridge结构对应的阻带从0.6-6.4 GHz，带宽为5.8 GHz，而文献[5]中传统的L-bridge结构对应的阻带带宽为0.6-4.6 GHz，带宽为4 GHz。本文中所设计的回旋L-bridge结构与传统的L-bridge结构相比，阻带带宽增加了1.8 GHz，相对带宽增加了45%，在SSN主要分布的频率范围(6 GHz以下)内具有较好的抑制作用。此外，在低频范围(1 GHz以下)，回旋L-bridge结构在200-500 MHz的范围内的S21低于-30 dB，说明该结构对于低频的SSN也有一定的抑制作用。

图3 回旋L-bridge电源地平面结构示意图

图5为端口1到端口2和端口3的传输参数比较。通过分析不同位置的传输特性，从而验证本文提出的新型结构的有效性，如图5所示，在相同激励的情况下，端口1到端口2和端口3的传输参数(S21和S31)特性曲线基本一致，从而可以得出在整个电源层表面其SSN噪声都可以得到有效抑制。

3.2 信号完整性分析

两层的 PCB已经很好地表明本文中所提出结构对SSN抑制的效果，但是需要通过4层的PCB来对回旋L-bridge结构的信号完整性进行分析。如图6(a)中所示的4层PCB的电源层为3×3 EBG结构单元，该结构的尺寸为90 mm×90 mm×1.2 mm，中间的两层为电源层和地层，上下两层为信号层，层与层之间的间距为0.4 mm。信号层上的信号线穿过电源层地层的过孔连接，端口阻抗为50 Ω。信号沿着顶层的信号线传播，由过孔传播到底层，再由过孔返回到顶层。

通过Ansoft HFSS仿真获得该结构的S参数矩阵，再在Ansoft Designer中通过信号源产生210-1的伪随机二进制序列，对该结构进行时域仿真，通过获得的眼图进行信号完整性分析，其中数据的传输速率为2 GHz，信号的上升和下降时间均为125 ps，信号的幅值为 0.5 V，源端阻抗为50 Ω。该结构所获得的眼图如图 6(b)所示，其中眼高为 393 mV，眼宽为476 ps，通过图中可以看出输出的波形比较平滑，扰动较小，具有较好的信号完整性。

4 结论

图4 平行板电源地平面、L-bridge结构及回旋L-bridge结构频率响应

图5 回旋L-bridge结构S21和S31参数比较

图6 带有信号层的4层PCB结构及其眼图

EBG结构的很多研究关注于如何降低阻带的中心频率和增加阻带带宽来有效抑制SSN，本文根据EBG结构的带隙形成机理以及共面EBG结构的等效电路，提出一种适用于高速电路中SSN抑制的紧凑型EBG新结构，在抑制深度为-30 dB时，阻带范围为0.6-6.4 GHz，阻带带宽为5.8 GHz，实现了较低的带隙中心频率以及较宽的阻带带宽，并通过时域仿真验证该结构具有较好的信号完整性。

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