抑制SSN的新型内插L-EBG结构

摘要：本文提出的是一种基于平面型EBG (Electromagnetic Bandgap)结构的创新型结构，对于同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise, SSN)的抑制有更优秀的特性。我们设计的这款新型EBG结构，是在周期性L-bridge EBG结构的基础上，在一些单元内插小型的L-bridge EBG。通过仿真验证，此结构具有传统型L-bridge EBG结构所不具有的超带宽抑制能力和较大的抑制深度。然后我们运用电路模型和平行板谐振腔原理分析了该结构上下变频。另外，通过3-D仿真，得到结构的IR-Drop和直流阻抗。最后，通过眼图验证该结构的信号传输特性。

引言

近年来，随着电子系统的工作频率越来越高，边沿速率越来越快，供电电压越来越低^[1]，造成电压噪声容限下降，使得SSN已成为高速数字电路设计的难点之一。由于SSN会造成严重的信号完整性或电源完整性问题，为了保证系统正常工作，对SSN的抑制尤为重要^[2-3]。

EBG结构是有效抑制SSN的方法之一。目前，已经发展出多种EBG结构，例如以蘑菇型EBG(Mushroom-type EBG)结构为代表的3D 嵌入式EBG结构^[4-8]和以L-Bridge EBG结构为代表的共面型EBG(Coplanar compact EBG)结构^[2，9-13]。

本文提出了一种新型L-bridge EBG结构。该结构每个单元的电源平面插入小型的L-EBG，地平面保持完整。并通过仿真，在抑制深度为-30dB时，带宽从461 MHz一直延伸到12GHz。

1 新型内插L-EBG结构方法的分析设计

新结构是在3×3单元组成的90×90×0.4mm³周期性L-Bridge EBG结构基础上，有选择性地在原单元中心区域挖空并插入小型L-Bridge EBG结构。其中L-Bridge单元结构如图1(a)，内插的L-Bridge单元结构如图1(b)所示。此结构仅在电源平面进行开槽，地平面则保持完整。具体参数如下所示：a₁=30mm,a₂=15.9mm,b₁=28.2mm,b₂=14.3mm,b₃=14mm,g₁=0.3mm,g₂=0.5mm,g₃=0.9mm,g₄=0.5mm,w₁=0.2mm,w₂=0.1mm,w₃=0.2mm,w₄=0.2 mm。介质为介电常数εr=4.4，耗散因子为tanδ=0.02的FR4材料。介质厚度为0.4mm，铜箔厚度为0.035mm。如图2所示，为验证此结构对于SSN噪声的抑制能力，共设定4个50Ω的集总同轴端口，各个端口的物理位置为：(30mm，30mm，0mm)，(0mm，60mm，0mm)，(-30mm，30 mm，0mm)和 (-30mm，0mm, 0mm)，其中将Port1设为输入端口，剩余端口均设定为输出端口。

为得到所提出结构的电源噪声抑制能力，通过Ansoft HFSS 15软件对此结构进行了电磁仿真，最终得到所需端口间的S参数的幅值，如图3所示。从图3可以看出，在-30 dB抑制深度下，新型选择性内插式EBG结构的噪声抑制效果良好，阻带从461 MHz左右延伸到12 GHz并覆盖所有所设端口，具有超带宽抑制能力。

图4所示为新型L-EBG与传统的L-bridge EBG结构(没有内插的L-EBG结构，其他尺寸保持相同)、完整地平面的电源噪声抑制能力的对比。不难看出，在-30dB为参考标准的抑制深度下，提出的结构与传统的L-EBG结构下截止频率大致相同，但是很显然新结构的上截止频率相比于开槽型L-bridge EBG结构要大很多，增加了近7.2GHz。可见新提出的EBG结构具有较大的带宽优势。

2 上下边频估算

2.1 下边频估算

共面型EBG结构的下边频一般在几百兆频带内，而EBG结构单元的周期长度一般仅为数十毫米。EBG结构工作在这频率段内时，其几何长度与工作波长相比可忽略不计。因此在低频段，EBG结构在功能上等同于由多个集总电路元件组成的低通滤波器。这些元件由EBG单元的总体尺寸决定。这些集总元件包括平面电容C_p及宽导体方形平面回路电感Lp，桥连线电容C_b、电感Lb以及单元块间隙耦合电容Cg。这些参数的表达公式分别如下^[14-15]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

本文来源于中国科技核心期刊《电子产品世界》2016年第6期第52页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

式中ε₀、μ₀分别为自由空间的介电常数和磁导率，ε_r为相对介电常数，S为平板正对面积，h为电源地平面介质厚度，len为传输线线长，w为传输线线宽，k为常数0.2nH/mm，l为EBG单元块方块边长，p为EBG单元块周期长度，g为相邻单元块间隙。

图5(a)中所标注的虚线框内是新提出的L-EBG内插L-EBG结构的任意两个相邻单元的等效电路模型^[16]。为了简化分析，分三部分介绍该等效模型：第一部分，Cp,l和Lp,l分别为未内插L-EBG的电源层和地平面间等效电容和等效电感;第二部分，L_b,l和C_b,l分别为连接桥对地的等效电感和等效电容;第三部分，C_p,m_l、L_p,ml和L_b,ml分别为内插单元结构的对地等效电容、回路电感和桥连电感，C_p,r和L_p,r分别是1/4正方环平板电容和回路电感。

由于C_b,l较大，可近似看成开路，等效时可以忽略，得到简化等效电路模型如图5(b)所示。易知该电路有两个并联谐振回路，其谐振点分别如下所示：