一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法技术

技术编号:18256734 阅读:46 留言:0更新日期:2018-06-20 08:26
本发明专利技术公开了一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法,用于增强同步开关噪声的抑制作用,首先在折线形周期桥的基础上设计一个新的EBG结构,然后分析开口环谐振器的散射特性,同时将CSRR谐振器嵌入到EBG结构的特殊单元中,即噪声源端口和敏感电路端口所在单元。研究表明,该结构能实现在0.9GHz到36GHz的超宽频带内对SSN噪声进行‑40dB以上的抑制。本发明专利技术的方法能够有效拓宽EBG结构的带宽,增强抑制深度,并提取了该结构的等效电路模型,分析其电路性能并指导结构的设计。

A selective embedding method based on planar electromagnetic band gap structure

The invention discloses a selective embedding method based on planar electromagnetic band gap structure, which is used to enhance the suppression of synchronous switching noise. First, a new EBG structure is designed on the basis of a folded line bridge, and then the scattering characteristics of the open ring resonator are analyzed, and the CSRR resonator is embedded in the special single structure of the EBG structure. The element is the unit of the noise source port and the sensitive circuit port. The research shows that the structure can suppress the SSN noise more than 40dB in the ultra wideband from 0.9GHz to 36GHz. The method of the invention can effectively widen the bandwidth of the EBG structure, enhance the depth of the suppression, and extract the equivalent circuit model of the structure, analyze its circuit performance and guide the design of the structure.

【技术实现步骤摘要】
一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法
本专利技术涉及一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法,属于微波

技术介绍
随着电子技术、通信技术和计算机技术的迅速发展,高速电路系统的应用越来越广泛,不同的电路模块如数字电路、模拟电路、射频电路、微处理器和存储器等都集成在一起,系统对高性能和小型化的要求越来越高。为了给各个电路模块提供稳定的电源电压,各种不同的电子元器件都直接或间接地连接在系统的电源分配网络(PowerDistributionNetwork,PDN)上,而在高速电路的设计中,需要采用更低的直流电压和更快的变化率来实现Gbps级的瞬态变化电流,高速电路的工作频率范围也达到了GHz级别以上,噪声信号会在PDN结构中传播并对其它噪声敏感电路的性能产生严重影响。为此,解决高速电路中噪声的产生、传播和干扰等问题在电路设计中变得至关重要。PDN中的瞬态电流变化而引起的同步开关噪声(SimultaneousSwitchingNoise,SSN)是PDN结构中一个最重要的噪声源之一。处理SSN的最根本的办法就是从源头上阻止SSN的产生。一方面,由于数字集成电路就是利用逻辑门开关切换来实现逻辑功能的,故几乎不可能阻止SSN的产生,即便是芯片设计师也无能为力;另一方面,SSN噪声的频率可能延伸到20GHz,而去耦电容在高频情况下变为感性,呈现开路的状态,因此高频情况下增加去耦电容的方法不再适用。因此,在现代高速混合电路系统的设计中,由于系统性能、电路集成度和结构小型化等要求不断提高,PDN中的SSN噪声频率可达到20GHz以上,基于传统EBG(ElectromagneticBandGap电磁带隙)结构设计PDN还存在一定的局限性。目前没有相关文献报导,国内外文献中有相似的技术,在折线桥EBG结构中加大量过孔的方法增加带宽,但是阻带内存在噪声传播严重的频率点,阻带抑制深度不够,且结构复杂;在L型桥EBG结构中嵌入小的L型桥EBG单元,能够在510MHz~10.35GHz的频率范围内实现-40dB的抑制,且结构尺寸为90×90×0.4mm3,尺寸太大。本专利技术设计的结构尺寸为45×45×0.4mm3,不仅结构简单易于集成,且尺寸较小,满足高性能和小型化的要求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法,能实现在900MHz到36GHz的超宽频带内对SSN噪声进行-40dB以上的抑制,有效地拓宽EBG结构的带宽,增强了抑制深度,并满足结构小型化的要求。本专利技术技术解决方案:一种基于平面EBG结构的选择性嵌入方法,在EBG结构的噪声源和敏感电路附近嵌入互补开口环谐振器,即CSRR谐振器,然后分析CSRR谐振器的散射特性,同时将CSRR谐振器嵌入到EBG结构中噪声源端口和敏感电路端口所在单元;所述EBG结构为折线桥平面EBG结构,即相邻两个EBG单元采用折线桥连接,以增加桥电感。所述EBG结构包括三层,依次是刻蚀EBG结构的电源层、介质层和地层,其中所述电源层和所述地层为铜片,所述介质层为矩形块。所述铜片为0.035mm厚。所述矩形块尺寸为45×45×0.4mm3,材料为FR-4,介电常数为4.3,损耗正切为0.02。所述CSRR谐振器的内贴片长度为1.8~5.8mm,优选3.8mm;开口环宽度为0.5~1.5mm,优选1mm。通过嵌入不同结构参数的CSRR谐振器使EBG结构在不同的频率点引入传输零点,增加带宽与抑制度。所述嵌入CSRR谐振器的方法同样适用于其他形式的EBG结构,如直入式桥接EBG结构,如图10所示。所述EBG结构的等效电路模型由以下部分组成:嵌入谐振器的EBG单元的内方形贴片的等效电容、等效电感、内贴片与外金属环的连接桥电感、外金属环的等效电容和等效电感、EBG单元之间的折线连接桥电感、EBG单元之间的折线连接桥电容和间隙电容。本专利技术与现有技术相比优点在于:(1)本专利技术中的嵌入式EBG结构较传统的EBG结构而言,在不加大电路结构尺寸的前提下,拓宽阻带带宽和加深阻带抑制,可以抑制特高频频率范围内的同步开关噪声。(2)本专利技术对EBG结构产生机理和电磁特性做进一步分析,并优化改进传统的EBG结构,能够对延伸到特高频的频率范围(3~30GHz)的SSN噪声进行有效地抑制,并满足结构小型化的要求。(3)本专利技术中的EBG结构采用主流的普通介质材料FR-4,不仅易于加工且成本较低,测试结果和仿真结果基本吻合。(4)本专利技术设计的嵌入式EBG结构可根据实际噪声频率的不同,灵活改变CSRR谐振器的各参数的尺寸以达到良好的噪声抑制效果,因此未来仍然具有较强的实用价值。(5)本专利技术所设计EBG结构能够实现在0.9GHz到36GHz的超宽频带内对SSN噪声进行-40dB以上的抑制。未使用该嵌入方法的折线桥EBG结构-30dB带宽为1.1GHz~21.53GHz,并且阻带中出现不稳定的谐振频率点,会出现噪声传播严重和向外辐射干扰信号等问题。(6)本专利技术能够有效拓宽EBG结构的带宽,增强抑制深度,并提取了该结构的等效电路模型,分析其电路性能并指导结构的设计。附图说明图1为本专利技术方法设计流程图;图2本专利技术中折线桥EBG结构示意图;图3本专利技术中选择性地嵌入谐振器的EBG结构示意图;图4本专利技术中相邻两个折线桥EBG结构单元(a)和等效电路示意图(b);图5本专利技术中未嵌入谐振器和嵌入谐振器的相邻EBG结构单元(a)和等效电路(b)示意图;图6本专利技术中折线桥EBG结构的S参数仿真结果示意图;图7本专利技术中50欧姆微带传输线下方刻蚀谐振器图案的结构示意图;图8本专利技术中不同尺寸谐振器对微带传输线的传输特性影响的仿真结果示意图;图9本专利技术中嵌入CSRR谐振器的EBG结构的S参数仿真结果示意图;图10本专利技术中嵌入CSRR谐振器的直入式连接桥EBG结构示意图;图11本专利技术中嵌入前后的直入式连接桥EBG结构的仿真结果对比示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术从另外一个角度解决高速电路中的噪声抑制问题,虽然不能够阻止SSN噪声的产生,考虑到SSN噪声需要通过一定的媒介才能传播,进而耦合到敏感电路模块,尤其是电源/地平面,因此可以考虑在噪声耦合路径上抑制噪声传播,设计超宽频带的EBG结构对PDN中的噪声进行抑制。本专利技术中提到的所有EBG结构都是平面EBG结构。如图2所示,本专利技术具体方法是在一个3×3的周期性折线桥EBG结构的噪声源和敏感电路附近嵌入CSRR谐振器。为了方便表述,在此整体称为EBG结构,EBG结构里边每个单元称为EBG单元;该EBG结构由三层组成,依次是刻蚀EBG结构的电源层、介质层和地层,其中电源层和地层是0.0035mm厚的铜片,介质层是45×45×0.4mm3的矩形块,介质层越薄,寄生电感效应越小,SSN噪声的抑制性能越好,而实际加工条件最小只能达到0.4mm,材料为FR-4,介电常数为4.3,损耗正切为0.02,可以进一步有效地拓宽EBG结构的带宽,增强了抑制深度。刻蚀在电源平面上的图案是本专利技术的重点,本专利技术所强调的创新点也体现在刻蚀图案的形状和各单元参数的尺寸上,以下是详细的介绍。本专利技术的结构基于折线桥平面EBG结构,折线桥EBG结构本文档来自技高网
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一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法

【技术保护点】
1.一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法,其特征在于:在EBG结构的噪声源和敏感电路附近嵌入互补开口环谐振器,即CSRR谐振器,然后分析CSRR谐振器的散射特性,同时将CSRR谐振器嵌入到EBG结构中噪声源端口和敏感电路端口所在单元;所述EBG结构为折线桥平面EBG结构,即相邻两个EBG单元采用折线桥连接,以增加桥电感。

【技术特征摘要】
1.一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法,其特征在于:在EBG结构的噪声源和敏感电路附近嵌入互补开口环谐振器,即CSRR谐振器,然后分析CSRR谐振器的散射特性,同时将CSRR谐振器嵌入到EBG结构中噪声源端口和敏感电路端口所在单元;所述EBG结构为折线桥平面EBG结构,即相邻两个EBG单元采用折线桥连接,以增加桥电感。2.根据权利要求1所述的一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法,其特征在于:所述EBG结构包括三层,依次是刻蚀EBG结构的电源层、介质层和地层,其中所述电源层和所述地层为铜片,所述介质层为矩形块。3.根据权利要求2所述的一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法,其特征在于:所述铜片为0.035mm厚。4.根据权利要求2所述的一种基于平面电磁带隙结构的选择性嵌入方法,其特征在于:所述矩形块尺寸为45×45×0.4mm3,材料为FR-4,介电常数为4.3,损耗正切为0.02。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员:苏威华贾云峰
申请(专利权)人:北京航空航天大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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