电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络制造技术

本发明专利技术公开了一种电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络，电磁带隙结构刻蚀在电源分配网路的电源面上；基于信号完整性的考虑，地面保持完整。其中，平面电磁带隙结构的基本单元由互补开口环谐振器构成。本发明专利技术有效解决了混合电路系统中同步开关噪声抑制问题，且与其他典型的平面电磁带隙结构相比，可以减小单元结构的尺寸。另外，本发明专利技术设计的电源分配网络的噪声抑制性能受尺寸的微弱变化影响较小，鲁棒性较好，能够有效的运用于高速多层电路设计。

【技术实现步骤摘要】
电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络
本专利技术涉及一种电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络，具体涉及一种用于解决混合高速电路系统中电源完整性问题的电源分配网络。
技术介绍
随着集成电路和系统级封装技术的发展，混合电路系统密集度越来越高，高速数字电路、射频/模拟电路、存储器和传感器等电路模块都需要集成在同一个系统。过去信号完整性问题是数字电路设计的重点分析对象，然而随着应用频段的不断提高，电源完整性问题也日益显得越加重要。高速数字电路中，当芯片的众多管脚同时发生跳变时，会引发一个较大的瞬态电流流经地面，受周围的分布电感和分布电容的耦合影响，将会产生同步开关噪声(SSN)。如果噪声通过电源分配网络耦合到噪声敏感电路(如射频/模拟器件)上，将引发严重的锁相环抖动和射频振荡器的相位噪声，并会产生时序容限、噪声容限的减小和误码率的增加，芯片或电路模块之间的噪声隔离称为PDN设计的一个重点。而混合电路系统中高速数字电路的时钟运行速率不断加快、信号上升/下降沿时间不断变短、供电直流电压降不断减小，电源完整性问题日益严重，同步开关噪声问题将会成为制约高速集成电路发展的主要瓶颈之。电源/地平面之间会形成平面波导，会被SSN激励产生谐振，从而促进SSN在平面对之间传播。尤其是当电路的应用频段的变高时(GHz)，同步开关噪声将会对高速电路系统中的信号完整性和电源完整产生严重的影响，同时还会引发严重的电磁干扰问题。因此，如何设计合适的电源分配网络来宽阻带、高抑制度的解决同步开关噪声问题，同时保证电路的信号完整性和电磁完整性问题，日益成为系统级封装中的研究热点。电磁带隙结构(EBG)是一种由有耗介质、导体金属或其他混合体组成的人工电磁材料。它是局部谐振机理，通过金属单元与电介质之间的耦合，形成谐振单元，利用结构单元自身的谐振效应，来形成高阻表面，阻止谐振频率附近的表面波传播，继而形成一定的频率带隙。EBG结构单元的阻带中心频率仅仅与局部谐振单元的谐振频率有关，而与结构的周期大小无关。另外，平面EBG结构较为容易使用标准的印刷电路板工艺来加工实现，因此常用来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电路的SSN噪声抑制研究。目前，在高速混合电路系统的电磁兼容设计中，使用具有频率带隙特性电磁带隙结构来抑制同步开关噪声大致分为两类，一种是蘑菇型EBG结构，其基本单元是在电源平面和地平面之间设计特别的通孔及附加的平面间金属贴片，需要三层金属实现，且是一种多层电路，会增加设计成本；另外一种是平面型EBG结构，相比较蘑菇型EBG结构，它便于采用标准印刷电路板工艺进行加工，且价格便宜。为了改善SSN噪声抑制特性、减小低频截止频率，平面EBG结构的改进主要有以下几种形式:L-bridge EBG结构，S-bridge EBG结构，级联低频和高频单元的EBG结构等等。然而对于在保证噪声抑制性能的同时，如何减小EBG结构单元尺寸却鲜有研究。而实际上，在利用平面EBG结构来解决SSN噪声问题的设计中，由于EBG是一种周期性分布结构，它会不可避免的破坏电流的返回路径，很大程度上会影响到电源分配网络的信号完整性。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络，电磁带隙结构的基本单元由互补开口环谐振器组成；电磁带隙结构刻蚀在电源分配网路的电源面上，基于信号完整性的考虑，地面保持完整，在达到宽阻带抑制同步开关噪声性能的同时，与其他典型的平面电磁带隙结构相比，本专利技术可以减小单元结构的尺寸。为实现上述目的，本专利技术采用的具体方案如下:本专利技术提供一种电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络，其特征在于:包括电磁带隙结构和互补开口环谐振器，所述的电磁带隙结构是一种周期性分布，其基本单元由互补开口环谐振器组成，对电源与地平面之间的同步开关噪声进行抑制，在混合高速电路系统中，包含噪声源电路和噪声敏感电路部分，其中所述的噪声源电路由高速数字电路、高速开关电源组成，所述的噪声敏感电路由射频电路和模拟电路组成，并且分布于不同区域，设计所述的电磁带隙结构覆盖了噪声源电路和噪声敏感电路所在的区域，用来抑制相互之间的噪声传播。所述电磁带隙结构是一种人工电磁材料，在一定的频率范围内具有阻带特性，用来对噪声信号的传播进行抑制。所述电磁带隙结构具有微波异性介质，当电场轴向入射到谐振器表面时，会产生负的介电常数，形成一个陡峭的传输禁带，所述的互补开口环谐振器尺寸较小，达到相同的低频截止频率和噪声抑制特性，从而减小对信号线的返回电流路径连续性的影响。所述电源分配网络的电源平面由平面电磁带隙结构刻蚀而成，保证了信号完整性不受影响，地平面保持完整。所述电源分配网络使用的是FR-4介质基板，为有耗介质材料，相对介电常数=4.4,介质厚度=0.2mm,介质表面的金属厚度=35um,损耗角正切=0.02。所述的电磁带隙结构局部与SMA同轴接头连接，通过矢量网络分析仪来测量噪声耦合传输系数。本专利技术上述电源分配网络，当以_40dB为噪声抑制标准时，该电源分配网络能够在0.56GHz—5.88GHz频率范围内对同步开关噪声进行抑制。本专利技术可以有效减小电磁带隙结构单元的尺寸大小，降低对信号线返回电流路径连续性的影响。本专利技术的有益效果:有效解决高速混合电路系统中由于瞬态电流变化所引起的电压波动问题，能够明显的抑制电源分配网络中产生的同步开关噪声，减小对混合电路系统中射频/模拟电路产生干扰，避免引发芯片的误动作；通过使用互补开口环谐振器来构成电磁带隙结构的基本单元，可以在达到预期的噪声抑制性能同时，有效的减小单元结构的尺寸大小；通过优化互补开口环谐振器的尺寸大小，可以改变电磁带隙结构单元的谐振特性，控制噪声抑制的低频截止频率，增大噪声抑制频率带宽范围；通过使用由互补开口环谐振器组成电磁带隙结构来设计电源分配网络，噪声抑制性能对受谐振器尺寸的微弱变化影响较小，鲁棒性较好，能够有效的运用于实际多层高速电路的设计。【附图说明】图1为电源分配网络的三维结构示意图；图2为互补开口谐振器单元的示意图；图3为各端口的噪声抑制传输系数图；图4为所专利技术结构与其它典型电磁带隙结构的噪声抑制性能对比图；图5为所专利技术结构的测试结果与仿真结果对比图；图6为所专利技术结构的噪声抑制性能受互补开口环谐振器尺寸d变化的结果图；图7为所专利技术结构的噪声抑制性能受互补开口环谐振器尺寸s变化的结果图；图8为所专利技术结构的噪声抑制性能受互补开口环谐振器尺寸w变化的结果图；图9为所专利技术结构的噪声抑制性能受互补开口环谐振器尺寸g变化的结果图。【具体实施方式】为了使本专利技术的技术手段、创作特征与达成目的易于明白理解，以下结合具体实施例进一步阐述本专利技术。如图1所示，为本专利技术所涉及的电源分配网络的三维结构示意图。由互补开口环谐振器组成的电磁带隙结构刻蚀在电源面上，其中I代表电源面，2代表完整的地面。如图2所示，为本专利技术所涉及的互补开口谐振器单元的示意图。其中d代表组成互补开口环谐振器内方形贴片的尺寸大小，s代表组成互补开口环谐振器中槽线的尺寸大小，w代表组成互补开口环谐振器中连接桥的尺寸大小；g代表组成互补开口环谐振器中开口的尺寸大小。如图3所示，显示了本专利技术所涉及的电源分配网络结构中各端口之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络，其特征在于：包括电磁带隙结构和互补开口环谐振器，所述的电磁带隙结构是一种周期性分布，其基本单元由互补开口环谐振器组成，对电源与地平面之间的同步开关噪声进行抑制，在混合高速电路系统中，包含噪声源电路和噪声敏感电路部分，其中所述的噪声源电路由高速数字电路、高速开关电源组成，所述的噪声敏感电路由射频电路和模拟电路组成，并且分布于不同区域，设计所述的电磁带隙结构覆盖了噪声源电路和噪声敏感电路所在的区域，用来抑制相互之间的噪声传播。

【技术特征摘要】
1.一种电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络，其特征在于:包括电磁带隙结构和互补开口环谐振器，所述的电磁带隙结构是一种周期性分布，其基本单元由互补开口环谐振器组成，对电源与地平面之间的同步开关噪声进行抑制，在混合高速电路系统中，包含噪声源电路和噪声敏感电路部分，其中所述的噪声源电路由高速数字电路、高速开关电源组成，所述的噪声敏感电路由射频电路和模拟电路组成，并且分布于不同区域，设计所述的电磁带隙结构覆盖了噪声源电路和噪声敏感电路所在的区域，用来抑制相互之间的噪声传播。2.根据权利要求1所述的电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络，其特征在于:所述电磁带隙结构是一种人工电磁材料，在一定的频率范围内具有阻带特性，用来对噪声信号的传播进行抑制。3.根据权利要求1或2所述的电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络，其特征在于:所述电磁带隙结构具有微波异性介质，当电场轴向入射到谐振器表面时，会产生负的介电常数，形成一个陡峭的传输禁带，所述的互补开口环谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱浩然，李晓春，毛军发，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31