基于EBG結(jié)構(gòu)的新型超寬帶低噪聲電源/地平面設(shè)計(jì)

萬連城，呂 玲

（西安電子科技大學(xué) 期刊中心，陜西 西安 710071）

隨著集成電路的發(fā)展，設(shè)計(jì)出能抑制電磁干擾的電源/地平面，對(duì)電路設(shè)計(jì)而言是非常有意義的。但是隨著高速數(shù)字電路、高速信號(hào)處理、以及射頻電路與數(shù)字電路集成化等等因素，使得新的電源/地平面的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具有非常寬的帶寬以及較強(qiáng)的禁帶內(nèi)衰減。由于加載EBG結(jié)構(gòu)的電源/地平面具有禁帶帶寬較寬、實(shí)現(xiàn)工藝簡(jiǎn)單、禁帶深度較深、成本低廉等優(yōu)勢(shì)被作為抑制電源/地平面上兩點(diǎn)間電磁干擾的有效手段。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路以及理論依據(jù)

要設(shè)計(jì)出具有寬禁帶的EBG結(jié)構(gòu)，也就是需要減小一次諧波的諧振頻率的同時(shí)增大二次諧波的諧振頻率。

在Mu-Shui Zhang的研究中[5]，詳細(xì)地介紹了貼片EBG結(jié)構(gòu)導(dǎo)體柱的個(gè)數(shù)對(duì)禁帶的影響。將EBG結(jié)構(gòu)的一個(gè)導(dǎo)體柱改為4個(gè)導(dǎo)體柱將會(huì)減小其等效電長(zhǎng)度，使其變?yōu)樵瓉淼?，也就是減小了其等效的電感L2，而貼片的等效電容變?yōu)樵瓉淼模瑥亩龃罅硕沃C波的諧振頻率f，達(dá)到禁帶向

2高頻擴(kuò)寬的目的，如圖2所示[5]。

圖1 將EBG結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體柱由1個(gè)改為4個(gè)Fig.1 The conductor column EBG structure from 1 to 4

圖2 等效電感及電容的變化Fig.2 Equivalent inductance and capacitance

1.2 新結(jié)構(gòu)對(duì)禁帶影響的分析

通過上述理論分析，可以得出減小金屬平面與貼片的距離、增大其間介質(zhì)的介電常數(shù)、增加導(dǎo)體柱個(gè)數(shù)可以拓寬EBG結(jié)構(gòu)的禁帶寬度的結(jié)論。

首先，建立模型。測(cè)試的EBG平面對(duì)外圍的尺寸大小為80mm×80mm，板間填充介質(zhì)為FR4-Epoxy，其介電常數(shù)εr為4.4，損耗為0.02。EBG結(jié)構(gòu)為10×10正方形陣列其參數(shù)為H1=0.2 mm,H2=0.2 mm,貼片間距d=1 mm,貼片邊長(zhǎng)l=7 mm。EBG結(jié)構(gòu)的短導(dǎo)體柱為直徑0.5mm的覆銅通孔，其導(dǎo)體介質(zhì)上與陣列方塊、下與底板相連接，測(cè)試點(diǎn)通孔也為直徑0.5mm的覆銅通孔，測(cè)試點(diǎn)通孔與上表面不連接，上表面在測(cè)試點(diǎn)處留出直徑為2mm的不覆銅的圓，測(cè)試點(diǎn)通孔的覆銅延伸出上表面做直徑為1.5 mm的墊襯，測(cè)試點(diǎn)通孔與底板相連接,所有金屬板厚度均為0.03mm.測(cè)試點(diǎn)位置如圖9所示。仿真后，其參數(shù)如圖4所示。得到了深度為-80 dB時(shí)，帶寬為3.3～4.8 GHz的帶隙。

圖3 未加載EBG結(jié)構(gòu)的電源/地平面的S21參數(shù)Fig.3 Sparameters of does not load the EBG structure of the power/ground plane

圖4 加載10×10的單導(dǎo)體柱EBG結(jié)構(gòu)的S21參數(shù)Fig.4 Sparameters of loaded 10*10 single cylinder EBG structure

減小金屬平面與貼片的距離為0.016 mm，其參數(shù)如圖5所示?？梢钥吹缴疃葹?80 dB時(shí)，帶寬為1.3～5.2 GHz的帶隙，禁帶向低頻擴(kuò)展。

金屬平面與貼片的距離H1為0.016mm，其間填充介電常數(shù)εr為 16.5的介質(zhì)，其S21參數(shù)如圖 5，6所示?？梢钥吹缴疃葹?80 dB時(shí)，帶寬為0.7～4.5 GHz的帶隙，禁帶進(jìn)一步向低頻擴(kuò)展。

圖5 距離為0.016mm加載10×10的單導(dǎo)體柱EBG結(jié)構(gòu)的S21參數(shù)Fig.5 Distance as Sparameters of the power/0.016 mm loading of 10*10 single cylinder EBG structure

圖6 距離為0.016mm，填充εr為16.5的介質(zhì)，加載10×10的單導(dǎo)體柱EBG結(jié)構(gòu)的S21參數(shù)Fig.6 Distance is 0.016mm,which filled with a dielectric constant of 16.5 medium,Sparameters of the power/load 10*10 single cylinder EBG structure

將EBG結(jié)構(gòu)的一個(gè)導(dǎo)體柱改為4個(gè)導(dǎo)體柱，H1=0.2 mm,H2=0.2 mm，其介電常數(shù)εr為4.4，損耗為0.02，其余尺寸均不變時(shí)，其S21參數(shù)如圖8所示，導(dǎo)體柱位置如圖7所示?？梢钥吹缴疃葹?80 dB時(shí)，帶寬為7.0～8.9 GHz的帶隙，禁帶向高頻擴(kuò)展。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，禁帶的中心頻率產(chǎn)生了一定的漂移。

圖7 導(dǎo)體柱位置Fig.7 Conductor column position

圖8 將EBG結(jié)構(gòu)的一個(gè)導(dǎo)體柱改為4個(gè)導(dǎo)體柱時(shí)電源/地平面的S21參數(shù)Fig.8 A conductor column EBG structure to the 4 conductor column when the power/ground plane Sparameters

2 新型超寬帶低噪聲電源/地平面模型結(jié)構(gòu)描述

通過上述實(shí)驗(yàn)分析，可以看出減小金屬平面與貼片的距離，增大其間介質(zhì)的介電常數(shù)兩種方案來提高C1的值，從而減小一次諧振頻率f1，可以達(dá)到禁帶向低頻擴(kuò)寬的目的。將EBG結(jié)構(gòu)的一個(gè)導(dǎo)體柱改為4個(gè)導(dǎo)體柱減小了其等效的電感L2，而貼片的等效電容C2也同時(shí)減小，達(dá)到了禁帶向高頻擴(kuò)寬的目的。

結(jié)合兩種因素，如果既減小金屬平面與貼片的距離，增大其間介質(zhì)的介電常數(shù)又將EBG結(jié)構(gòu)的一個(gè)導(dǎo)體柱改為4個(gè)導(dǎo)體，那么應(yīng)當(dāng)獲得較為理想的超寬禁帶寬度。

建立如下模型：EBG平面對(duì)外圍的尺寸大小為80 mm×80mm，下底板與貼片間填充介質(zhì)為FR4-Epoxy，其介電常數(shù)εr為4.4，損耗為0.02。EBG結(jié)構(gòu)為10×10正方形陣列其參數(shù)為H1=0.016 mm,H2=0.2 mm，貼片間距d=1 mm,貼片邊長(zhǎng)l=7 mm。金屬平面與貼片的距離H1為0.016 mm，其間填充介電常數(shù)εr=16.5的介質(zhì)。每個(gè)貼片的導(dǎo)體柱為4個(gè)，其余尺寸均如前所述。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)其參數(shù)如圖10所示。

圖9 設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure design model

可以看到其深度為-80 dB時(shí)，帶寬為1.3～9.8 GHz，具有非常寬的禁帶以及比較理想的深度。同時(shí)由于沒有對(duì)電源/地的金屬平面進(jìn)行蝕刻，有效的保證了信號(hào)的完整性。本文設(shè)計(jì)的電源/地平面可以為復(fù)雜的電路系統(tǒng)提供一個(gè)較為理想地電磁環(huán)境，有效的抑制了電路間的電磁干擾。其可應(yīng)用于超寬帶(UWB)通信電路中，抑制共地的數(shù)字電路與射頻電路之間產(chǎn)生的電磁干擾。

圖10 每個(gè)EBG單元有4導(dǎo)體柱雙層介質(zhì)的電源/地平面的S21參數(shù)Fig.10 Each EBG unitwith parameters of the power/4 conductor column double-layer dielectric ground plane

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比對(duì)

Mu-Shui Zhang采用雙層混合EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電源/地平面[6]，一方面采用傳統(tǒng)單導(dǎo)體柱EBG結(jié)構(gòu)，一方面采用蝕刻金屬平面的方法。得到了深度為-80 dB時(shí)，帶寬為10～32GHz的禁帶，但是對(duì)低頻抑制效果不明顯，而且蝕刻金屬板會(huì)影響高速信號(hào)的完整性。Jinwoo Choi采用在金屬板上蝕刻混合的L型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)UWB(UltraWide Band)系統(tǒng)的電源/地平面[7]，其采用不同尺寸的L型槽來抑制對(duì)應(yīng)的頻帶。取得了深度為-80 dB時(shí)，帶寬為3～11 GHz的禁帶。但是其對(duì)低頻的抑制效果不是很好，并且對(duì)采樣點(diǎn)的位置有限制，即必須保證互擾電路間有一定的距離，這樣將不利于系統(tǒng)的小型化。同樣由于對(duì)金屬板的蝕刻，其對(duì)高速信號(hào)的完整性也有影響[8]。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)在保證了信號(hào)完整性的前提下，使所設(shè)計(jì)的電源/地平面具有較為理想地帶寬以及禁帶深度，而不足的是工藝較為復(fù)雜。

[1]路宏敏，趙永久，朱滿座.電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]路宏敏.工程電磁兼容[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[3]王家禮，朱滿座，路宏敏.電磁場(chǎng)與電磁波[M].2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[4]葛德彪，閆玉波.電磁波時(shí)域有限差分方法[M].2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[5]Mu-Shui Zhang,Yu-Shan Li,Chen Jia,et al.A doublesurface electromagnetic bandgap structure with one surface embedded in power plane for ultra-wideband SSN suppression[J].IEEE Microwave And Wireless Components Letters,2007,17(10):706-708.

[6]Mu-Shui Zhang,Yu-Shan Li,Chen Jia,et al.A power plane with wideband SSN suppression using amulti-via electromagnetic bandgap structure[J].IEEE Microwave And Wireless Components Letters,2007,17(4):307-309.