專利名稱：一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，本方法基 于一種新型緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以抑制高速電路電源分配系統(tǒng) 的高頻及超高頻電源噪聲。本發(fā)明屬于高速電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電子產(chǎn)品向小型化和高集成度發(fā)展，電子產(chǎn)品的電源分配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生 變化以支持系統(tǒng)越來越高的速度。最開始的電源分配系統(tǒng)是離散的電源饋線，之后發(fā)展到 離散的電源地走線，繼而到電源地填充和分割，最后發(fā)展為當(dāng)今的多層高速電路的平面電 源總線結(jié)構(gòu)。高速電路電源分配系統(tǒng)的用途是提供晶體管執(zhí)行芯片邏輯功能所需的電壓與 電流。平面電源分配系統(tǒng)的組成非常復(fù)雜，互連結(jié)構(gòu)異常龐大。特別是最近10年來，芯片 內(nèi)集成的晶體管門數(shù)增加、器件所消耗的功率和電流增大以及器件的供電電壓降低，使得 電源分配系統(tǒng)成為高速電路設(shè)計(jì)的瓶頸之一。當(dāng)代高速電源分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了要保證基本 電源配送功能外，還要考慮到信號完整性和電磁輻射等性能指標(biāo)。在印刷電路板上，電源分配系統(tǒng)由電源模塊、電源地平面、各種電容組成。它們分 別在不同的頻率范圍內(nèi)做出響應(yīng)。電源模塊響應(yīng)的頻率范圍大約是從直流到1kHz，大的電 解電容提供電流并在IkHz到IMHz的范圍內(nèi)保持較低阻抗，高頻陶瓷電容在IMHz到幾百 MHz的頻率范圍內(nèi)保持較低阻抗，PCB板上的電源地平面對則在IOOMHz以上發(fā)揮重要作用。電源地平面結(jié)構(gòu)是當(dāng)代平面電源分配系統(tǒng)功率傳輸性能最優(yōu)良的部分，其有效頻 率非常高。印刷電路板和封裝中都可以包含電源地平面對。電源地平面的主要問題就是它 表現(xiàn)為電磁諧振腔，當(dāng)高速信號切換參考平面時(shí)，整個(gè)電源地平面對構(gòu)成了返回路徑，高速 切換的返回電流將注入到電源地平面對中，由于電源地平面構(gòu)成的平面諧振腔具有固有的 諧振頻率。當(dāng)信號的頻率分量落在平面對的諧振平面上時(shí)，平面對的諧振模式就會被激勵(lì)。 在平面的諧振頻率上，自阻抗和互阻抗的幅度可以達(dá)到很高值，這樣就會導(dǎo)致信號完整性 問題。另外在某種意義上，電源地平面對相當(dāng)于于一個(gè)微波貼面天線，會成為印刷電路板和 封裝的主要噪聲源。同時(shí)，電源分配系統(tǒng)在不同的頻率上，阻抗特性不同，這樣在瞬間電流通過的時(shí)候 就會產(chǎn)生一定的電壓降和電壓擺動，造成供電不連續(xù)，產(chǎn)生電源噪聲。主要表現(xiàn)在電源噪聲 會降低射頻/模擬電路的噪聲容限，使芯片不能正常工作，增加數(shù)字電路的誤動作，但是只 有引入電源地平面，高速電路的互聯(lián)速度才能提高。并能提供性能優(yōu)異的電荷傳輸和交換
D ο從系統(tǒng)集成方面看，電子產(chǎn)品不可避免的包含數(shù)字和模擬、射頻模塊，電源系統(tǒng) 的地面彈射噪聲和同步開關(guān)噪聲就成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)主要瓶頸。對于高速數(shù)字電路來 說電源噪聲分為四個(gè)部分(1)超高頻率噪聲，IOGHz到IOOGHz (2)高頻噪聲，IOOMHz到 1000ΜΗ(3)中頻噪聲，IMHz到IOMHz，(4)低頻噪聲，IkHz到IOOkHz。傳統(tǒng)的使用去耦電容 抑制噪聲的方法在低頻到中頻范圍內(nèi)很有效，但是在高頻頻段由于電容的高頻自諧振特性會失效。為了解決這個(gè)問題，電磁帶隙結(jié)構(gòu)被引入高速電路領(lǐng)域，電磁帶隙結(jié)構(gòu)能夠有效 解決高頻(0.4GHz以上)的電源完整性問題。在電磁帶隙結(jié)構(gòu)的阻帶內(nèi)，表現(xiàn)出一種奇特 的電磁特性，它為兩平面間的高頻電源提供了低阻抗通路，兩參考平面交流短路，這就使得 電源地平面產(chǎn)生的噪聲迅速通過本地阻抗通路形成回路，不能向外傳播，從而有效抑制集 成電源系統(tǒng)中的地彈噪聲和同步開關(guān)噪聲，保證信號完整性和避免模塊間的電磁干擾。電磁帶隙材料的概念來自光子晶體概念的推廣，光子晶體是一種非常典型的光子 帶隙材料，利用光子晶體的禁帶機(jī)制，可以對光進(jìn)行更加自如的控制。隨后，發(fā)現(xiàn)光子晶體 的奇異特性可以推廣到電磁頻譜。電磁帶隙材料的概念開始變得重要起來。電磁帶隙材料 能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長的電磁波，當(dāng)電磁波在電磁帶隙材料中傳播時(shí)，受到材料諧振特性 的影響，形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間形成帶隙，即電磁帶隙，波長處在電磁帶隙內(nèi)的電 磁波不能在該材料中傳播。國外的學(xué)者提出了蘑菇狀的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了一 層金屬層，并且電磁帶隙表面的連接孔占用了大量的板面積，限制了布線空間和自由度。也 有學(xué)者提出了共面型的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不同于以往的結(jié)構(gòu)，它不存在導(dǎo)電過孔，加 工工藝簡單。而且我們還可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)阻抗的降低，彌補(bǔ)去耦電容高頻自諧振的漏洞。雖然電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)去耦電容高頻自諧振的漏洞，但是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的工 作頻率越來越高，并且其工作帶寬很寬。比如，一個(gè)電子系統(tǒng)中的IGHZ微處理器可能會 以IGHz的頻率執(zhí)行操作指令，引起IGHz頻率處的電壓波動。與此同時(shí)，微處理器可能以 400MHz的工作頻率向PCB上的緩存單元寫入數(shù)據(jù)，并且在IMHz操作測試總線來測試硬件。 這種開關(guān)活動可能引起某個(gè)頻帶范圍內(nèi)的電壓波動。以往的工程師設(shè)計(jì)電磁帶隙結(jié)構(gòu)只關(guān) 注了高頻噪聲而忽略了超高頻噪聲。并且已經(jīng)研究過的電磁帶隙結(jié)構(gòu)對電源或地平面分割 嚴(yán)重，會對高速電路的信號完整性帶來嚴(yán)重的影響。為了綜合考慮電源分配系統(tǒng)的特性要 求，本發(fā)明提出了高頻及超高頻范圍內(nèi)都能提供良好抑制效果的新型共面緊致型電磁帶隙 結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
(1)發(fā)明目的由于在高頻、超高頻頻率范圍內(nèi)，高速電路的電源分配系統(tǒng)容易受到高速信號的 激勵(lì)而產(chǎn)生噪聲，且傳統(tǒng)添加去耦電容的方法不能應(yīng)用在如此高的頻率范圍內(nèi)。同時(shí)，已經(jīng) 研究過的蘑菇型電磁帶隙結(jié)構(gòu)雖然能夠抑制噪聲，但是生產(chǎn)成本高；其他緊致型電磁帶隙 結(jié)構(gòu)對電源或地平面分割嚴(yán)重，在保證電源完整性的情況下會對信號完整性或數(shù)據(jù)完整性 產(chǎn)生不好的影響。本發(fā)明的目的是提供一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu) 建方法，這一方法基于一種新型的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，用來抑制高速數(shù)字電路中電源分配系統(tǒng) 在高頻和超高頻頻段內(nèi)的地面彈射噪聲和同步開關(guān)噪聲。這種新型結(jié)構(gòu)對電源平面分割較 小，因此對高速信號的完整性不會產(chǎn)生致命的影響，且本發(fā)明中電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元間通過 特殊的S型結(jié)構(gòu)連接可以使單元耦合更加緊密，大大減小了單元間的縫隙寬度，有效縮小 了電磁帶隙結(jié)構(gòu)的尺寸，有利于電路的集成。(2)技術(shù)方案1.電源分配系統(tǒng)組成
本發(fā)明中的電源分配系統(tǒng)由電源層，介質(zhì)層和地層構(gòu)成，它們之間的位置連接關(guān) 系如圖1 其中1為電源層位于頂層，3為地層位于底層，中間2是介質(zhì)層。其中，該電源層 被設(shè)計(jì)成緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該地層為完整的金屬平面，該介質(zhì)層為1毫米厚的FR4介質(zhì) 材料。所述緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是在完整的電源金屬平面上利用激光刻 蝕工藝刻出，此結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，周期單元形狀是四個(gè)邊均連接有弧型連接橋的方形金屬 貼片，如圖4所示。各個(gè)周期單元的連接方式是利用周期單元各邊的弧型連接橋連接，如圖 2所示。根據(jù)不同電源分配系統(tǒng)具體的尺寸大小可以在電源平面上蝕刻出相應(yīng)數(shù)量的周期 單元。只要周期單元數(shù)量在電源平面結(jié)構(gòu)的橫向和縱向超過三個(gè)就可以提供很好的抑制作 用。為了仿真計(jì)算和測試出緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)對電源分配系統(tǒng)噪聲的抑制作用，在電源 平面相應(yīng)位置處添加兩個(gè)離散端口，如圖5所示。2.緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的響應(yīng)由三個(gè)參數(shù)決定阻帶的起始端，阻帶的帶寬，以及阻 帶中可達(dá)到的隔離度。阻帶的起始端和帶寬取決于緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的色散圖，它可通 過假設(shè)緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的周期無限長對一個(gè)單一單元格的分析而獲得。通過提取有限 尺寸緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的S參數(shù)，可確定需要的隔離度?？蓪?shí)現(xiàn)的隔離度隨緊致型電磁 帶隙結(jié)構(gòu)單元格數(shù)目的增加而提高。緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分兩步。第一步，由一個(gè)單一的單元格計(jì)算出色散圖。 色散圖提供了阻帶的起始端和帶寬信息。它并沒有涉及隔離度。第二步計(jì)算S參數(shù)。為了 計(jì)算出S參數(shù)，我們用三維電磁仿真軟件對有限尺寸緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算。色散圖是一副作為頻率函數(shù)的傳播常數(shù)曲線圖。傳播常數(shù)與頻率間的關(guān)系確定了 緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的通帶，表明電磁波可以在這個(gè)頻帶范圍內(nèi)傳播。假設(shè)傳播常數(shù)與頻 率間沒有關(guān)系，或者相位常數(shù)是純虛數(shù)，那么電磁波將被衰減或無法再這個(gè)頻帶范圍傳播， 成為一個(gè)阻帶。使用色散圖可以獲得緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)作為隔離結(jié)構(gòu)使用的區(qū)域。本發(fā)明使用了一種通用的二維色散圖分析方法。這種方法適用于二維緊致型電磁 帶隙結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)及端口分配如圖4所示。在χ、y方向上，我們使用下面的網(wǎng)絡(luò)矩陣來描述緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。
P1vOI.-I3V2—ΓV4、工2 J、-1J 其中下表表示端口電壓或電流，^中包含單元格感興趣端口的頻率響應(yīng)?；谏鲜?矩陣，可以應(yīng)用下面的特征值方程得到二維色散圖，假設(shè)橫向周期無限長
、Ν_-Τ
·F->a3 V4 .τ VM/ 其中，為+X方向上間隔dx的傳播系數(shù)，e〃A為+y方向上間隔dy的傳播系數(shù)，
5dx、dy是單元格的長和寬。計(jì)算出單元的色散圖后，我們就知道了緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的 帶隙特征。3、本發(fā)明一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，該方法具體 步驟如下步驟一按照印刷電路板設(shè)計(jì)的一般規(guī)范，在電磁仿真軟件CST中建立印刷電路 板的供電系統(tǒng)。使用電磁仿真軟件CST，其建模方法如下首先用CST中的矩形工具畫出電源系統(tǒng)地平面模型。地平面的材料選用CST材 料庫中默認(rèn)的良導(dǎo)體(電阻率很小的材料，如銀、銅、鋁、鎢、鐵、碳、鐵鉻鋁合金、鎳銅合金 等)，然后利用CST中的長方體工具畫出一個(gè)長方體作為介質(zhì)層，介質(zhì)層下表面和地平面重 合，面積相同，介質(zhì)層材料選擇CST材料庫中的FR4。其次再利用CST中的矩形工具畫出電 源系統(tǒng)電源平面模型。電源平面模型和介質(zhì)層上表面重合。地平面的材料選用CST材料庫 中默認(rèn)的良導(dǎo)體。步驟二 利用CST軟件的建模工具將電源分配系統(tǒng)的電源平面編輯為平面緊致型 電磁帶隙結(jié)構(gòu)。首先利用CST軟件畫出單元間的縫隙，然后利用CST軟件的平移功能將畫 好的單元縫隙向X、Y方向周期延拓。最后使用CST軟件的布爾減工具，把全部縫隙從電源 層減去，剩下的部分就是平面緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)。步驟三在CST軟件中截取緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的一個(gè)單元進(jìn)行色散圖分析，根 據(jù)電源供電系統(tǒng)的噪聲抑制要求，對單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。將調(diào)整好的結(jié)構(gòu)替代原來的結(jié)構(gòu)。步驟四添加離散端口計(jì)算供電系統(tǒng)的傳輸S參數(shù)。根據(jù)已經(jīng)建好的平面緊致型 電磁帶隙結(jié)構(gòu)，在電源系統(tǒng)兩端添加離散端口，端口一段接電源層，另一端接地層。端口方 向?yàn)檫B接電源層一端為正，連接地層一端為負(fù)。利用CST軟件的時(shí)域仿真工具計(jì)算兩個(gè)端 口的S參數(shù)。根據(jù)實(shí)際要求，將緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元尺寸參數(shù)化，利用CST軟件進(jìn)行參 數(shù)掃描計(jì)算，以得到符合要求的結(jié)構(gòu)尺寸。步驟五根據(jù)步驟四確定的最優(yōu)尺寸，加工制作緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)。緊致型電磁 帶隙結(jié)構(gòu)材料采用雙面覆銅板。4、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法 的優(yōu)點(diǎn)在于(1)在設(shè)計(jì)過程中，保留了地平面的完整，這樣可以為高速信號提供完整的回流路 徑；只對電源平面做少量的分割以形成緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，可以使緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu) 的單元緊密耦合，最大限度的提高電源平面供電面積，易于元器件布局；(2)采用現(xiàn)有常規(guī)印刷電路板制造工藝就能夠?qū)崿F(xiàn)，成本較低；(3)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)抑制供電系統(tǒng)電源噪聲的高頻和超高頻部分；(4)對電源系統(tǒng)噪聲超高頻10GHz-13GHz、16GHz-30GHz部分抑制可以達(dá)到_30dB 以下。


圖1是本發(fā)明中電源分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主示意圖。圖2是本發(fā)明中電源分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖3是本發(fā)明中編輯緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的縫隙示意圖。圖4是本發(fā)明中共面緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元示意圖。圖5是本發(fā)明中電源分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)離散端口放置示意圖。圖6是電源分配系統(tǒng)兩個(gè)離散端口在0-2GHZ的S參數(shù)。圖7是電源分配系統(tǒng)兩個(gè)離散端口在0-30GHZ的S參數(shù)。圖8是本發(fā)明流程框圖。圖中符號說明如下1電源層；2介質(zhì)層；3地層。A、B、C、D縫隙臂；a縫隙臂長；b縫隙終端大圓??；c縫隙終端小圓弧。4單元終端。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，提出了一種新 型的緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元的終端設(shè)計(jì)為S形，可以使結(jié)構(gòu)耦 合緊密，產(chǎn)生的電磁帶隙可以抑制高頻及超高頻的電源噪聲。該共面緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu) 包括一個(gè)完整的地平面，一個(gè)介質(zhì)層，一個(gè)電磁帶隙結(jié)構(gòu)平面層還有兩個(gè)離散端口。其中地 平面，介質(zhì)層底平面，電磁帶隙結(jié)構(gòu)平面面積相同。本發(fā)明中的電源分配系統(tǒng)由電源層，介質(zhì)層和地層構(gòu)成，它們之間的位置連接關(guān) 系如圖1 其中1為電源層位于頂層，3為地層位于地底層，中間2是介質(zhì)層。其中，該電源 層被設(shè)計(jì)成緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該地層為完整的金屬平面，該介質(zhì)層為1毫米厚的FR4介 質(zhì)材料。所述緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)如圖2，它是在完整的電源金屬平面上利用激光刻蝕工 藝刻出，此結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，周期單元形狀是四個(gè)邊均連接有弧型連接橋的方形金屬貼片， 如圖4。各個(gè)周期單元的連接方式是利用周期單元各邊的弧型連接橋連接，如圖2。根據(jù)不 同電源分配系統(tǒng)具體的尺寸大小可以在電源平面上蝕刻出相應(yīng)數(shù)量的周期單元。只要周期 單元數(shù)量在電源平面結(jié)構(gòu)的橫向和縱向超過三個(gè)就可以提供很好的抑制作用。為了仿真計(jì) 算和測試出緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)對電源分配系統(tǒng)噪聲的抑制作用，在電源平面相應(yīng)位置處 添加兩個(gè)離散端口，如圖5所示。參見圖1、圖8所示，本發(fā)明一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建 方法，需要用到一臺可以運(yùn)行CST軟件的電腦進(jìn)行建模和仿真計(jì)算。該方法具體步驟如下步驟一首先建立地平面的模型，模型如圖1。用CST軟件中畫長方形的工具畫出大小為 IOOmmX 60mm地平面，地平面的材料選用CST材料庫中的銅。其次建立介質(zhì)層模型，用CST軟件中畫長方體的工具畫出100mmX60mmX Imm的立 方體，長方體底面和地平面重合。長方體材料設(shè)置為CST材料庫中的FR4，介電常數(shù)為4. 9， 磁導(dǎo)率為1，損耗角正切為0. 025。然后建立電源平面的模型，用CST軟件中畫長方形的工具畫出大小為 IOOmmX 60mm電源平面，材料為銅，磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為5. 8e+007 (s/m)。電源平面和介質(zhì)
7層上表面重合。步驟二 利用CST軟件的建模工具將電源分配系統(tǒng)的電源平面編輯為平面緊致型 電磁帶隙結(jié)構(gòu)。首先利用CST軟件畫出單元間的縫隙，縫隙結(jié)構(gòu)參照圖3。其中縫隙1的臂 長a為2. 2mm，寬0. 2mm，縫隙終端為兩段圓弧，大圓弧b的外半徑為1. 5mm,內(nèi)半徑為1. 3mm 大圓弧b和縫隙臂a在縫隙臂a右端垂直相交；小圓弧c的外半徑為0. 703mm,內(nèi)半徑為 0. 55mm，大圓弧b圓心向右移動1. 7mm，向下移動1. Imm為小圓弧c的圓心。縫隙臂B、C、D 依次為縫隙臂A逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度、180度和270度。然后利用CST軟件的平移功能將畫好 的單元縫隙向X、Y方向周期延拓。最后使用CST軟件的布爾減工具，把全部縫隙從電源層 減去，剩下的部分就是平面緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)。步驟三在CST軟件中截取電磁帶隙結(jié)構(gòu)的一個(gè)單元進(jìn)行色散圖分析，根據(jù)電源 供電系統(tǒng)的噪聲抑制要求，對單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。將調(diào)整好的結(jié)構(gòu)替代原來的結(jié)構(gòu)步驟四添加離散端口計(jì)算供電系統(tǒng)的傳輸S參數(shù)。根據(jù)已經(jīng)建好的平面緊致型 電磁帶隙結(jié)構(gòu)，在電源系統(tǒng)兩端添加離散端口，端口一段接電源層，另一端接地層。端口方 向?yàn)檫B接電源層一端為正，連接地層一端為負(fù)。具體端口坐標(biāo)位置為端口 1的正負(fù)端坐標(biāo) 分別為(41. 5，23，0)，(41. 5，23，-1)端口 2 的正負(fù)端坐標(biāo)分別為(-23,23,0) (-23,23,-1) 將端口 1設(shè)置為激勵(lì)源，利用CST軟件的時(shí)域仿真工具計(jì)算兩個(gè)端口的S參數(shù)。根據(jù)實(shí)際 要求，將S型連接臂寬度長設(shè)為a，縫隙寬度設(shè)為w，在CST軟件中進(jìn)行參數(shù)掃描、優(yōu)化設(shè)計(jì)， 使電磁帶隙結(jié)構(gòu)在高頻IGHz和超高頻大于5GHz處形成帶隙。步驟五根據(jù)步驟三確定的最優(yōu)尺寸，加工制作電磁帶隙結(jié)構(gòu)。使用激光刻蝕的工 藝加工本發(fā)明的電磁帶隙結(jié)構(gòu)。這里選用FR4基材，介電常數(shù)為4. 9，厚度為1mm，材料上下 表面為銅膜。在仿真模型添加離散端口處打通孔，使用SMA頭進(jìn)行饋電，將SMA頭的同軸探 針焊接在電磁帶隙結(jié)構(gòu)平面，SMA頭的接地端焊接在電源系統(tǒng)的接地平面。SMA系列是一種 應(yīng)用廣泛的小型螺紋連接的同軸連接器。SMA系列采用英制螺紋連接，強(qiáng)度高，抗震性好。 外導(dǎo)體端面和地平面直接接觸，使插入損耗降到最低。使用安利矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試， 掃描頻率設(shè)置為0-30GHZ測試結(jié)果直接由GPIB卡讀出。如圖6所示，測試的電源分配系統(tǒng)的兩個(gè)離散端口在0-2GHZ頻率范圍內(nèi)，電磁帶 隙_20dB帶寬達(dá)到了 800MHz，-30dB帶寬達(dá)到了 600MHz，帶隙寬度覆蓋了 0. 8GHz到1. 6GHz 頻率范圍，可以很好的抑制電源分配系統(tǒng)的高頻噪聲。如圖7所示，測試的電源分配系統(tǒng)的兩個(gè)離散端口在0-30GHZ頻率范圍內(nèi)，電磁帶 隙10GHz-13GHz、16GHz-30GHz部分抑制可以達(dá)到_30dB以下，對電源分配系統(tǒng)的超高頻噪 聲可以起到很好的抑制作用。本發(fā)明將電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元的終端用S形結(jié)構(gòu)連接，增加了單元的耦合程度，提 高了電源層供電平面的面積，并且可以抑制電源系統(tǒng)超高頻段的噪聲。在混合電路系統(tǒng)中，不同電路模塊間的噪聲耦合是一個(gè)關(guān)鍵的問題。當(dāng)用一個(gè)相 同的電源為數(shù)字和射頻電路供電時(shí)，封裝中的電源和地平面可能成為主要的噪聲耦合源。 敏感的模擬信號必須從這種數(shù)字開關(guān)噪聲中隔離開來。并且隨著電路系統(tǒng)速度不斷提高， 信號的上升時(shí)間不斷縮短，系統(tǒng)的帶寬將不斷拓寬。在一個(gè)電源/地平面對上，本發(fā)明的電 磁帶隙結(jié)構(gòu)可以在高頻及超高頻提供隔離。為以后超高速電路抑制電源噪聲提供了可能。
權(quán)利要求
一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，該電源分配系統(tǒng)由電源層，介質(zhì)層和地層構(gòu)成，它們之間的位置連接關(guān)系是電源層位于頂層，地層位于底層，中間是介質(zhì)層；該電源層是緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該地層為完整的金屬平面，該介質(zhì)層為1毫米厚的FR4介質(zhì)材料；所述緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，它是在完整的電源金屬平面上利用激光刻蝕工藝刻出，此結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)，周期單元形狀是四個(gè)邊均連接有弧型連接橋的方形金屬貼；各個(gè)周期單元的連接方式是利用周期單元各邊的弧型連接橋連接，在電源平面相應(yīng)位置處設(shè)置兩個(gè)離散端口，其特征在于該構(gòu)建方法的具體步驟如下步驟一按照印刷電路板設(shè)計(jì)的一般規(guī)范，在電磁仿真軟件CST中建立印刷電路板的供電系統(tǒng)；使用電磁仿真軟件CST，其建模方法如下首先用CST中的矩形工具畫出電源系統(tǒng)地平面模型，地平面的材料選用CST材料庫中默認(rèn)的良導(dǎo)體，然后利用CST中的長方體工具畫出一個(gè)長方體作為介質(zhì)層，介質(zhì)層下表面和地平面重合，面積相同，介質(zhì)層材料選擇CST材料庫中的FR4；其次再利用CST中的矩形工具畫出電源系統(tǒng)電源平面模型，電源平面模型和介質(zhì)層上表面重合，地平面的材料選用CST材料庫中默認(rèn)的良導(dǎo)體；步驟二利用CST軟件的建模工具將電源分配系統(tǒng)的電源平面編輯為平面緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)；首先利用CST軟件畫出單元間的縫隙，然后利用CST軟件的平移功能將畫好的單元縫隙向X、Y方向周期延拓；最后使用CST軟件的布爾減工具，把全部縫隙從電源層減去，剩下的部分就是平面緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)；步驟三在CST軟件中截取緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的一個(gè)單元進(jìn)行色散圖分析，根據(jù)電源供電系統(tǒng)的噪聲抑制要求，對單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整好的結(jié)構(gòu)替代原來的結(jié)構(gòu)；步驟四添加離散端口計(jì)算供電系統(tǒng)的傳輸S參數(shù)；根據(jù)已經(jīng)建好的平面緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，在電源系統(tǒng)兩端添加離散端口，端口一段接電源層，另一端接地層；端口方向?yàn)檫B接電源層一端為正，連接地層一端為負(fù)，利用CST軟件的時(shí)域仿真工具計(jì)算兩個(gè)端口的S參數(shù)；根據(jù)實(shí)際要求，將緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)單元尺寸參數(shù)化，利用CST軟件進(jìn)行參數(shù)掃描計(jì)算，以得到符合要求的結(jié)構(gòu)尺寸；步驟五根據(jù)步驟四確定的最優(yōu)尺寸，加工制作緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)；緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)材料采用雙面覆銅板。
全文摘要
本發(fā)明一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，它基于一種共面緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該方法共有五大步驟一、按照印刷電路板設(shè)計(jì)的一般規(guī)范，在電磁仿真軟件CST中建立印刷電路板的供電系統(tǒng)；二、利用CST軟件的建模工具將電源分配系統(tǒng)的電源平面編輯為新型平面緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)；三、在CST軟件中截取緊致型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的一個(gè)單元進(jìn)行色散圖分析，并對單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整；四、添加離散端口，計(jì)算供電系統(tǒng)的傳輸S參數(shù)，在CST軟件中優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸以得到要求的帶隙指標(biāo)；五、根據(jù)步驟四確定的最優(yōu)尺寸，采用雙面覆銅板加工制作電磁帶隙結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提高了電源平面供電面積，并實(shí)現(xiàn)了同時(shí)抑制供電系統(tǒng)電源噪聲的高頻和超高頻部分。
文檔編號H05K9/00GK101983006SQ20101028607
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者姜英杰, 王剛, 王濤, 車明明, 閻照文, 韓雅靜 申請人:北京航空航天大學(xué)