專利名稱：具有多周期平面電磁帶隙的電路板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子器件技術領域，涉及平面電磁帶隙結構，可直接應用于在高速電路中的寬頻帶范圍內抑制同步開關噪聲。
背景技術：
隨著現(xiàn)代CMOS技術的發(fā)展，尤其是系統(tǒng)時鐘頻率和脈沖邊沿轉換速率的增加，以及電源供給電壓和噪聲容限的減小，如何抑制電源或地平面上的同步開關噪聲，即地彈噪聲，成為了高速電路設計中的一個重大挑戰(zhàn)。在過去的十多年中，研究人員一直在通過各種不同的方法來抑制同步開關噪聲，從而維持一個無噪的電源分配系統(tǒng)，其中，最典型的方法是使用去耦電容。然而當系統(tǒng)工作在高頻時，由于去耦電容的固有導線電感的存在，使得這種方法不再有效。電磁帶隙結構首先被提出用于在天線應用方面對表面波進行抑制。由于電磁帶隙結構具有在一定帶寬范圍內禁止電磁波傳播的特性，近年來其被廣泛應用于在電源平面上抑制同步開關噪聲。在電磁帶隙結構研究初期，研究者常常采用蘑菇型電磁帶隙結構， 然而這種帶有埋孔的多層電磁帶隙結構在傳統(tǒng)的印制電路板PCB制造工藝下，增加了制造的難度和成本。隨著平面電磁帶隙結構的提出，這種具有簡單、平面、低損耗和易加工等優(yōu)點的結構受到了特別的關注?，F(xiàn)有的平面電磁帶隙結構具有很多種類，其中較為典型的是I-bridge型和L-bridge型。這些平面電磁帶隙結構的電源層平面往往采用單一周期的單元結構，其帶隙寬度僅取決于相鄰結構單元間橋接連線的等效電感和等效電容，其中 I-bridge型和L-bridge型平面電磁帶隙結構的帶寬僅能達到3GHz和4GHz。帶寬上的瓶頸限制了現(xiàn)有平面電磁帶隙結構應用的范圍，使其應用往往局限于窄帶器件和電路。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術的不足，提出一種具有多周期平面電磁帶隙的電路板，以展寬平面電磁帶隙結構的帶寬，滿足當前高速電路信號完整性的要求。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括電源平面，用于抑制同步開關噪聲；地平面，用于為信號提供返回路徑；介質層，用于對電源平面與地平面進行隔離；其特征在于電源平面包括m個邊長d為15mm的小周期平面電磁帶隙單元和η 個邊長D = 2d的大周期平面電磁帶隙單元；m個小周期平面電磁帶隙單元位于電源平面的左側以方陣形式排列，η個大周期平面電磁帶隙單元位于電源平面的右側以方陣形式排列； 每兩個小周期平面電磁帶隙單元與每個大周期平面電磁帶隙單元之間通過級聯(lián)橋接連線連接，構成多周期電源平面結構。所述每個小周期平面電磁帶隙單元為正方形，在每邊的中間處引出一條長I1 = 4(1/15，寬巧=d/15的矩形橋接連線，且在該矩形橋接連線的兩邊各開有長I2 = (1/5，寬W2=d/15的矩形槽，以延長矩形橋接連線的長度。所述每個大周期平面電磁帶隙單元為正方形，在每邊的中間處引出一條長I3 = 2(1/3，寬％ = d/15的矩形橋接連線，且在該矩形橋接連線的兩邊各開有長I4 = 3(1/5，寬W4 =d/15的矩形槽，以延長矩形橋接連線的長度。所述每條級聯(lián)橋接連線采用長為L = 16d/15，寬為W = d/15的矩形連線，該矩形連線將兩個最右端的小周期平面電磁帶隙單元與一個最左端的大周期平面電磁帶隙單元級聯(lián)在一起。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明由于采用級聯(lián)橋接連線將兩種不同周期的平面電磁帶隙單元進行級聯(lián)，使得該電路板在不增加電磁帶隙結構面積的同時，展寬了平面電磁帶隙單元的帶寬，適用于在高速電路寬頻帶下抑制同步開關噪聲。(2)本發(fā)明由于采用電磁帶隙結構覆蓋整個電源平面，且兩種電磁帶隙結構單元均以方陣形式排列，使得該電路板能夠全向消除電源平面上的同步開關噪聲。(3)本發(fā)明由于采用矩形橋接連線連接各個電磁帶隙結構單元，保證了各個單元之間簡單直通的連接方式，使得該電路板具有良好的信號完整性，降低了平面電磁帶隙結構對信號傳輸特性的影響。(4)本發(fā)明由于對平面電磁帶隙單元的矩形橋接連線的兩邊各開有矩形槽，延長了矩形橋接連線的長度，進一步展寬了平面電磁帶隙單元的帶寬。


圖1為本發(fā)明的電路板立體結構示意圖；圖2為本發(fā)明的電路板的電源平面結構示意圖；圖3為本發(fā)明的平面電磁帶隙單元結構圖；圖4為本發(fā)明的平面電磁帶隙單元等效電路圖；圖5為本發(fā)明的電路板插入損耗I S211仿真效果圖；圖6為本發(fā)明的電路板不同端口間插入損耗|S21|和仿真效果對比圖；
具體實施例方式以下參照附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。參照圖1，本發(fā)明的電路板主要由電源平面1、地平面2和介質層3組成。電源平面1位于本發(fā)明的電路板的頂層，其采用如圖2所示的多周期平面電磁帶隙結構，用于抑制同步開關噪聲；地平面2位于本發(fā)明的電路板的底層，采用完整的金屬平面，用于為信號提供返回路徑；介質層3位于電源平面1與地平面2之間，采用厚度為0. 4mm，相對介電常數(shù)為4. 4的FR4介質材料，用于對電源平面1與地平面2進行隔離；。參照圖2，本發(fā)明電路板的電源平面1，包括16個邊長為15mm的小周期平面電磁帶隙單元101、4個邊長30mm的大周期平面電磁帶隙單元102和兩條級聯(lián)橋接連線103。其中16個小周期平面電磁帶隙單元101位于電源平面的左側，按照4X4的方陣進行排列，相鄰兩單元之間通過各自的橋接連線連接；4個大周期平面電磁帶隙單元102位于電源平面的右側，按照2X2的方陣進行排列，相鄰兩單元之間通過各自的橋接連線連接；兩條長為16mm，寬為Imm的矩形級聯(lián)橋接連線位于小周期平面電磁帶隙單元101和大周期平面電磁帶隙單元102之間，每條連線將兩個最右端的小周期平面電磁帶隙單元101與一個最左端的大周期平面電磁帶隙單元102級聯(lián)在一起。本實例所取的15mm的小周期平面邊長的個數(shù)和30mm的大周期平面邊長的個數(shù)是根據(jù)實際應用中所需電路板的大小確定的但不限于 16個和4個。參照圖3，本發(fā)明中所述兩種平面電磁帶隙單元101與102的結構相同，均為正方形。其中邊長為15mm小周期平面電磁帶隙單元101的在每邊中間處引出一條長為3mm，寬為Imm的矩形橋接連線，且在該矩形橋接連線的兩邊各開有長3mm，寬Imm的矩形槽，以延長矩形橋接連線的長度；邊長為30mm的大周期平面電磁帶隙單元102的在每邊的中間處引出一條長為10mm，寬為Imm的矩形橋接連線，且在該矩形橋接連線的兩邊各開有長9mm，寬 Imm的矩形槽，以延長矩形橋接連線的長度。本發(fā)明電路板的電源平面1由于采用兩種平面電磁帶隙單元101與102，因而能夠在頻域內形成寬度為的阻頻帶，用以抑制同步開關噪聲。該阻帶的形成及其寬度與平面電磁帶隙單元101與102的結構和尺寸相關，在此可通過如圖4所示的平面電磁帶隙單元 101與102的等效電路進行說明。本發(fā)明的效果可通過以下等效電路和仿真進一步說明1)等效電路參照圖4，本發(fā)明的平面電磁帶隙單元等效電路可以通過平面電磁帶隙單元正方形結構與地平面2之間的等效電容(；、平面電磁帶隙單元正方形結構的等效電感Lp、平面電磁帶隙單元矩形橋接連線的等效電感Lb、矩形橋接連線與地平面2之間的等效電容Cb和兩個相鄰單元之間的等效間隙電容Cg來表示。因此平面電磁帶隙單元可以等效為一帶阻濾波器，該帶阻濾波器的阻帶寬度和截止頻帶的中心頻率可分別表示為式(1)和式O)BW = -(1)(2)其中，η為自由空間的波阻抗，其為常量。本發(fā)明所采用的兩種不同周期的平面電磁帶隙單元101和102級聯(lián)連接，可以看作兩個不同參數(shù)的帶阻濾波器的級聯(lián)。由于小周期平面電磁帶隙單元101相比于大周期平面電磁帶隙單元102，其單元面積小、橋接連線長度短，所以其小周期平面電磁帶隙單元 101矩形橋接連線的等效電感Lb、矩形橋接連線與地平面2之間的等效電容Cb均小于大周期平面電磁帶隙單元102。因此小周期平面電磁帶隙單元101相比于大周期平面電磁帶隙單元102，具有更大的截止頻帶的中心頻率&，但兩者阻帶寬BW維持一致。而對于整個電路板，由于兩種不同周期的平面電磁帶隙單元101和102級聯(lián)后總的阻帶寬度是其各自阻帶寬度的并集，從而增大了總的阻帶寬度BW。2)仿真實驗仿真實驗1，對本發(fā)明的電路板、單一小周期平面電磁帶隙單元電路板和單一大周期平面電磁帶隙單元電路板進行仿真實驗。在三塊電路板的電源平面上均添加2個50 Ω的集總同軸端口，并在電磁仿真軟件HFSS中對其各自的插入損耗|S21|進行仿真驗證，仿真結果如圖5。其中曲線1為本發(fā)明的電路板的仿真結果，曲線2為單一小周期平面電磁帶隙單元電路板的仿真結果，曲線3為單一大周期平面電磁帶隙單元電路板的仿真結果。從曲線 1可見當抑制深度為_30dB時，本發(fā)明的電路板的阻帶范圍為0. 7GHz 8. 4GHz，阻帶寬度為7. 7GHz ；從曲線2可見當抑制深度為_30dB時，單一小周期平面電磁帶隙單元電路板的阻帶范圍為1. 8GHz 8. 3GHz,阻帶寬度為6. 5GHz ；從曲線3可見當抑制深度為_30dB時， 單一大周期平面電磁帶隙單元電路板的阻帶范圍為0. 6GHz 6. 2GHz,阻帶寬度為5. 6GHz。 通過仿真實驗1可以看出，本發(fā)明的電路板相比于其余兩塊單一周期平面電磁帶隙單元的電路板阻帶寬度有明顯的展寬，從而驗證了本發(fā)明的效果。 仿真實驗2，在本發(fā)明電路板的電源平面添加3個50 Ω的集總同軸端口，并在電磁仿真軟件HFSS中對端口 1與端口 2之間的插入損耗|S21|和端口 1與端口 3之間的插入損耗|S31|分別進行仿真驗證，仿真結果如圖6。其中曲線A為端口 1與端口 2之間的插入損耗Is21I的仿真結果，曲線B為端口 1與端口 3之間的插入損耗|S31|的仿真結果。從曲線 A和曲線B可以看出，端口 1與端口 2之間的插入損耗|S21|和端口 1與端口 3之間的插入損耗Ih1I特性曲線趨于一致。通過仿真實驗2可以看出，本發(fā)明的電路板能夠全向消除電源平面上的同步開關噪聲。
權利要求
1.一種具有多周期平面電磁帶隙的電路板，包括電源平面(1)，用于抑制同步開關噪聲；地平面O)，用于為信號提供返回路徑；介質層(3)，用于對電源平面(1)與地平面(2)進行隔離；其特征在于電源平面⑴包括m個邊長d為15mm的小周期平面電磁帶隙單元(101) 和η個邊長D = 2d的大周期平面電磁帶隙單元(102) ；m個小周期平面電磁帶隙單元位于電源平面的左側以方陣形式排列，η個大周期平面電磁帶隙單元位于電源平面的右側以方陣形式排列；每兩個小周期平面電磁帶隙單元(101)與每個大周期平面電磁帶隙單元(102) 之間通過級聯(lián)橋接連線(103)連接，構成多周期電源平面結構。
2.根據(jù)權利要求1所述具有多周期平面電磁帶隙的電路板，其特征在于每個小周期平面電磁帶隙單元(101)為正方形，在每邊的中間處引出一條長I1 = (1/5，寬巧=d/15的矩形橋接連線，且在該矩形橋接連線的兩邊各開有長I2 = d/5，寬W2 = d/15的矩形槽，以延長矩形橋接連線的長度。
3.根據(jù)權利要求1所述具有多周期平面電磁帶隙的電路板，其特征在于每個大周期平面電磁帶隙單元(102)為正方形，在每邊的中間處引出一條長I3 = 2d/3，寬％ = d/15的矩形橋接連線，且在該矩形橋接連線的兩邊各開有長I4 = 3(1/5，寬W4 = d/15的矩形槽，以延長矩形橋接連線的長度。
4.根據(jù)權利要求1所述具有多周期平面電磁帶隙的電路板，其特征在于每條級聯(lián)橋接連線(103)采用長為L = 16d/15，寬為W = d/15的矩形連線，該矩形連線將兩個最右端的小周期平面電磁帶隙單元(101)與一個最左端的大周期平面電磁帶隙單元(10 級聯(lián)在一起。
5.根據(jù)權利要求1所述具有多周期平面電磁帶隙的電路板，其特征在于地平面(2) 采用完整的金屬平面。
6.根據(jù)權利要求1所述具有多周期平面電磁帶隙的電路板，其特征在于介質層(3) 位于電源平面(1)與地平面(2)之間，采用厚度為0.4mm，相對介電常數(shù)為4. 4的FR4介質材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有多周期平面電磁帶隙的電路板，主要解決現(xiàn)有平面電磁帶隙電路板的阻帶寬度窄的問題。該電路板由電源平面(1)、地平面(2)和介質層(3)組成。其中電源平面(1)，包括多個小周期平面電磁帶隙單元(101)、多個大周期平面電磁帶隙單元(102)和多條級聯(lián)橋接連線(103)，兩種平面電磁帶隙單元(101)和(102)分別位于電源平面的左側和右側，均以方陣形式排列，且通過級聯(lián)橋接連線(103)連接，構成多周期電源平面結構。本發(fā)明在抑制深度為-30dB時，其阻帶范圍為0.7GHz～8.4GHz，阻帶寬度為7.7GHz，相比于單一周期平面電磁帶隙單元的電路板，其帶隙寬度明顯展寬，能夠有效抑制同步開關噪聲，可用于高速電路和寬帶器件。
文檔編號H05K1/02GK102316670SQ20111020621
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權日2011年7月22日
發(fā)明者史凌峰, 張穎, 來新泉, 畢明路, 肖垣明 申請人:西安電子科技大學