[发明专利]基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络

说明书

一种基于平面S‑型桥电磁带隙结构的电源分配网络，包括电源平面、介质基板和地平面，介质基板覆盖在地平面上，电源平面位于介质基板上，平面S‑型桥电磁带隙结构单元在电源平面所在的二维平面上周期性延拓构成矩阵，每个平面S‑型桥电磁带隙结构单元包括贴片和四个半S‑型桥，贴片与半S‑型桥的连接处通过开槽形成狭缝，四个半S‑型桥分别设有位于整个结构单元上、下、左、右的四个引出端，一个平面S‑型桥电磁带隙结构单元的四个引出端分别与上、下、左、右相邻的平面S‑型桥电磁带隙结构单元的其中一个引出端相连形成平面S‑型桥。本发明宽频率范围内对同步开关噪声抑制能力良好、电源完整性较好。

技术领域

本发明涉及高速电路、电磁场与微波技术领域，具体涉及一种基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，尤其是一种用于解决现代高速数字电路同步开关噪声抑制问题的电源分配网络。

背景技术

随着现代数字通信系统的发展，系统的集成度不断提高，同时为满足系统高速度和低功耗的要求，高速时钟信号的边沿不断变陡，信号电压不断降低。高速电路系统工作过程中大量的高速开关器件同时切换状态产生的同步开关噪声(Simultaneous SwitchingNoise,SSN)，也称为地弹噪声(Ground Bounce Noise,GBN)在电路板的电源、地平面所构成的平行板波导中传播，容易激起平面谐振，导致严重的信号完整性(SI)和电磁干扰(EMI)问题，对周围高速设备产生干扰或引发芯片的误动作，从而影响到系统的整体稳定性。这些噪声耦合至印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)的电源、地平面构成的平行板波导中，将激起平面谐振，导致严重的电源完整性(Power Integrity,PI)问题，并最终引发信号完整性(Signal Integrity,SI)及电磁干扰(Electro-Magnetic Interference,EMI)等问题，影响电子系统的稳定性，甚至导致系统无法正常工作。如何有效地抑制SSN成为目前高速电路电源分配网络(Power Distribution Network,PDN)设计研究的重点。

数字电路具有开关特性，数字电路中同步开关噪声的产生不可避免。随着电子系统信号翻转速度的不断提高，同步开关噪声在系统电源分配网络中传播，严重影响系统信号的质量，因此需要对同步开关噪声进行有效的抑制。典型的抑制同步开关噪声的方法有使用分立式去耦电容、使用嵌入式电容、电源/地平面分割、使用差分传输线等。这些抑制同步开关噪声的方法各异，但也存在一定的不足。比如，由于寄生电感的存在，去耦电容只适用于600MHz以下的频段；嵌入式电容需要额外的PCB层，导致PCB制造成本攀升且阻带宽度有限；电源层分割破坏平面连续性，容易引起信号完整性问题；使用差分传输线，会增加PCB面积从而增加成本，且功耗比较大，适合传输要求比较高的信号。

电磁带隙(Electormagnetic Band Gap，EBG)形成的机理分为两种，一种是Bragg散射机理，一种是局域谐振机理。在Bragg散射机理EBG中，利用一种介质材料在另一种介质材料中周期性的分布形成周期性结构，在某些频率范围内散射电磁波，从而形成一定的频率带隙；在局域谐振机理EBG中，利用金属单元与介质特殊的连接关系，形成局域电容与电感的谐振单元，利用结构单元在谐振效应下的高阻特性，阻止谐振频率附近的电磁表面波传播，从而形成频率带隙。局域谐振机理EBG结构的阻带中心频率仅仅与局域谐振单元的谐振频率有关，而与结构的周期大小无关，可以采用集总参数的并联LC电路模型来对带隙结构进行描述和估算，这使得其在结构尺寸设计上具有更高的灵活性而越来越多的被应用于高速数字电路同步开关噪声抑制的研究中。

局域谐振机理EBG结构可分为蘑菇型EBG(Mushroom-like EBG)结构和平面型EBG结构这两类。蘑菇型EBG结构所需的多层金属成本较高，EBG结构逐渐演化为以共面EBG结构为主。然而传统的EBG结构，如LBS-EBG结构、CBS-EBG结构及S-Bridged结构等，一般阻带宽度十分有限，低频截止频率较高，其在高速数字电路同步开关噪声抑制方面的性能都有可提升的空间。

发明内容