專利名稱：一種嵌入蛇形平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種嵌入蛇形的平面電磁帶隙(Electromagnetic Bandgap,簡稱EBG)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法，屬于高速電路微波技術(shù)領(lǐng)域。提出的EBG結(jié)構(gòu)可以抑制高速電路電源配送網(wǎng)絡(luò)(Power Distribution Network,簡稱F1DN)從500MHz到14. 5GHz的同步開關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise,簡稱 SSN)。
背景技術(shù)：
近年來，PDN設(shè)計(jì)已經(jīng)成為高速電路和混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頭等難題之一。隨著電路系統(tǒng)向著高速率、高密度、低電壓的方向發(fā)展，PDN設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)將會在接下來的十年內(nèi)持續(xù)增長。據(jù)2008年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS)預(yù)測，到2022年，印刷電路板(PCB)上互聯(lián)線間距將降到11. 3nm，片上時鐘速率會增長到14. 3GHz，相應(yīng)的電源電平會降到0. 8V，最大功率密度將上升至I. 73W/m2。這些趨勢意味著，具有較低直流電壓的集成電路(Integrated Circuit,簡稱IC)對高于千兆赫茲(GHz)的快速瞬態(tài)電流的需求將大幅增力口。并且，由于I3DN的分布和寄生效應(yīng)在高頻時起主導(dǎo)作用，高于千兆赫茲的SSN對電路的影響將越發(fā)嚴(yán)重。這些噪聲會降低電源完整性(PD、信號完整性(SI)，并誘發(fā)電磁干擾(EMI)。通常來講，消除SSN有兩種方式。第一種方式是通過在芯片、封裝和PCB三個層次上引入去耦電容以保持PDN在很廣的頻率范圍內(nèi)具有非常低的阻抗。理想情況下，這種方式是最有效的，因?yàn)榈妥杩沟腜DN可以快速提供三極管跳變時所需的瞬態(tài)電流，同時，也可以抑制噪聲在整個I3DN上傳播。然而實(shí)際中，由于在使用去耦電容時不可避免地會引入串聯(lián)電感，這導(dǎo)致了用以旁路高頻噪聲的去耦電容是帶限的，在高于諧振頻率的頻帶內(nèi)，去耦電容只具有感性而失效。另一種方式是采用隔離的方法將TON的局部維持在高阻抗以削減SSN的傳播。典型的隔離方式包括在電源或地平面上蝕刻縫隙或EBG圖案。這種方法能有效 地防止SSN傳播到整個PDN平面，并且有助于解決EMI和RFI問題。目前，用于抑制SSN的平面EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要關(guān)注兩個方面。一是阻帶帶寬的展寬，這是因?yàn)閿?shù)字電路的開關(guān)噪聲將覆蓋越來越大的頻率范圍。二是小型化技術(shù)，這是由封裝內(nèi)系統(tǒng)(System inPackage,簡稱SiP)和片上系統(tǒng)(System on Chip,簡稱SoC)兩大技術(shù)向更小尺寸發(fā)展的趨勢所決定的。

發(fā)明內(nèi)容
I.發(fā)明目的電路電源配送網(wǎng)絡(luò)(PDN)中的噪聲逐漸延伸到特高頻(SHF，3 30GHz)的頻率范圍內(nèi)，去耦電容和傳統(tǒng)的EBG結(jié)構(gòu)目前并不能很好地在如此高的頻段內(nèi)工作?；诖?，本發(fā)明提出一種嵌入蛇形平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法，以實(shí)現(xiàn)阻帶帶寬大、下截止頻率小、制作成本低的要求。2.技術(shù)方案
(I)本發(fā)明一種嵌入蛇形平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由一個EBG單元沿X、Y方向在二維平面上周期性延拓形成的3 X 3EBG結(jié)構(gòu)，每個EBG單元由三層構(gòu)成，自上而下依次是蝕刻成EBG形式的電源層(以下簡稱EBG電源層，并定義具有該層形狀的平面為EBG平面)、介質(zhì)層和完整的地層，如圖I所示。電源層、地層均為厚度為I. 2mil (約0. 0305mm)的銅片，平面尺寸為30 X 30mm2。介質(zhì)層是30 X 30 X 0. 4mm3的矩形塊，材料是FR-4介質(zhì)，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為0. 02。上述參數(shù)的選取一是依據(jù)目前主流設(shè)計(jì)的尺寸，二是由于實(shí)際加工生產(chǎn)受到的限制。電源層蝕刻的樣式(圖2)是該發(fā)明的重點(diǎn)，我們所強(qiáng)調(diào)的創(chuàng)新點(diǎn)也正是體現(xiàn)在單元EBG平面的形式和各參數(shù)的尺寸上，下面做詳細(xì)介紹。為便于敘述，定義每個單元EBG電源層的中心部分的金屬片為中心板(圖3)，連接兩兩單元的蛇形微帶線為橋(圖4)。EBG平面是中心對稱的周期單元圖形，它由一塊中心金屬貼片和四個連接兩兩單元的蛇形微帶線構(gòu)成，蛇形微帶線是嵌在中心金屬貼片內(nèi)。如圖3所示，最大邊沿尺寸29mm，小于每個EBG單元的尺寸30_，所以兩兩單元連接時，兩個中心板是分離的。橋形狀特別，是一條蜿蜒的微帶線。如圖4所示，定義平行X方向的微帶線為臂，平行于Y 方向的微帶線為連臂，則本發(fā)明中共有5條臂、4條連臂。其中，微帶線的寬度、臂與臂的間距、臂與中心板的間距、連臂與中心板的間距均為0. 5mm，蛇形微帶線的始末兩端沿X方向的距離為8mm。每個單元中共有四個半橋，其中的任意一個半橋繞中心板的中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°，可依次得到其余三個半橋。并且，每個半橋都是不連續(xù)的，只有當(dāng)兩個單元連起來時，兩個半橋接在一起，才能恰好形成一條連續(xù)的蛇形微帶線，連通兩個中心板。(2)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)I)理論基礎(chǔ)a)諧振理論平面EBG結(jié)構(gòu)每個單元本身的諧振效應(yīng)在帶隙的形成中起主要作用。只要周期性EBG單元尺寸比其上傳播的信號波長小得多，EBG單元就可等效為局部諧振特性比較強(qiáng)的并聯(lián)LC諧振電路。因?yàn)閱卧C振時電抗無窮大，EBG結(jié)構(gòu)便可以阻止諧振頻率附近的電磁波傳播，從而形成頻率帶隙，即阻帶。不失一般性，將平面EBG結(jié)構(gòu)單元等效為如圖5所示的電路模型。EBG單元中的半橋等效為電感Lb，中心板等效為串聯(lián)的的兩個n型電路，半個中心板的電容、電感分別用CdPLp表示，則阻帶的上下截止頻率^與fH)由下式?jīng)Q定由以上兩式分析可知，如果要提高上截止頻率，必須要減小中心板的面積，以便減小Cp、Lp。與此同時，減小了 Cp會導(dǎo)致下截止頻率上升，在Lb保持不變的情況下，上截止頻率比下截止頻率增加要多，因此阻帶整體展寬。而為了使下截止頻率降低，必須要增大半橋的電感U。這是設(shè)計(jì)EBG單元的要領(lǐng)。本發(fā)明在傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減小中心板的面積，以減小其電容電感，使得阻帶帶寬變大。同時引入蛇形微帶線連接兩兩單元，充分利用冗余空間，增大橋狀結(jié)構(gòu)的電感。在合理選取尺寸的前提下，可以得到阻帶帶寬大、下截止頻率低的EBG結(jié)構(gòu)。b)色散圖理論色散圖描述的是EBG結(jié)構(gòu)中可傳播的電磁波得相位常數(shù)P和頻率f之間的對應(yīng)關(guān)系。色散圖中，不存在曲線的頻率范圍表明電磁波在該頻段內(nèi)不能傳播，即阻帶；反之，則為通帶。二維EBG結(jié)構(gòu)的色散圖可采用光子晶體結(jié)構(gòu)理論體系中的布里淵區(qū)結(jié)構(gòu)理論來求解。當(dāng)電磁波在二維EBG結(jié)構(gòu)中傳播時，可將其看作分別沿X和Y兩個方向傳播，其中
J3 = ^k2x+k2y，kx，ky為X和Y方向上的波常數(shù)。二維EBG單元對應(yīng)的簡約布里淵區(qū)圖如圖6 所示,其中 r，X, M 分別對應(yīng) kx = ky = 0 ;kx = Tl /a, ky = 0 ；kx = ky = n /a 三點(diǎn)(a 為EBG結(jié)構(gòu)單元尺寸)。由此可以觀測沿X和Y所有可能波矢量和其他方向上的最大和最小波矢量兩個特殊點(diǎn)，通過在這個特殊區(qū)的計(jì)算可以得到足夠的周期結(jié)構(gòu)帶隙的信息。因此，色散圖可以準(zhǔn)確描述EBG結(jié)構(gòu)帶隙的分布情況。
2)軟件基礎(chǔ)本發(fā)明在設(shè)計(jì)過程中，綜合利用了 Agilent-ADS、Ansoft-HFSS等軟件。ADS(Advanced Design System)是美國Agilent公司推出的一款應(yīng)用于微波電路和通信系統(tǒng)的仿真軟件。它功能強(qiáng)大，仿真手段豐富，可實(shí)現(xiàn)包括時域與頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真功能，并可對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，提高復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率。本發(fā)明在開發(fā)過程中首先利用Agilent-ADS，結(jié)合傳輸線理論，得到EBG結(jié)構(gòu)的電路模型。由于電路模型具有仿真速度快、內(nèi)存消耗小、但精度不夠高的特點(diǎn)，比較適合設(shè)計(jì)初期大致確定結(jié)構(gòu)各參數(shù)的尺寸。完成此過程之后，需要運(yùn)用另一種微波領(lǐng)域常常要使用到的軟件，即HFSS。HFSS,全稱 High Frequency Structure Simulator,是 Ansoft 公司推出的一款基于有限元法(FEM)分析微波工程問題的三維仿真軟件。它具有仿真精度和可靠性高、仿真速度快、操作界面簡便易用、自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)穩(wěn)定成熟等特性。本發(fā)明在設(shè)計(jì)中期采用Ansoft-HFSS,結(jié)合色散圖理論，繪制EBG結(jié)構(gòu)的色散圖，確定EBG結(jié)構(gòu)的帶隙分布，并得到EBG結(jié)構(gòu)各參數(shù)的尺寸。在設(shè)計(jì)后期仍然使用Ansoft-HFSS，建立最終結(jié)構(gòu)的模型，仿真優(yōu)化，定型EBG結(jié)構(gòu)。經(jīng)過上述流程，可最終確定本發(fā)明各參數(shù)的尺寸。(3)設(shè)計(jì)步驟本發(fā)明一種嵌入蛇形平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，該方法具體步驟如下步驟一在確定了使用5條臂的蛇形微帶線的前提下，使用傳輸線法，在Agilent-ADS中建立類似于圖5所示的EBG結(jié)構(gòu)的電路模型，使用S參數(shù)仿真，掃描優(yōu)化，大致確定平面EBG單元各參數(shù)的尺寸。步驟二 在Ansoft-HFSS中建立一個EBG單元的三維模型。該模型由三層構(gòu)成，自上而下依次是EBG電源層、介質(zhì)層和完整的地層，如圖I。電源層、地層均為平面，尺寸為30X 30mm2，邊界條件設(shè)置為理想金屬導(dǎo)體(Perfect E)。介質(zhì)層是尺寸為30X 30X0. 4mm3的矩形塊，材料為FR-4，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為0. 02。此外，基于步驟一得到的初步結(jié)果，可以設(shè)置單元EBG平面各參數(shù)的尺寸。步驟三在Ansoft-HFSS中建立平面EBG結(jié)構(gòu)色散圖仿真模型并繪制色散圖。在步驟二中建立的EBG單元模型上建立一個尺寸為30X 30X 12mm3的長方體空氣盒子，該盒子的下表面與EBG平面重合。緊挨著其上表面，建立一個厚度為2mm的理想匹配層(PML)。再建立ー個30X30X14. 4mm3的長方體空氣殼子，使其上表面與PML層的上表面重合，下表面與EBG単元的地平面重合。將最外層空氣盒子沿X和Y方向的兩對側(cè)面分別設(shè)置為主從邊界條件(Master&Slave)。最終建立的仿真模型如圖7所示。設(shè)置相位為掃描參數(shù)，依照色散圖原理，如圖6，依次得到Γ X、X M、M Γ三段色散圖。將仿真結(jié)果導(dǎo)入MATLAB中繪制總色散圖，觀察得到的結(jié)果，并返回優(yōu)化原來的設(shè)計(jì)，修改各參數(shù)尺寸，直到得到滿意的結(jié)果，如圖8 10所示。記錄此時EBG結(jié)構(gòu)各參數(shù)尺寸。
步驟四在Ansoft-HFSS中建立3X3單元格的EBG結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置端ロ并仿真兩端ロ間的傳輸系數(shù)S21。依照步驟三中得到的數(shù)據(jù)，修改步驟ニ中建立的EBG単元模型，再向X和Y方向延拓得3X3単元格的EBG結(jié)構(gòu)模型，如圖11。本發(fā)明在設(shè)計(jì)過程中設(shè)置了兩個端ロ，如圖11，中心坐標(biāo)分別在(0，0)，(30,30)。激勵源選擇集總端ロ(Lumped Port)。在EBG結(jié)構(gòu)之外設(shè)置ー個大的空氣盒子，該盒子的每個平面到EBG結(jié)構(gòu)的距離都不能小于10mm，其邊界條件設(shè)置為輻射邊界條件(Radiation)。頻率掃描范圍設(shè)置為40MHz 15GHz (與VNA測試范圍相照應(yīng))。S21仿真結(jié)果如圖12所示，提出的EBG結(jié)構(gòu)從500MHz到14. 5GHz的范圍內(nèi)抑制深度可達(dá)30dB以上。步驟五制做電路板，并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測試該電路板實(shí)際抑制電源噪聲的性能。制作的電路板由三層構(gòu)成，自上而下依次是EBG電源層、介質(zhì)層和完整的地層，如圖I。電源層、地層均為平面，尺寸為90X90mm2 ;介質(zhì)層是尺寸為90X90X0. 4mm3矩形塊，材料為FR-4，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為O. 02。單元EBG平面是中心對稱圖形，它的中心板形狀較為規(guī)整，最大邊沿尺寸29mm。橋是一條蜿蜒的微帶線，微帶線的寬度、臂與臂的間距、臂與中心板的間距、連臂與中心板的間距均為O. 5mm，蛇形微帶線的始末兩端沿X方向的距離為8mm。依照步驟四中所述的端ロ位置，在電路板上打通孔，將SMA接頭的底座焊接在EBG平面，SMA接頭的探針焊接在地平面，務(wù)必注意不要讓探針與EBG平面接觸，以防短路，影響測試結(jié)果。使用VNA進(jìn)行測試，掃描頻率設(shè)置為40MHz 15GHz，測試結(jié)果直接由GPIB卡讀出，測試結(jié)果如圖13所示。3.優(yōu)點(diǎn)及功效(I)本發(fā)明中的平面EBG結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)而言，阻帶帶寬要大很多，可以抑制高速信號電路不同頻段的同步開關(guān)噪聲(SSN)。(2) 一般情況下，展寬阻帶帶寬會顯著提高下截止頻率，而本發(fā)明中的平面EBG結(jié)構(gòu)增大阻帶帶寬的同時，下截止頻率依然保持較低的水平。(3)本發(fā)明中的EBG結(jié)構(gòu)采用普通的介質(zhì)材料FR-4，成本低。(4)制作エ藝與普通印制電路板相同，因而制作簡單方便。(5)目前SSN的頻率低于10GHz，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其頻率會不斷攀升，因此未來幾年內(nèi)，該結(jié)構(gòu)仍然具有實(shí)用價(jià)值。


圖I是本發(fā)明中EBG單元示意2是本發(fā)明中單元EBG平面示意3是本發(fā)明中單元EBG平面中心板示意4是本發(fā)明中蛇形微帶線示意圖
圖5是本發(fā)明中EBG單元等效電路模型示意6是平面EBG結(jié)構(gòu)簡約布里淵區(qū)示意7是本發(fā)明在HFSS中建立的色散圖求解模型示意8是本發(fā)明EBG結(jié)構(gòu)總的色散圖示意圖
圖9是本發(fā)明EBG結(jié)構(gòu)在下截止頻率處的色散圖示意10是本發(fā)明EBG結(jié)構(gòu)在上截止頻率處的色散圖示意11是本發(fā)明在HFSS中建立的仿真模型及端ロ位置示意12是本發(fā)明S21的HFSS仿真結(jié)果示意13是本發(fā)明S21的VNA測試結(jié)果示意14是本發(fā)明構(gòu)建流程示意圖。圖中符號說明如下Cp =EBG單元中半個中心板對應(yīng)的電容的一半；Lp EBG單元中半個中心板對應(yīng)的電感；Lb EBG單元中半橋?qū)?yīng)的電感；Mx =EBG結(jié)構(gòu)單元X方向的主邊界面；Sx EBG結(jié)構(gòu)單元X方向的從邊界面；My =EBG結(jié)構(gòu)單元Y方向的主邊界面；Sy EBG結(jié)構(gòu)單元Y方向的從邊界面；(五)具體實(shí)施方法本發(fā)明在設(shè)計(jì)實(shí)施過程中需要用到一臺電腦，一臺矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)和ー塊加工生產(chǎn)的EBG測試板。電腦用于運(yùn)行Agilent-ADS和Ansoft-HFSS以便建模仿真該EBG結(jié)構(gòu)，VNA用于測試加工出的EBG結(jié)構(gòu)抑制噪聲的實(shí)際性能。如圖I 4，本發(fā)明是由ー個EBG單元沿X、Y方向在ニ維平面上周期性延拓形成的3X3EBG結(jié)構(gòu)。每個EBG單元由三層構(gòu)成，自上而下依次是EBG電源層、介質(zhì)層和完整的地層。電源層、地層均為厚度為1.2mil (約O. 0305mm)的銅片，平面尺寸為30X30mm2。介質(zhì)層是30X30X0. 4mm3的矩形塊，材料為FR-4介質(zhì)，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為O. 02。単元EBG電源層是中心對稱圖形，它的中心板形狀較為規(guī)整，最大邊沿尺寸29mm。它的橋是一條蜿蜒的微帶線，由5條臂、4條連臂構(gòu)成，其中，微帶線的寬度、臂與臂的間距、臂與中心板的間距、連臂與中心板的間距均為O. 5mm，蛇形微帶線的始末兩端沿X方向的距離為8mm。見圖14，本發(fā)明ー種嵌入蛇形平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，具體實(shí)施步驟如下。步驟一在確定了使用5條臂的蛇形微帶線的前提下，使用傳輸線法，在Agilent-ADS中建立類似于圖5所示的EBG結(jié)構(gòu)的電路模型，使用S參數(shù)仿真，掃描優(yōu)化，大致確定平面EBG単元各參數(shù)的尺寸。步驟ニ 在Ansoft-HFSS中建立ー個EBG單元的三維模型。該模型由三層構(gòu)成，自上而下依次是EBG電源層、介質(zhì)層和完整的地層，如圖I。電源層、地層均為平面，尺寸為30 X 30mm2，邊界條件設(shè)置為理想金屬導(dǎo)體(Perfect E)。介質(zhì)層是尺寸為30 X 30 X O. 4mm3的矩形塊，材料為FR-4，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為O. 02。此外，基于步驟一得到的初步結(jié)果，可以設(shè)置単元EBG平面各參數(shù)的尺寸。步驟三在Ansoft-HFSS中建立平面EBG結(jié)構(gòu)色散圖仿真模型并繪制色散圖。首先設(shè)置求解類型(Solution type)為本征模求解(Eigenmode)。在步驟ニ中建立的EBG單元模型上建立ー個尺寸為30 X 30 X 12mm3的長方體空氣盒子，該盒子的下表面與EBG平面重合。緊挨著其上表面，建立ー個厚度為2mm的理想匹配層(PML)。再建立ー個30 X 30 X 14. 4mm3的長方體空氣殼子，使其上表面與PML層的上表面重合，下表面與EBG単元的地平面重合。將最外層空氣盒子沿X和Y方向的兩對側(cè)面分別設(shè)置為主從邊界條件(Master&Slave)。最終建立的仿真模型如圖7所示。設(shè)置相位為掃描參數(shù)，依照色散圖原理，如圖6，依次得到Γ X、X M、M Γ三段色散圖。將仿真結(jié)果導(dǎo)入MATLAB中繪制總色散圖，觀察得到的結(jié)果，并返回優(yōu)化原來的設(shè)計(jì)，修改各參數(shù)尺寸，直到得到滿意的結(jié)果，如圖8 10所示。記錄此時EBG結(jié)構(gòu)各參數(shù)尺寸,單元EBG電源層的中心板最大邊沿尺寸29mm，蛇形微帶線的寬度、臂與臂的間距、臂與中心板的間距、連臂與中心板的間距均為O. 5mm，蛇形微帶線的始末兩端沿X方向的距離為8mm。步驟四在Ansoft-HFSS中建立3X3單元格的EBG結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置端ロ并仿真兩端ロ間的傳輸系數(shù)S21。首先設(shè)置求解類型(Solution type)為模式驅(qū)動求解(DrivenModal)。依照步驟三中得到的數(shù)據(jù)，修改步驟ニ中建立的EBG單元模型，再向X和Y方向延拓得3X3單元格的EBG結(jié)構(gòu)模型，如圖11。事實(shí)上，在HFSS中只需將EBG平面復(fù)制 ，平移，再利用作圖工具中的布爾加操作，即可得所需EBG平面。然后，將介質(zhì)層和地層的X和Y方向的増量改為90，就得到了本發(fā)明的仿真模型，如圖11。本發(fā)明在設(shè)計(jì)過程中設(shè)置了兩個端ロ，如圖11，中心坐標(biāo)分別在(0，0)，(30,30)。激勵源選擇集總端ロ(Lumped Port)。在EBG結(jié)構(gòu)之外設(shè)置ー個大的空氣盒子，該盒子的每個平面到EBG結(jié)構(gòu)的距離都不能小于10mm，其邊界條件設(shè)置為輻射邊界條件(Radiation)。頻率掃描范圍設(shè)置為40MHz 15GHz (與VNA測試范圍相照應(yīng))。S21仿真結(jié)果如圖12所示，提出的EBG結(jié)構(gòu)從500MHz到14. 5GHz的范圍內(nèi)抑制深度可達(dá)30dB以上。步驟五制做電路板，并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測試該電路板實(shí)際抑制電源噪聲的性能。制作的電路板由三層構(gòu)成，自上而下依次是EBG電源層、介質(zhì)層和完整的地層，如圖I。電源層、地層均為平面，尺寸為90X90mm2 ;介質(zhì)層是尺寸為90X90X0. 4mm3矩形塊，材料為FR-4，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為0. 02。單元EBG平面是中心對稱圖形，它的中心板形狀較為規(guī)整，最大邊沿尺寸29mm。橋是一條蜿蜒的微帶線，微帶線的寬度、臂與臂的間距、臂與中心板的間距、連臂與中心板的間距均為0. 5mm，蛇形微帶線的始末兩端沿X方向的距離為8mm。依照步驟四中所述的端ロ位置，在電路板上打通孔。焊接SMA接頭之前，先將EBG平面以過孔中心為圓心的半徑3_圓形區(qū)域的金屬層刮掉，這是為了不讓探針與EBG平面接觸，防止短路，影響測試結(jié)果。之后再將SMA接頭的底座焊接在EBG平面，SMA接頭的探針焊接在地平面。使用VNA進(jìn)行測試，掃描頻率設(shè)置為40MHz 15GHz，測試結(jié)果直接由GPIB卡讀出，測試結(jié)果如圖13所示。該結(jié)果表明，當(dāng)抑制深度為-30dB時，阻帶范圍從500MHz到14. 5GHz，與上述兩種仿真結(jié)果基本一致。
權(quán)利要求
1.一種嵌入蛇形平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于該結(jié)構(gòu)是由一個EBG單元沿X、Y方向在二維平面上周期性延拓形成的3 X 3EBG結(jié)構(gòu)，每個EBG單元由三層構(gòu)成，自上而下依次是蝕刻成EBG形式的電源層、介質(zhì)層和完整的地層，電源層、地層是厚度為I. 2mi銅片，平面尺寸為30 X 30mm2，介質(zhì)層是30X30X0. 4mm3的矩形塊，其材料是FR-4，介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為O. 02，電源層、地層都能蝕刻成EBG平面，EBG平面是中心對稱的周期單元，它由一塊中心金屬貼片和四個連接兩兩單元的蛇形微帶線構(gòu)成，蛇形微帶線是嵌在中心金屬貼片內(nèi)。
2.一種嵌入蛇形平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟一在確定了使用5條臂的蛇形微帶線的前提下，使用傳輸線法，在Agilent-ADS中建立EBG結(jié)構(gòu)的電路模型，使用S參數(shù)仿真，掃描優(yōu)化，大致確定平面EBG單元各參數(shù)的尺寸； 步驟二 在Ansoft-HFSS中建立一個EBG單元的三維模型，該模型由三層構(gòu)成，自上而下依次是EBG電源層、介質(zhì)層和完整的地層，電源層、地層均為平面，尺寸為30X30mm2，邊界條件設(shè)置為理想金屬導(dǎo)體，介質(zhì)層是尺寸為30 X 30 X O. 4mm3的矩形塊，材料為FR-4，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為O. 02 ;此外，基于步驟一得到的初步結(jié)果，設(shè)置單元EBG平面各參數(shù)的尺寸； 步驟三在Ansoft-HFSS中建立平面EBG結(jié)構(gòu)色散圖仿真模型并繪制色散圖，在步驟二中建立的EBG單元模型上建立一個尺寸為30X 30X 12mm3的長方體空氣盒子，該盒子的下表面與EBG平面重合；緊挨著其上表面，建立一個厚度為2mm的理想匹配層，再建立一個30X30X14. 4mm3的長方體空氣殼子，使其上表面與PML層的上表面重合，下表面與EBG單元的地平面重合；將最外層空氣盒子沿X和Y方向的兩對側(cè)面分別設(shè)置為主從邊界條件即Master&Slave ;設(shè)置相位為掃描參數(shù)，依照色散圖原理，依次得到Γ X、X M、M Γ三段色散圖，將仿真結(jié)果導(dǎo)入MATLAB中繪制總色散圖，觀察得到的結(jié)果，并返回優(yōu)化原來的設(shè)計(jì)，修改各參數(shù)尺寸，直到得到滿意的結(jié)果，記錄此時EBG結(jié)構(gòu)各參數(shù)尺寸； 步驟四在Ansoft-HFSS中建立3X3單元格的EBG結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置端口并仿真兩端口間的傳輸系數(shù)S21 ;依照步驟三中得到的數(shù)據(jù)，修改步驟二中建立的EBG單元模型，再向X和Y方向延拓得3X3單元格的EBG結(jié)構(gòu)模型；在設(shè)計(jì)過程中設(shè)置了兩個端口，中心坐標(biāo)分別在(0，0)，(30，30);激勵源選擇集總端口即Lumped Port ;在EBG結(jié)構(gòu)之外設(shè)置一個大的空氣盒子，該盒子的每個平面到EBG結(jié)構(gòu)的距離都不能小于10mm，其邊界條件設(shè)置為輻射邊界條件即Radiation ;頻率掃描范圍設(shè)置為40MHz 15GHz，EBG結(jié)構(gòu)從500MHz到14. 5GHz的范圍內(nèi)抑制深度達(dá)30dB以上； 步驟五制做電路板，并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試該電路板實(shí)際抑制電源噪聲的性能；制作的電路板由三層構(gòu)成，自上而下依次是EBG電源層、介質(zhì)層和完整的地層，電源層、地層均為平面，尺寸為90 X 90mm2 ;介質(zhì)層是尺寸為90 X 90 X O. 4mm3矩形塊，材料為FR-4，其介電常數(shù)為4. 3，損耗角正切為O. 02 ;單元EBG平面是中心對稱圖形，它的中心板形狀規(guī)整，最大邊沿尺寸29mm，橋是一條蜿蜒的微帶線，微帶線的寬度、臂與臂的間距、臂與中心板的間距、連臂與中心板的間距均為O. 5mm，蛇形微帶線的始末兩端沿X方向的距離為8mm，依照步驟四中所述的端口位置，在電路板上打通孔，將SMA接頭的底座焊接在EBG平面，SMA接頭的探針焊接在地平面，務(wù)必不要讓探針與EBG平面接觸，以防短路，影響測試結(jié)果；使用VNA進(jìn)行測試，掃描頻率設(shè)置為40MHz 15GHz ，測試結(jié)果直接由GPIB卡讀出。
全文摘要
一種嵌入蛇形平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)自頂向下由三層構(gòu)成，分別為電源層、介質(zhì)層和地層。電源層和地層的材料是銅，介質(zhì)層的材料是FR-4。本發(fā)明在傳統(tǒng)平面EBG結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減小中心板的面積，以減小其電容電感，使得阻帶帶寬變大。同時引入蛇形微帶線連接兩兩單元，充分利用冗余空間，增大橋狀結(jié)構(gòu)的電感。在合理選取尺寸的前提下，可以得到阻帶帶寬大、下截止頻率低的EBG結(jié)構(gòu)。其構(gòu)建方法有五大步驟一、在ADS中建模，仿真優(yōu)化得EBG單元的大致尺寸；二、利用上述尺寸，在HFSS中建立EBG單元的模型；三、在HFSS中建立EBG結(jié)構(gòu)色散圖求解模型并繪制色散圖；四、建立3×3單元格的EBG結(jié)構(gòu)的仿真模型，設(shè)置端口并仿真；五，制板并用VNA測試該板的抑制性能。
文檔編號H01P3/08GK102630127SQ20121009650
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者于文璐, 曹晉, 王彥盛, 閻照文 申請人:北京航空航天大學(xué)