不规则型电磁带隙结构在超宽带噪声抑制中的应用

摘要

随着集计算、通讯、娱乐及其它诸多功能于一体的现代便携式集成系统的新兴崛起，系统级封装技术成为其一种行之有效的解决途径。但系统级封装技术所要求的这种高密度的异类集成将导致更高层级的电磁噪声。与此同时，由国际半导体技术蓝图（ITRS）公布的数据可预测出，将来的电子系统将朝更快速、更高频和更低功耗的方向发展，这意味着高频时的快速瞬态电流将急剧增大。因此，由若干输出同时开关而引起的同步开关噪声问题成为现代高速系统设计中最具挑战意义的一个研究课题。同步开关噪声能激励起电源/地平面组成的谐振腔中的谐振模式，引发严重的电源完整性、信号完整性以及不容忽视的电磁辐射或电磁干扰问题，甚至导致系统失灵。
　　在过去的几十年里，同步开关噪声（也称为地弹噪声或I?噪声）被广泛研究并出现了许多能抑制其传播的方法，其中大多数方法仅在有限的频率范围内有效。近来，能在禁带内阻止任意表面波传播的电磁带隙结构被用来抑制同步开关噪声。本论文的工作致力于在高速电路或混合信号系统的电源分配网络中的电源/地平面对的至少一个平面上刻蚀电磁带隙结构以达到超宽带频率范围内噪声抑制的技术研究，着重在于探寻新颖的具有不规则拓扑的平面电磁带隙结构和先进的局域设计理念。本论文所有提出的设计方案皆简单有效，无论在噪声抑制的幅度和带宽方面都取得了显著突破，所得结果都从仿真和实测两方面进行了验证。本论文共九章，是一个完整的系统。各章节间紧密相连，层层深入；但各章所述内容又可独立成文。
　　整体而言，本论文的核心原创工作可概括为按以下三大层面在六章的内容中逐步展开论述。
　　1.首先，对具有不规则拓扑的平面电磁带隙结构在高速电路中同步开关噪声抑制方面的超宽带应用进行初步探索。本论文提出了几种新型的具有不规则拓扑的电磁带隙结构，包括两个叶状电磁带隙结构、两个波纹状电磁带隙结构以及几个由不同迭代次数形成的分形高阻拓扑构成的电磁带隙结构，并将这些电磁带隙结构应用于抑制高速电路中的同步开关噪声，具体通过在电源/地平面对的整个电源平面刻蚀所提出的电磁带隙结构实现。这些设计方案在高速电路中同步开关噪声的抑制方面展现了较好的性能，其有效抑制带宽范围能从几百兆赫兹（MHz）到20GHz左右。上述结果表明具有不规则拓扑的电磁带隙结构在高速电路中的同步开关噪声的超宽带抑制方面具有潜能，这也促使我们在接下来的层面里对谢尔宾斯基空间填充曲线这种不为工程师所熟知的分形构造在超宽带噪声抑制方面的应用进行研究。为完善这一部分的知识架构，介绍了分形的基础数学知识及其不同应用。
　　2.其次，详细的介绍和引入了不为大多数工程师所知的一种分形构造—谢尔宾斯基空间填充曲线，并在国际上率先将其应用于高速电路中的同步开关噪声抑制且取得较好结果。基于谢尔宾斯基曲线在射频/微波领域应用的潜力及查找到的一本由坎迪等所著的参考文献上对其基本特性公式的有误描述，本论文从几何的角度推导并修正了这些公式。针对工程领域与谢尔宾斯基曲线相关的公开出版物较少的现状，本论文详尽地介绍了谢尔宾斯基曲线的数学背景。上述内容对感兴趣的研究者来说，是很有益的补充。随后，不同迭代次数形成的谢尔宾斯基曲线被用来构造新颖的电磁带隙结构。这些电磁带隙结构仍被刻蚀在电源/地平面对的整个电源平面，以达到抑制高速电路中的同步开关噪声的目的。仿真和实测的结果都证明了这些设计方案的有效性，同时也表明谢尔宾斯基曲线在噪声抑制方面具有一定的潜能。尤其是经过一次迭代的谢尔宾斯基曲线，在和有效的弯曲线型的电桥结合后，展现出显著的噪声抑制能力，其-50dB抑制带宽可覆盖从263MHz到19GHz的频率范围。值得一提的是，所提出的由谢尔宾斯基曲线构成的电磁带隙结构及其改进形式或由不同迭代次数形成的谢尔宾斯基曲线及其改良可用于其它领域。
　　3.最后，基于实际工程的考虑，对局域设计理念在高速混合信号系统中噪声抑制方面的效用进行了调查。为进一步研究谢尔宾斯基曲线在噪声抑制方面的潜能，经过一次迭代形成的谢尔宾斯基曲线仍被应用于这部分的设计中。先考查了一种谓之“阵”的局域设计思想，提出了两种“阵”设计方案，即在电源/地平面对的电源平面和地平面上置有噪声源器件和噪声敏感器件的这些局部区域分别刻蚀具有不同拓扑的电磁带隙结构。数值仿真和实验测试结果都表明这两种设计方案在混合信号系统的噪声抑制方面展现了较好的性能。随后，在“阵”设计思想的基础上，提出了一种更为先进和简单的局域设计理念。新提出的局域设计思想仅需在电源/地平面对的电源平面上置有噪声器件的局部区域刻蚀少量的电磁带隙结构便可实现混合信号系统中的噪声抑制。为验证这种新的局域设计理念的有效性，提出了两种设计方案：六单元局域设计方案和四单元局域设计方案。由仿真和实测结果可看出所提的两种设计方案皆能实现超宽带范围内的噪声抑制，有效频率范围可从不到200MHz到20GHz左右，几乎覆盖了整个超宽带应用中的噪声存在范围。众所周知，运用电磁带隙结构抑制噪声的方法会引入过多的不连续性而引发信号完整性问题或电磁辐射问题，故而在实际工程中受到限制。因此，为更深入的研究所提的局域设计理念在实际工程中的可行性，对提出的两种设计方案的信号完整性进行了实测。由实测的数据可知，提出的局域设计方案不仅能满足超宽带噪声抑制的要求又能保持一定的信号传输质量。特别是对于四单元局域设计方案，由测试所得的眼图可知，当单根信号线通过刻蚀有四单元局域设计方案的电源/地平面对时，高速信号的传播质量下降甚微。当然，如果所提出的局域设计方案结合其它有效的方法，将能得到更好的效果。值得强调的是,在大多数公开的文献中给出的都是仿真的眼图结果而非实测的眼图结果。对于同一设计，实测的眼图结果往往比仿真的眼图结果糟糕。但本部分所有的测试结果（包括眼图）都是在真实的印制电路板上所得。因此，提出的新的局域设计理念对工程应用具有一定的现实指导意义。

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Chapter 1 Introduction

1.1 Background and Concepts

1.2 Problems and Challenges

1.3 Dissertation Outline

Chapter 2 Power/Ground Plane Pairs with EBG Structures

2.1 Introduction

2.2 Issues on Power/Ground Plane Pairs with EBG Structures

2.3 Designs of Power/Ground Plane Pairs with EBG Structures

2.4 Conclusion

Chapter 3 Power/Ground Plane Pairs with EBG Structures Using Irregular Topologies

3.1 Introduction

3.2 Power/Ground Plane Pairs with Leafy EBG Structures

3.3 Power/Ground Plane Pairs with Wavy EBG Structures

3.4 Conclusion

Chapter 4 Power/Ground Plane Pairs Employing EBG Structures with Fractal High Impedance Topologies

4.1 Introduction

4.2 Mathematical Fundamentals and Applications of Fractals

4.3 Designs Using EBG Structures with Fractal High Impedance Topologies

4.4 Conclusion

Chapter 5 Sierpinski Space-Filling Curves

5.1 Introduction

5.2 Mathematical Background of Sierpinski Space-Filling Curves

5.3 Length and Area of Sierpinski Space-Filling Curves

5.4 Conclusion

Chapter 6 Power/Ground Plane Pairs with Sierpinski

6.1 Introduction

6.2 First Design using Sierpinski Curve with One Iteration

6.3 Other Two Designs Using Sierpinski Curves

6.4 Lower Frequency Characteristics of Proposed Designs

6.5 Conclusion

Chapter 7 Novel Array Designs for UWB SSN Suppression

7.1 Introduction

7.2 First Localized Array Design with Sierpinski Curve

7.3 Super Localized Array Design with Sierpinski Curve

7.4 Conclusion

Chapter 8 Developed Localization Concept for Power/Ground Plane Pairs with EBG Structures

8.1 Introduction

8.2 Localized Designs with Sierpinski Curve

8.3 Ultrawideband Noise Suppression Performance

8.4 Impact on Signal Integrity

8.5 Conclusion

Chapter 9 Conclusions and Future Work

9.1 Introduction

9.2 Conclusions

9.3 Future Work

参考文献