新型EBG结构抑制开关噪声的研究

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当前,各类电子产品丰富了人们的生活,方便了人们的生产。这些电子设备的时钟边缘速率在不断变快,工作频率在持续提升,噪声容限与供电电压在稳步降低。这一系列的变化,都导致电路功能实现的好坏与信号畸变程度的深浅密切相关。其中一个不容忽视的原因就是同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise,SSN)对高速数字电路的电源分配系统(Power Distribution System,PDS)产生的干扰。产生于平面间的SSN会导致谐振,而当谐振现象出现在电源/地平面之间时,又会使本已出现的SSN变得更加的恶化。目前人们热衷于研究使用电磁带隙(Electromagnetic Bandgap,EBG)结构来抑制印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)上的噪声传播,从而解决相关的电源完整性(Power Integrity,PI)和信号完整性(Signal Integrity,SI)问题,并由此提出了一系列新的结构和理论分析方法,其中很大一部分都已在实验和生产中得到了证实和应用,为现今电子器件的发展和创新做出了巨大的贡献。本文结合前人的研究作为基础,重点分析了高速链路中的信号完整性问题。首先大概介绍了高速数字链路的发展历程及当前国内外的发展现状;其次,详细阐述了高速数字链路的相关理论概念,重点是对其反射现象和串扰现象的理论分析;然后分析了电源噪声形成的原因、类型、抑制方法以及各种的优缺点;最后对两种传统的EBG结构:蘑菇型EBG结构和平面型EBG结构做了详细的等效分析和性能对比,阐述了它们的结构特点、SSN抑制特性及等效电路分析模型,并且描述它们各自的优点和不足。在本文的最后一章中,根据EBG结构现有的理论和结构,结合表面滤波器(Frequency Selective Surfaces,FSS)理论,设计了一种新颖的SL-EBG结构,该结构在平面型L-EBG结构的基础上,创造性地将地平面蚀刻成FSS结构,即二维十字型缝隙阵列,使得新结构同时具备了空间上的选择透过性与平面上的噪声抑制性。首先,详细描述了新结构的单元设计特点,并用FSV对比了实测与仿真结果,证实了实验数据的准确性和实物加工的精确;接着,结合集总元件电路模型与谐振腔模型对新型SL-EBG结构的下截止频率与上截止频率分别作了分析和估算。最后,使用CST2011仿真得到了新结构的直流阻抗,并根据二次仿真获得的眼图,分析该新型结构的信号传输特性。通过与地平面完整的相同结构进行对比,得到以下结论:相比于地平面没有蚀刻的结构,新结构的上截止频率和下截止频率都有了明显的拓宽,同时,在中频阶段,噪声抑制的程度大大提高,证明了蚀刻地平面是提升现有EBG结构噪声抑制能力的有效途径。但是,相应的信号传输质量与直流阻抗会有所恶化,这也是今后我们具体应用中需要权衡的问题。
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