專利名稱：一種小型化的c型凹槽平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速電路、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小型化的C型凹槽平面電磁帶隙(Electromagnetic Bandgap,簡(jiǎn)稱EBG)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以作為電源地平面,用于抑制高速電路中從數(shù)百M(fèi)Hz到數(shù)GHz的電源噪聲。
背景技術(shù)：
1999年D.Sievenpiper首次提出了蘑燕型EBG結(jié)構(gòu)并用于天線領(lǐng)域表面波的抑制。2002 年，R.Abhari^PIG.V.Eleftheriades 第一次將 D.Sievenpiper 提出的蘑燕型EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用于抑制高速電路中的同步開關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise,簡(jiǎn)稱SSN)。同年,Telesphor Kamgaing和Omar M.Ramahi發(fā)表了類似的研究成果,進(jìn)一步驗(yàn)證了 EBG電源地平面抑制高速數(shù)字系統(tǒng)噪聲的可行性。2004年，Tzong-Lin Wu等人提出將平面EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用在高速電路噪聲抑制中。隨之，國內(nèi)外許多研究者對(duì)EBG電源地平面進(jìn)行了更加深入的分析和研究，并提出了多種不同的EBG結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)集成度和工作速度的提高，高速電路產(chǎn)生的SSN頻譜分布從MHz提升到了 GHz頻段，傳統(tǒng)的去耦電容技術(shù)已不能滿足噪聲抑制的需要，必須尋求合適的方法進(jìn)行噪聲抑制。EBG結(jié)構(gòu)可以在GHz頻段產(chǎn)生電磁帶隙(阻帶)，從而有效抑制SSN。目前，國內(nèi)外用于高速電路電源地平面抑制噪聲的EBG結(jié)構(gòu)大致可分為三類:
(I)嵌入型EBG結(jié)構(gòu)
最早的嵌入型EBG結(jié)構(gòu)即是D.Sievenpiper提出的蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)。2004年，S.Shahparnia和0.Μ.Ramahi采用三種不同的蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)來抑制SSN。2006年，J.Park等人在蘑菇形EBG結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出一種雙疊型EBG結(jié)構(gòu)。2007年，張木水等人在蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將單一過孔 改變?yōu)槎鄠€(gè)過孔，拓寬了噪聲抑制的阻帶帶寬，2012年，Chuen-De Wang等人分析了過孔的位置對(duì)多孔蘑燕形EBG結(jié)構(gòu)阻帶帶寬的影響。(2)平面型EBG結(jié)構(gòu)
由于嵌入型EBG結(jié)構(gòu)需要在電源地平面之間增加一層金屬層和額外的過孔，工藝復(fù)雜、成本較高，因此平面型EBG結(jié)構(gòu)在低成本方面更具優(yōu)勢(shì)。典型的平面型EBG結(jié)構(gòu)電源地平面是臺(tái)灣大學(xué)吳宗霖教授在2004年提出的LPC-EBG結(jié)構(gòu)。同年，J.Choi等人也提出阻抗可變的平面EBG結(jié)構(gòu)。為了展寬平面EBG的阻帶帶寬，吳宗霖等人又于2005年提出了一種新型的具有L型橋型連接線的平面EBG結(jié)構(gòu)。2006年，J.Qin等人采用蜿蜒線來替代L型橋型連接線，進(jìn)一步增加了橋型連接線的電感，展寬了平面EBG阻帶帶寬。此外，國內(nèi)外研究人員還提出了多種新穎的平面EBG結(jié)構(gòu)。(3)混合型EBG結(jié)構(gòu)
所謂的混合型EBG結(jié)構(gòu)就是將一種平面型EBG結(jié)構(gòu)和另一種嵌入型EBG結(jié)合起來構(gòu)成新的EBG結(jié)構(gòu)，或者通過集總電容電感元件用于上述兩大類EBG結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。為了提高貼片電容和電感，W.McKinzie和K.H.Kim等人分別提出了帶有集總電容元件和帶有集總電感元件的平面EBG結(jié)構(gòu)。2006年吳宗霖等人提出一種光子晶體電源地平面結(jié)構(gòu)，并又于2007年采用高介電常數(shù)柱和低介電常數(shù)柱構(gòu)成了人工介質(zhì)形式的混合型EBG結(jié)構(gòu)。此外，還有將傳統(tǒng)蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)和平面型EBG結(jié)構(gòu)結(jié)合起來構(gòu)成的混合型EBG結(jié)構(gòu)等等。綜上所述，平面EBG結(jié)構(gòu)僅在電源平面或者地平面上周期刻蝕設(shè)計(jì)好的平面EBG單元，因此具有制造簡(jiǎn)單、工藝兼容、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，得到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注和應(yīng)用研究。平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)的研究難點(diǎn)主要集中在噪聲抑制阻帶的展寬、阻帶下截止頻率的下移以及應(yīng)用到封裝電路中的小型化技術(shù)等方面，其中小型化技術(shù)方面的研究相對(duì)較少，且隨著電子系統(tǒng)朝著高集成度的趨勢(shì)發(fā)展，小型化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。目前已公開的小型化平面EBG結(jié)構(gòu)主要有采用高介電常數(shù)薄膜的小型化平面EBG結(jié)構(gòu)和增加橋型連接線寄生電感的小型化平面EBG結(jié)構(gòu)，前者成本增加，后者小型化的效果不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于基片集成人工介質(zhì)(Substrate IntegratedArtificial Dielectric, SI AD)的新型小型化的C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)，由其構(gòu)成電源地平面，可以實(shí)現(xiàn)在噪聲抑制阻帶頻率范圍不變的基礎(chǔ)上C型凹槽平面EBG單元面積減小50%以上。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種小型化的C型凹槽平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，包括電源層、介質(zhì)層和接地層，接地層上方為介質(zhì)層，介質(zhì)層上方為電源層；在電源層上周期性地印制中心金屬貼片、刻蝕C型凹槽、印制金屬細(xì)方環(huán)和金屬細(xì)線橋；每個(gè)C型凹槽的外圍均設(shè)有金屬細(xì)方環(huán)，金屬細(xì)方環(huán)的一邊中心處通過金屬細(xì)線橋連接到金屬貼片上；在金屬貼片正下方周期性地打上金屬柱陣列，金屬柱的底層和接地層相連接，金屬柱的頂層和電源層之間存有間距。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明的小型化的C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)，利用SIAD結(jié)構(gòu)有效地增加了 C型凹槽平面EBG介質(zhì)層的等效介電常數(shù)，從而有效實(shí)現(xiàn)了 C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)的小型化。


圖1所示的是本發(fā)明中所使用的C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)的一個(gè)周期單元。圖(a)一個(gè)周期單元俯視圖，圖(b) —個(gè)周期單元的設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)注圖。圖2所示的是根據(jù)本發(fā)明提出的一種小型化的C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)周期單元。圖(a)—個(gè)周期單元俯視圖，圖(b)—個(gè)周期單元的橫截面圖。圖3所示的是根據(jù)本發(fā)明提出的電源地平面結(jié)構(gòu)(3X3單元)俯視圖。圖4所示的是沒有小型化的C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)和根據(jù)本發(fā)明提出的小型化的C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)的色散圖，圖(a)小型化之前平面EBG的色散圖，圖(b)小型化之后平面EBG的色散圖。圖5所示的是本發(fā)明所使用的C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)和根據(jù)本發(fā)明提出的小型化C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)內(nèi)部端口之間的插入損耗對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明方案是在傳統(tǒng)兩層電源地平面結(jié)構(gòu)的電源層上周期性地刻蝕所設(shè)計(jì)的C型凹槽平面EBG單元樣式(如圖1所示)，而接地層保持完整，其單個(gè)周期單元的俯視圖如圖1所示，每個(gè)C型凹槽平面EBG電源地平面結(jié)構(gòu)的周期單元從上到下分別是電源層、介質(zhì)層和接地層。在C型凹槽平面EBG周期單元的介質(zhì)層中周期性地打上金屬柱陣列(SIAD結(jié)構(gòu))(單元俯視圖和截面圖如圖2所示)是該發(fā)明的重點(diǎn)，也是創(chuàng)新之處。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明小型化平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)作詳細(xì)說明。本發(fā)明結(jié)構(gòu)由下到上分別是接地層、介質(zhì)層和電源層，其中接地層是完整的平面，電源層上周期性地刻蝕設(shè)計(jì)好的C型凹槽平面EBG單元，單個(gè)周期單元的俯視圖如圖1所示，即在電源層上周期性地印制中心金屬貼片、刻蝕C型凹槽、印制金屬細(xì)方環(huán)、金屬細(xì)線橋，C型凹槽的外圍是金屬細(xì)方環(huán)，金屬細(xì)方環(huán)的一邊中心處通過金屬細(xì)線橋連接到金屬貼片上。在每個(gè)EBG周期單元的介質(zhì)層中周期性地打上金屬柱陣列，其俯視圖和截面圖如圖2所示。由于本發(fā)明在已有C型凹槽平面EBG周期單元中打上周期排列的金屬柱(即SIAD結(jié)構(gòu))可以顯著提高介質(zhì)層的有效介電常數(shù)，使得C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)的周期單元面積大幅減小。實(shí)施例:結(jié)合圖1至圖5以阻帶頻率范圍為400MHZ-2.1GHz的C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)的電源地平面為例，詳細(xì)說明本發(fā)明結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方式
。按下列參數(shù)在2層印刷電路板頂層印制金屬貼片[I]、刻蝕C型凹槽[2]、印制金屬細(xì)方環(huán)[3]和金屬細(xì)線橋[4]以及在該印刷電路板底層全部覆銅，實(shí)現(xiàn)C型凹槽平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其周期單元的周期大小p=20mm, C型凹槽[2]的縫隙寬度S=Imm,金屬細(xì)方環(huán)的寬度W1=0.2mm,金屬細(xì)線橋[4]的寬度wb=0.4mm,長度lb=6mm ;介質(zhì)層[7]中6X6金屬柱[5]的高度為h2=l.4mm,金屬柱頂層和電源層[6]之間的間距Ii1=0.2mm,金屬柱的直徑d=lmm,金屬柱周期p=3mm。介 質(zhì)層[7]采用FR4介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)為4.4,介質(zhì)的損耗角正切為0.02，厚度為IiJh2=L 6mm ;整個(gè)小型化平面EBG結(jié)構(gòu)的電源地平面結(jié)構(gòu)是由3 X 3個(gè)正方形周期單元組成的。金屬貼片[9]、[10]的右下角處作為測(cè)試本發(fā)明的噪聲抑制阻帶的輸入輸出端口 I和端口 2。原沒有加入金屬柱陣列[5]的C型凹槽平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)周期單元的周期大小p=30mm,其他結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)均和上述引入SIAD結(jié)構(gòu)的小型化平面EBG結(jié)構(gòu)相同。相比沒有加入金屬柱陣列[5]的C型凹槽平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，本發(fā)明方案的周期單元面積減少了 56%。
權(quán)利要求
1.一種小型化的C型凹槽平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括電源層[6]、介質(zhì)層[7]和接地層[8]，接地層[8]上方為介質(zhì)層[7]，介質(zhì)層[7]上方為電源層[6];在電源層[6]上周期性地印制金屬貼片[I]、刻蝕C型凹槽[2]、印制金屬細(xì)方環(huán)[3]和金屬細(xì)線橋[4];每個(gè)C型凹槽[2]的外圍均設(shè)有金屬細(xì)方環(huán)[3],金屬細(xì)方環(huán)[3]的一邊中心處通過金屬細(xì)線橋[4]連接到金屬貼片[I]上；在金屬貼片[I]正下方周期性地打上金屬柱陣列[5]，金屬柱的底層和接地層[8]相連接，金屬柱的頂層和電源層[6]之間存有間距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化的C型凹槽平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其特征在于:介質(zhì)層[7]的材料為 FR4、Roger R03003、Roger R04003 或 RogerRT/duroid 5870 介質(zhì)。
全文摘要
一種小型化的C型凹槽平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)兩層電源地平面結(jié)構(gòu)的電源層上周期性地刻蝕所設(shè)計(jì)的C型凹槽平面EBG單元樣式，而接地層保持完整，每個(gè)C型凹槽平面EBG電源地平面結(jié)構(gòu)的周期單元從上到下分別是電源層、介質(zhì)層和接地層，在C型凹槽平面EBG周期單元的介質(zhì)層中周期性地打上金屬柱陣列。本發(fā)明利用SIAD結(jié)構(gòu)有效地增加了C型凹槽平面EBG介質(zhì)層的等效介電常數(shù)，從而有效實(shí)現(xiàn)了C型凹槽平面EBG結(jié)構(gòu)的小型化。
文檔編號(hào)H05K1/02GK103237408SQ20131013345
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者唐萬春, 陳如山, 施永榮, 劉升, 王橙, 饒欣, 黃承, 沈來偉, 朱建平 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)