基于电磁带隙结构的CCD相机成像电路降噪

申才立 陈瑞明 王栋 苏浩航 韩志学

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

随着高分辨率对地观测相机研制技术的不断发展，相机成像电路结构日益复杂，呈现高速和高集成度的特点；同时现代CMOS工艺的数字器件时钟和信号的边沿不断变陡，信号电压也逐渐降低。由于单个器件内部集成的晶体管数量增加，当电路系统中大量的高速开关门电路同时切换时，其电流变化引起的噪声就会叠加，在电路中产生同步开关噪声（simultaneous switching noise，SSN），也称为地弹噪声[1]。如果噪声门限超过阈值，将导致电路错误翻转，功能受损。由于 CCD相机成像电路是模数混合信号处理电路，数字部分产生的SSN将会严重影响模拟前端电路的性能，因此这个问题成为高分辨率相机成像电路设计的瓶颈，解决这个问题的方法就是抑制SSN，从而维持一个低噪声的电源分配系统。最经典的方法就是在电路中添加大量的去耦电容，这是一种为SSN提供低阻抗的本地通路来达到抑制SSN的目的。但去耦电容抑制SSN的频率范围有限，对于常见的瓷片电容，仅在噪声频率低于600MHz时有较好的抑制作用。而随着频率的提高，电容本身以及过孔、印制线等寄生电感的影响变大，逐渐抵消甚至超过容抗的作用。也就是说，去耦电容只在低于自身谐振频率时才有效[1]。

电磁带隙（electromagnetic band-gap，EBG）结构的出现，给SSN的抑制提供了一种新的解决方法。EBG结构最初由文献[2]提出并应用于天线方面的表面波抑制，最初提出的是一种Mushroom-like结构[2]，它是在两层金属之间嵌入一层双面的周期性结构，这种结构由于制作工艺复杂等原因，应用受到一定限制。文献[3]提出了平面 EBG结构，其主要特点就是在一层平面上蚀刻出周期性的单元结构，每个单元结构又由分支和基本单元两部分组成。平面EBG结构由于具有简单、低损耗和易加工等优点而受到了广泛关注，在此基础上，文献[3-7]提出了L-Bridge结构、S-Bridge结构以及空心型等多种平面EBG结构，其中大多研究都致力于如何降低EBG结构的阻带中心频率和增加阻带带宽来抑制SSN，如文献[5]中结构的抑制带宽达到了7.7GHz。本文提出一种适用于在高速电路中有效抑制SSN的多周期平面EBG结构，并使用ANSYS HFSS仿真软件对该EBG结构的频域特性进行了分析。

1 带隙的形成及设计

1.1 带隙的形成

EBG结构的带隙形成原理一般分为两种[8-10]：Bragg散射原理和局域谐振原理。Bragg散射原理是利用一种介质材料在另一种介质材料中周期分布形成的结构，当电磁波经过这种结构时，某些频段的电磁波强度会因为周期性的介质散射而减弱，从而在频谱上形成频率带隙；根据Bragg散射理论，这种结构的周期需要与带隙中心频率对应的波长相当[11]；工程应用时中心频率可低至1GHz左右，结构单元的尺寸约30cm，过大的结构尺寸在一定程度上限制了其在实际中的应用。局域谐振原理是利用金属单元在电介质中的特殊排列关系，形成局域的电容与电感谐振单元，利用结构单元本身的谐振效应，通过高阻平面来抑制谐振频率附近的表面波传播，从而形成电磁频率带隙；这种结构的带隙中心频率仅与局域谐振单元的谐振频率有关，而与结构的周期多少无关，可以采用集总参数的并联LC电路模型对带隙结构进行描述和估算。局域谐振原理EBG的主要结构有两种：Mushroom-like结构和共面紧凑型（UC）结构。由于Mushroom-like结构所需的额外附加金属层增加了成本和结构复杂度，其使用受到一定的限制，经过不断改进，EBG结构逐渐演化为以共面紧凑型EBG结构（又称平面型EBG）为主。

1.2 带隙的设计

平面型 EBG结构是在电源层或地层的金属面上蚀刻出周期性的结构。通过单元结构设计，可以使EBG结构等效为集总参数的LC网络，其电磁特性也可以采用等效的电感和电容来描述。利用单元谐振时阻抗无穷大的特性，来抑制谐振频率附近的电磁波，从而形成电磁频率带隙[12-14]。一种传统的平面EBG结构单元如图1所示[15]，其等效电路图如图2所示[15]，其中Lp为EBG结构单元金属块的等效电感；Cp为单元金属块与地平面之间等效电容；Lb为桥接连线的等效电感；Cb为桥接连线的等效电容；Cg为两个相邻单元之间的等效间隙电容。

图1 传统的平面EBG结构单元示例Fig.1 Cell of traditional planar EBG

图2 平面EBG结构单元的等效电路示例Fig.2 Equivalent circuit of planar EBG structure

由等效电路图可知，该结构单元的输入阻抗可以表示为[16]

式中 ω为角频率。

若忽略Cb（因其影响较小），式（1）可简化为

考虑发生谐振效应，若发生并联谐振，即令分母等于0，其并联谐振频率为

若发生串联谐振，即令Zin中的虚部等于0，其串联谐振频率为

根据电路原理，并联谐振和串联谐振一定是交替出现的[16]。由式（3）、（4）可知，并联谐振的谐振频率较小，所以起始截止频率可用式（3）表示。

截止频带的带宽可以由自由空间的波阻抗η和输入阻抗Zin之间的关系推导出[11]，如式（5）所示。截止频带的带宽为

由上述分析可知，衡量平面 EBG结构降噪性能的两种重要指标是起始截止频率f0和截止频率带宽BW。因此，可根据式（3）、（5），并结合传统平面EBG结构，设计一种新型平面EBG结构。

1.3 新型平面EBG结构模型设计

由电路原理可知，电路中连线的电感值与其长度成正比，平行板的电容值与其正对面积成正比，因此EBG结构单元的大小以及相对应桥接连线长短的不同，都使其截止频带的起始截止频率和带隙宽度不相同。如果采用尺寸较大的基本单元结构，虽然可以增大带隙宽度，但考虑到在实际使用中PCB自身尺寸的限制，如果基本单元结构的尺寸过大，在同样的PCB尺寸下，能布置的EBG基本单元数量就会减少，从而使降噪效果降低[14]。由式（3）、（5）可知，增加基本单元的等效电感值，比如增加式（3）、（5）中Lb的值，而其他参数值保持不变，不仅可以降低起始截止频率，而且能增加带宽，增强降噪效果。综合以上分析，本文在设计新型平面EBG结构时，在保证基本单元等效电容值不变的基础上，尽可能增加分支结构的尺寸，以增加等效电感值，从而达到较好的降噪效果。

本文在文献[5,13]的基础上，对传统EBG结构进行了改进设计，其基本单元结构如图3所示。其中，基本单元大小为 15mm×15mm，桥接连线的线宽为 0.2mm，缝隙为 0.2mm，4个基本单元的大小都为5.1mm×5.1mm。等效电路如图4所示，其中， Cp1～Cp4分别为4个基本单元的等效电容。对比图2所示的传统平面EBG结构可知，本文设计的平面EBG结构相当于把单元金属块的等效电感Lp归入到桥接连线的等效电感Lb中。随着线宽的减小，电感值逐渐变大，令Lb′为改进后的桥接连线等效电感，因此有：Lb′＞ Lp+ Lb，其截止频带的起始截止频率为

由以上分析可知，在保证等效电容值不变的情况下，改进后的电感值大于改进前，再结合式（3）、（6）可知，改进后的起始截止频率向低频段移动，使其抑制同步开关噪声的能力得到增强。

图3 新型平面EBG结构基本单元示例Fig.3 Cell of novel planar EBG structure

图4 新型平面EBG基本单元等效电路示例Fig.4 Equivalent circuit of novel planar EBG

2 仿真分析与验证

2.1 新型EBG结构单元的仿真验证

根据图 3所示的基本单元结构，建立了 3×3单元的两层 PCB板结构模型，PCB的尺寸为45mm×45mm×0.27mm，其中电源层和地层厚度为0.035mm，中间填充厚度为0.2mm、介电常数为4.4F/m的FR4介质[5]。为了维持信号的完整性，保持接地平面的连续，本文把EBG结构蚀刻嵌入到电源平面，模型如图 5所示，其中原点位于 PCB平面的中心。为验证该结构的频域特性，在电源平面上添加两个50Ω的集总型同轴端口，位置分别为端口1（–18.75mm，–18.75mm），端口2（18.75mm，18.75mm），其中端口1为输入端口，端口2为输出端口。

使用ANSYS HFSS软件对该模型进行仿真，仿真结果如图6所示。图中，S参数反映的是端口入射电压波和反射电压波的关系。S21为输入端口和输出端口间电压的比值[5]。一般仿真中用S参数来表示噪声抑制效果的优劣[5]。从新型EBG结构的S参数（S21）特性曲线中可以看出，当抑制深度为–20dB时，阻带的范围为0.6～10GHz，带宽为9.4GHz；抑制深度为–30dB时，阻带范围为0.7～2.3GHz和3～10GHz。

图5 新型平面型EBG结构示意Fig.5 Novel planar EBG structure model

图6 新型EBG结构S参数（S21）特性曲线Fig.6 S-parameter （S21） curve of novel planar EBG structure

本文设计的平面EBG结构与传统的平面EBG结构相比，起始截止频率较低，带宽也更宽；与文献[13]中的某新型平面EBG结构相比，带宽由7.7GHz增加到8.6GHz，达到一定的降噪效果。

2.2 结合实用PCB的仿真验证

根据上一节对新型EBG结构的模型分析及仿真可以看出，在理想情况下，使用此类结构能达到一定降低噪声的目的。为对其应用性能作进一步分析，本文根据一款实用的CCD相机成像电路PCB尺寸、噪声干扰源和噪声敏感端的位置布局等信息，对其进行建模仿真。

建立的CCD相机成像电路PCB模型如图7所示。其左上角为坐标原点，竖轴为Y轴，横轴为X轴。X方向长度为350mm，Y方向宽度为250mm。根据实际电路板上易产生噪声的部位，以及易受噪声干扰的部位等因素，设计中采用局部EBG结构布局的方法，EBG结构的基本单元采用如图3所示的结构。EBG结构区域的左上角坐标为（127mm，102mm）。根据电路板设计布局中现场可编程门阵列时钟的位置和CCD模拟前端电路的位置来确定噪声源和干扰测量点的坐标点。这里分别选取端口1（129.5mm，104.5mm）和端口2（279.5mm，129.5mm），其中EBG结构设计在电源层上。电源层和地层的厚度均为0.018mm，中间填充厚度为0.15mm、介电常数为4.4F/m的FR4介质。通过ANSYS HFSS进行仿真，其S参数结果如图8所示，相应完整平面参考板的仿真结果如图9所示。

图7 蚀刻EBG的实际项目应用PCB结构Fig.7 A practical PCB with EBG structure

图8 有EBG的某PCB的S参数曲线Fig.8 S-parameter curve of PCB with EBG structure

图9 无EBG的某PCB的S参数曲线Fig.9 S-parameter curve of PCB without EBG structure

对比图8和图9中的仿真结果可以看出，采用EBG结构后，PCB上频率为0.7～4GHz的噪声降低了40～120dB，噪声得到了有效的抑制。

3 结束语

本文分析了 EBG结构的带隙形成原理以及传统平面 EBG结构的等效电路，提出了一种新型平面EBG结构，通过等效电路分析及仿真模型分析得出，该新型EBG结构的起始截止频率较低，且截止频带的带宽相对于参考文献[5]提高了约23%。最后结合实际应用的相机电路PCB进行仿真验证分析，可以看出该结构能够有效的抑制同步开关噪声，为以后在实际PCB中的使用提供了参考。

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