GIẢM NHIỄU ĐIỆN TỪ TRÊN BO MẠCH IN SỬ DỤNG CẤU TRÚC EBG

GIẢM NHIỄU ĐIỆN TỪ TRÊN BO MẠCH IN SỬ DỤNG CẤU TRÚC EBG Cấu tạo EBG gồm các tấm kim loại xếp tuần hoàn cố định trên một đế mass, những tấm kim loại đó được kết nối liên tục, tiếp điện bởi cáp đồng trục (các vias). Chúng có thể được hình dung như những cây nấm nhô ra từ một bề mặt

TIỂU LUẬN MÔN HỌC TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

Tên tiểu luận:

GIẢM NHIỄU ĐIỆN TỪ TRÊN

BO MẠCH IN SỬ DỤNG CẤU TRÚC EBG

Học viên thực hiện: Lê Xuân Đức

Lớp: Cao học KTĐT Khóa: K25 (2012-2014) Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN

Đà Nẵng, tháng 11 năm 2013

tiểu luGIẢM NHIỄU ĐIỆN TỪ TRÊN

tíc

II Nh ng đ c đi m và phân lo i EBG:ững đặc điểm và phân loại EBG: ặc điểm và phân loại EBG: ểm và phân loại EBG: ạch in sử dụng cấu trúc EBG

g b m t.Ph n x đ ng pha trên b m t s ng t i ề mặt.Phản xạ đồng pha trên bề mặt sống tới ặt.Phản xạ đồng pha trên bề mặt sống tới ản xạ đồng pha trên bề mặt sống tới ạ đồng pha trên bề mặt sống tới ồng pha trên bề mặt sống tới ề mặt.Phản xạ đồng pha trên bề mặt sống tới ặt.Phản xạ đồng pha trên bề mặt sống tới ống tới ới.

d ng b m t có c u trúc EBG.

ử dụng bề mặt có cấu trúc EBG ụng bề mặt có cấu trúc EBG ề mặt.Phản xạ đồng pha trên bề mặt sống tới ặt.Phản xạ đồng pha trên bề mặt sống tới ấu trúc EBG.

Tài li u tham kh o: ệu tham khảo: ản xạ đồng pha trên bề mặt sống tới.

F Yang and Y Rahmat-Samii,”Electromanetic Band Gap Structures in

Antenna Engineering” , Cambridge uninversity press, 2008

<< 

Constructive interference wave 1

wave 2

3 Các ứng dụng của cấu trúc EBG.

II Những đặc điểm và phân loại EBG:

1 Mô hình mạch cộng hưởng cho các cấu trúc EBG

2 Đồ thị đặc trưng của các dải tần số

3 Khoản cách tần số cho lan truyền sóng bề mặt

4 Phản xạ đồng pha trên bề mặt sống tới

III Giảm nhiễu điện từ trên bo mạch in sử dụng cấu trúc EBG.

1 Nguồn nhiễu và chuyển đổi nhiễu

2 Giảm nhiểu điện từ sử dụng bề mặt có cấu trúc EBG

Chương I Giới thiệu chung

1 1 Định nghĩa cấu trúc EBG

Cấu trúc EBG (dải chắn điện từ) là một loại cấu trúc của metamaterials gồm những

cấu trúc kim loại tuần hoàn cố định trên một đế điện môi (mass)

Hình 1.1: Cấu trúc EBG

Cấu tạo EBG gồm các tấm kim loại xếp tuần hoàn cố định trên một đế mass, những

tấm kim loại đó được kết nối liên tục, tiếp điện bởi cáp đồng trục (các vias) Chúng có

thể được hình dung như những cây nấm nhô ra từ một bề mặt (được minh họa trên

hình 1.1)

Cấu trúc bề mặt EBG có những tính chất riêng biệt đối với các sóng tới điện từ như

sau:

- Khi sóng tới là sóng bề mặt, thì cấu trúc EBG thể hiện như dãy chắn băng tần

làm cho sóng bề mặt không thể lan truyền và phân cực Một sơ đồ phân tán điển

hình như hình minh hòa

- Khi sóng tới là sóng đứng thì cấu trúc EGB làm thay đổi phase phản xạ ứng với

các tần số khác nhau

1.2 Các phương pháp phân tích cấu trúc EBG:

Để phân tích các đặc tính của cấu trúc EBG, có các phương pháp:

1.2.1 Mô hình kết hợp LC.

Mô hình kết hợp LC là cấu trúc đơn giản nhất mô tả cấu trúc EBG như là mạch cộng

hưởng LC

Hình 1.2: Mô hình EBG với mạch cộng hưởng LC.

Giá trị của điện cảm L và điện dung C được xác định bởi cấu trúc vật lý EBG và

những thuộc tính về cộng hưởng được sử dụng để phân tích các tính chất dải chắn của

cấu trúc EBG Đây được xem là mô hình đơn giản nhất, nhưng kết quả tính toán sẽ

không chính xác nhất vì mô hình đã được đơn giản hóa xấp xỉ giá trị L và C

1.2.2 Phương pháp dây truyền dẫn định kỳ.

Hình 1.3: Mô hình phương pháp dây truyền dẫn định kỳ

Trong đó Zp là trở kháng định kỳ, Xc là tụ điện định kỳ nối song với Zp Sau khi phân

tích cascaded đường dây truyền dẫn đường cong phân tán có thể dễ dàng thu

được, cung cấp nhiều thông tin hơnphương pháp phần kết hợp LC

Các trường hợp sóngbề mặt, bị rò rỉ chế độ sóng, vùng bên tráivàbên phải, và

khoảng cách dải chắn có thể xác định dễ dàng từ đường công phân tán Tuy nhiên, một

khó khăn trong phương pháp này là làm sao xác định giá trị tương đương Zp và Xc với

các cấu trúc EBG khác nhau

1.2.3 Phương Pháp full wave FDTD ( miền thời gian hữu hạn)

phương pháp phân tích full wave là tính linh hoạt vàđộ chính xác trongphân tích

Hình 1.4: phân tích cấu trúc EBG theo Full Wave FDTD

Chương 2: Những đặc điểm và phân loại EBG2.1 Mô hình mạch cộng hưởng cho các cấu trúc EBG.

Để dễ dàng hơn tìm hiểu cơ chế hoạt động của cấu trúc EBG, một số mạch mô hình đã

được đề xuất Cấu trúc EBG bao gồm bốn phần: một mặt phẳng đất bằng kim loại, một

điện môi

bề mặt, các bản kim loại trên bề mặt(patch), và các thanh lối (vias) giữa bản kim loại

bề mặt với mặt phẳng đất Hình dạng bên ngoài như những cây nấm

Hình 2.1: Cấu trúc hình học của EBG

2.1.1 Mô hình tương đương với mạch tổng hợp LC.

Các thông số của cấu trúc EBG được ghi chú trong hình 2.2 với bề rộng của patch là

W độ rộng khoản cách giữa các patch kim loại chiều cao h của lớp điện môi, hằng

số điện môi εr Và bán kính r của thanh nối khi kích thước (W+g) nhỏ so với bước

sóng, thì hoạt động của cấu trúc EBG có thể tương đương với các yếu tố tổng LC như

hình 2.3

Hình 2.2 cấu trúc EBG

Hình 2.3 So đồ LC tương đương của EBG

Kết quả là tụ điện được hình thành giữa 2 bản patch của cấu trúc và cuộn cảm được

hình thành dọc theo thanh nối (vias) Trở kháng của mạch cộng hưởng LC song song

như sau:

Tần số cộng hưởng được tính toán như sau:

ở tần số thấp trở kháng Z là cảm kháng và hỗ trợ sóng bề mặt TM, ở tần số cao Z là dung

kháng và hỗ trợ sóng bề mặt TE ở gần tần số cộng hưởng ω0 sẽ có được trở kháng cao và cấu

trúc EBG không hỗ trợ sóng bề mặt dẫn đến có một khoản cách tần số Trở kháng bề mặt cáo

đảm bảo cho sóng mặt sóng phản xạ không bị đảo phase trên chất dẫn điện tốt (perfect electric

conductor (PEC))

Giá trị của các tụ điện được tính toán tạo ra bởi các điện dung viền giữa các tấm kim

loại phẳng lân cận giá trị của tụ điện được tính toán theo công thức sau:

Giá trị của cuộn cảm L được tính toán theo công thức sau:

2.1.2 Mô hình đường truyền tải cho cấu trúc EBG với sóng phẳng.

đường dây truyền tải tuần hoàn là một mô hình phân tích đề xuất để mô tả cấu trúc

EBG Đối với một cấu trúc EBG 2-D như trong hình 2.1, trở kháng của mỗi phần

được tính theo lý thuyết đường dây truyền tải, và toàn bộ cấu trúc là sau đó được sắp

xếp cascaded với nhau bằng cách sử dụng lý thuyết mạch định kỳ

Hình 3.3 mô tả một mô hình đường dây truyền tải của cấu trúc EBG.

Giá trị điện cảm trên từng đoạn tuần hoàn được tính toán theo công thức sau:

Và trở kháng từng phần được tính theo công thức sau:

2.2 Đại diện đồ họa của khoảng cách băng tần

2.2.1 Mô hình FDTD

Một tính năng độc đáo của một cấu trúc EBG là sự xuất hiện của một khoản cách tần

số nơi lan truyền sóng điện từ bị cấm Trong phần này, các phương pháp FDTD được

sử dụng để hình dung rõ ràng tính năng khoảng cách băng tần Mã tính toán dựa trên

một ô lưới Cartesian với các điều kiện biên hấp thụ Một dipole lưỡng cực vô cùng với

một sóng xung dạng Gaussian được sử dụng để kích thích một làn sóng điện từ băng

rộng trong cấu trúc

Hình 2.4 cho thấy một mô hình mô phỏng FDTD: một nguồn lưỡng dipole cực vô

cùng nhỏ bao quanh bởi các cấu trúc EBG hình nấm như thế nào Lưỡng cực được

chọn là theo chiều dọc phân cực bởi vì lĩnh vực điện tử là thẳng đứng với mặt đất

trong nhiều ứng dụng như ăng-ten microstrip Ví dụ, hai hàng của các bản patch EBG

được vẽ trong hình 2.4 Trong FDTD mô phỏng bốn hàng, sáu hàng, và tám hàng

của các bản patch của EBG là tất cả các mô phỏng và so sánh

Hình 2.4: mô hình FDTD để mô tả khoản cách băng tần của cấu trúc EBG hữu hạn

giữ như λ6GHz 2.84 GHz × 2.84 λ6GHz GHz Một mặt phẳng quan sát được đặt ở 0,12 GHz λ6GHz

khoảng cách xa từ mép, nơi nó được đặt bên ngoài cấu trúc EBG Chiều cao của mặt

phẳng tham khảo được thiết lập để λ6GHz 0.04 GHz, tương đương với độ dày chất nền

Với mục đích so sánh, một trường hợp thông thường cũng được phân tích Trường hợp

này thông thường (CONV.) bao gồm một dây dẫn điện hoàn hảo (PEC) mặt phẳng đất

và một chất nền điện môi với cùng độ dày và hằng số điện môi như trường hợp EBG

Ý tưởng cơ bản là để tính toán và so sánh các lĩnh vực điện tử của hai cấu trúc (EBG

và Chuyển đổi.) Tại mặt phẳng quan sát Vì cấu trúc EBG có thể ngăn chặn bề mặt

sóng trong một khe hở nào đó, Trường E bên ngoài cấu trúc EBG nên yếu

hơn so với các trường hợp thông thường Để định lượng các tác dụng hạn chế sóng bề

trong đó S là mặt phẳng quan sát theo chiều dọc có ranh giới được vẽ bằng đường nét

đứt

trong hình 2.4

sóng bề mặt Nó được quan sát thấy rằng khi ít hơn hàng của các patch EBG được sử

dụng, hiệu quả dải chắn là không đáng kể Khi số lượng hàng được tăng lên, một

khoảng cách dải chắn rõ ràng có thể được nhận thấy

Hình 2.4 Giá trị trung bình trường E của cấu trúc EBG

2.3 Dải chắn tần số cho lan truyền sóng bề mặt.

Phương pháp FDTD được sử dụng để phân tích một cấu trúc EBG với một kích

định rõ hơn Tuy nhiên, phải mất một thời gian dài mô phỏng và một bộ nhớ lưu trữ

không hiệu quả trong tính toán Thay vào đó, với việc sử dụng các điều kiện biên

định kỳ (PBCs), chỉ có một tế bào duy nhất của cấu trúc EBG cần phải được tính

toán trong mô phỏng FDTD Các PBCs được kết hợp trên bốn mặt của các tế bào để

mô hình một bản sao định kỳ vô hạn

2.3.1 Sơ đồ phân tán

Wavenumber k là một thông số quan trọng để mô tả thuộc tính lan truyền của sóng

điện từ Trong trường hợp không giảm chất lượng, giai đoạn liên tục là β = k Thông

thường, β là một chức năng của tần số ω Một khi giai đoạn liên tục thu được, vận tốc

Hơn nữa, trường phân phối cũng có thể được xác định, chẳng hạn như sự thay đổi

quan hệ giữa β và ω là một hàm tuyến tính:

Đối với mặt sóng lan truyền trong một tấm điện môi hoặc một cấu trúc EBG, nó

số Mỗi phương pháp được biết đến như là một chế độ cụ thể với vận tốc pha của,

được gọi là sơ đồ phân tán

Đối với một cấu trúc định kỳ như EBG, trường phân phối của một làn sóng bề mặt

cũng định kỳ với một sự chậm trễ pha được xác định bởi k wavenumber và chu kỳ

p Như vậy, mỗi mode sóng bề mặt có thể được chia ra thành một chuỗi vô hạn của

không gian các hài sóng:

(1)

trong không gian có vận tốc phase khác nhau, chúng chia sẻ với vận tốc cùng một

mode giống nhau:

Hình 2.5: FDTD mô phỏng sơ đồ phân tán của cấu trúc EBG hình nấm

Khoản cách điện từ cho sóng trên bề mặt có thể được quan sát thấy

trục k với chu kì của 2π / p Vì vậy, chúng ta chỉ cần vẽ mối quan hệ phân tán trong

Brillouin Khái niệm này có thể dễ dàng mở rộng cấu trúc tuần hoàn hai chiều, trong

đó vùng Brillouin trở thành một khu vực vuông hai chiều:

0 ≤ kxn ≤ 2π/px , 0 ≤ kyn ≤ 2π/py

2.3.2 Dải chắn sóng bề mặt

Dựa trên các khái niệm đã nói ở trên, chúng tôi bắt đầu để mô tả các sơ đồ phân tán

của các cấu trúc EBG nấm như sử dụng phương pháp FDTD / PBC Các kích thước

của các cấu trúc EBG phân tích là:

Các bước sóng tự do tại 4 GHz, λ = 75 mm, được sử dụng như một bước sóng tham

khảo để xác định chiều dài kích thước vật lý của các cấu trúc EBG

Hình 2.5 cho thấy sơ đồ phân tán của các cấu trúc EBG nấm như thế nào Trục thẳng

đứng cho thấy tần suất và trục hoành thể hiện các giá trị của wavenumbers ngang (kx,

ky) Ba điểm cụ thể là:

đến điểm , Cả kx và ky giảm từ 2π / (W + g) không Tóm lại, trên trục ngang

thay đổi dọc theo ranh giới tam giác của vùng Brillouin thể hiện trong hình Lưu ý

hằng số

vì tính đối xứng của hình học

Mô phỏng FDTD được lặp lại cho mỗi ba mươi kết hợp khác nhau của kx và ky ở trên

trục ngang, và các tần số cộng hưởng của sóng bề mặt là chiết xuất và vẽ trong hình

2.5 Mỗi điểm trong sơ đồ phương thức đại diện cho một số mode sóng bề mặt Kết

nối với các phương thức phân phối trường, chúng ta có được đường cong phân tán của

các cấu trúc EBG

Mode đầu tiên bắt đầu từ tần số zero và tăng eigen-tần số với wavenumber Khi nó

đạt đến một bước ngoặt ở mức 3,5 GHz, thì nó giảm trong khi wavenumber được tăng

thêm Trong mô phỏng FDTD, nó cũng được nhận thấy rằng trường cho mode đầu

tiên là TM chiếm ưu thế Mode thứ hai bắt đầu xuất hiện ở tần số cao hơn so với 5,9

GHz Rõ ràng là không eigen chế độ tồn tại trong dải tần số từ 3,5 GHz đến 5,9 GHz

Như vậy, vùng tần số này được định nghĩa là một làn sóng bề mặt dải chắn Không có

sóng bề mặt có thể lan truyền trong cấu trúc EBG trong dải chắn tần số này

2.4 phản xạ đồng phase cho sóng tới phẳng.

2.4.1 Độ lệch phase

phản xạ lệch phase Hệ số phản xạ là một tham số phổ biến được sử dụng để mô tả

thuộc tính phản xạ trên bề mặt phản xạ của một đối tượng Nó được định nghĩa là tỷ lệ

của trường phản xạ trên các lĩnh vực sự cố tại các bề mặt phản xạ Thông thường, nó

có một giá trị phức với cường độ và phase tương ứng Khi một mặt phẳng đất tồn tại

trong một phân tích cấu trúc không giảm chất lượng, độ lớn luôn luôn là một bởi vì tất

cả các năng lượng được phản xạ trở lại Trong trường hợp này, giai đoạn lệch phase

được quan tâm đặc biệt Trong thực tế, độ lệch phase đã được sử dụng trong các thiết

kế của nhiều ăng-ten và các thiết bị lò vi sóng, chẳng hạn như yếu tố reflectarray và

phân cực

bắt đầu với các dây dẫn truyền thống Nếu một sóng phẳng thường đụng nhau trên

một dây dẫn điện hoàn hảo (PEC), tổng số trường E tiếp tuyến phải bằng không để

đáp ứng các điều kiện biên Do đó, độ lệch của trường điện E và các trường điện tới

phải có những dấu hiệu ngược lại, kết quả là hệ số phản xạ của -1 Giai đoạn phản xạ

là 180 ◦ đối với trường hợp PEC Đối với một dây dẫn từ hoàn hảo (PMC), tổng số

trường từ H tiếp tuyến phải bằng không Do đó, các trường từ H phản ánh và lĩnh vực

sự cố H nên có những dấu hiệu ngược lại trong khi lĩnh vực điện tử phản ánh và lĩnh

vực E sự cố có những dấu hiệu tương tự Kết quả là, hệ số phản xạ bằng một và giai

không tồn tại trong tự nhiên

Hình 2.6GHz: mô hìnhFDTDcủa cấu trúc EBG thể hiện thuộc tính lệch phase

nhân tạo (AMC) Trên thực tế, độ lêch phase của mộtcấu trúc EBGlà một chức

Chương III Giảm nhiễu điện từ trên bo mạch in sử dụng cấu trúc EBG.

Mạch kỹ thuật số trở nên nhanh hơn và mạnh hơn, bức xạ trực tiếp từ bus nguồn

điẹn của bo mạch in của họ ( PCB ) sẽ trở thành một mối quan tâm lớn đối với khả

năng tương thích điện từ Trong PCBs nhiều lớp, công suất và mặt đất hành động

như ăng-ten microstrip , nơi mà bức xạ do viền điện trường ở các cạnh tạo ra Trong

bài báo này, chúng ta giới thiệu một phương pháp hiệu quả để giảm bức xạ PCB từ

từ các bus dây điện của nó trên một phạm vi tần số số bằng cách sử dụng metallo

-điện môi khe -điện từ cấu trúc Cụ thể , nghiên cứu này tập trung vào việc giảm các

bức xạ từ cấu trúc bus song song tấm trong PCB tốc độ cao gây ra bởi chuyển đổi

nhiễu Nhiễu này bao gồm điện áp dao động không mong muốn trên các bus

nguồn

điện tử làm tăngtính nhiễu điện từ bên ngoài.Đồng thời, sự gia tăng xung nhịp

nhiễu là một trong những mối quan tâm chính vềkhả năng tương thích điện

từ(EMC) của các kỹ sư trong thiết kế hiện nay

kháng thấp của các mạch điện Khi tốc độ hiệu suấtcao mạchkỹ thuật sốhiện đại

bản công suất này tạo ra năng lượng tạo ra bức xạ ttương tự như cách ăng-ten

microstrip bức xạ Trong các patch của ăng-tenmicrostrip vàtrong bảng mạch in

(PCB), bức xạ được gây ra bởi một thời gian thay đổi điện trường viền ở các

cạnh board mạch

nhúng, sử dụng các thành phần gay tổn hao trong board mạch, chia mặt phẳng

công suất Trong số các phương pháp này, via stitching phương pháp phổ

trúc bandgap điện ( EBG) còn được gọi là bề mặt trở kháng cao ( HIS), để

tuần hoàn có khả năng ngăn chặn sự lan truyền của sóng bề mặt trong một

dải tần số HIS các cấu trúc đã được ban đầu được giới thiệu bởi

Bài viết này giới thiệu các khái niệm mới áp dụng cấu trúc HIS nhiễu điện từ

bức xạ từ các cạnh đó

3.1 Nguồn nhiễu và chuyển đổi nguồn nhiễu:

( tốc bộ bit) cần thiết cho các mạch kỹ thuật số hiệu suất cao Dòng điện chạy