Laajakaistaisen sähkömagneettisen kohinan vaimentaminen piirilevyissä

Tietoliikenteen laitteiden kehityksessä on havaittavissa yhteisiä tekijöitä kuten alati kasvava kellotaajuus, pienenevä laitteen koko ja alenevat jännitetasot. Tämä kehityssuunta asettaa uusia vaatimuksia systeemin sähkömagneettiselle yhteensopivuudelle ja korostaa piirilevyn ominaisuuksien tärkeyttä. Samanaikaiset pulssisignaalit komponentin porteista saavat aikaan sähkömagneettista säteilyä tehonjakelutasoissa, joka on otettava huomioon piirilevyn pinnan lisäksi. Tulevissa standardeissa laitteille on asetettu rajoja jo useille gigahertseille asti. Perinteiset kohinan eristyskeinot kuten oikosulkukondensaattorit ja jaetut tehotasot eivät tarjoa ratkaisua korkeilla taajuuksilla. Muut vaihtoehdot kuten korkean permeabiliteetin väliaineet tai absorboivat materiaalit ovat taas kalliita massavalmistukseen. Metamateriaalit ovat kompleksinen materiaaliluokka, joille on yhteistä että niiden sähkömagneettiset ominaisuudet saavutetaan imitoimalla materiaalin mikroskooppista rakennetta makroskooppisella rakenteella. Sähkömagneettinen kaistanesto (Engl. EBG) on metamateriaalityyppi, joka vaimentaa sähkömagneettisia aaltoja rakenteen jaksoon verrannollisella aallonpituusalueella. Laajakaistaisen kohinan vaimentamiseen soveltuu kaksi rakenteen kehityssuuntaa; sieni-tyyppi ja planaari-tyyppi. Tämä työ esittelee ja analysoi rakenteita, joita on esitetty molempien kehityshaarojen julkaisuissa. Planaari-tyyppi tarjoaa ohuemman rakenteen, mutta samalla se vaatii apertuurien tekemistä tehonjakelutasoon, rajoittaa siirrettävän tehon määrää sekä vie laajan pinta-alan piirilevyltä. Näin ollen, työssä päädytään sieni-tyypin valintaan jatkotutkimukselle. Ensimmäisen yhdestä läpiviennistä ja johdintasosta koostuvan sieni-tyypin julkaisun jälkeen on julkaistu versioita useilla läpivienneillä estokaista kasvattamiseksi. Tässä työssä tutkitaan sieni-rakennetta neljällä läpiviennillä simuloinneilla sekä analyyttisin mallein. Tulokset osoittavat että rakenteen toiminta perustuu bi-periodisiin virtasilmukoihin, joista joka toisessa on kapasitiivinen kuorma. Täten rakenteen dispersio poikkeaa merkittävästi yhden läpiviennin sienirakenteesta ja siinä on useita resonanssipisteitä tehden rakenteesta laajakaistaisen. Läpivientien paikkaa säätämällä voidaan säätää estokaistan ominaisuuksia. Tulokset osoittavat, että yhden läpiviennin sieni-rakenne on neljän läpiviennin rakenteen erikoistapaus. Asettamalla läpiviennit salmiakkikuvioon neliön sijaan, huomattiin estokaistanleveyden kasvu kohtisuoran aallon tapauksessa. Työssä tehtiin testipiirilevy, jota mittaamalla selvitettiin rakenteen jaksojen lukumäärän vaikutusta saavutettavaan vaimennukseen. Jo yhdellä rivillä saavutettiin korkea vaimennus ja täysi estokaista neljällä rivillä