一种基于PCB加工技术的毫米波Marchand巴伦

张力维，王 健，孙泽月，王晓鹏，陈 林，姚武生，2

(1.博微太赫兹信息科技有限公司 太未来实验室，安徽 合肥 230088；2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

近些年随着5G通信、77 GHz汽车雷达[1]和人体安检等行业的发展，毫米波系统越来越受到关注。与常见的射频电路和微波电路相比，毫米波电路的尺寸更小，集成度更高，电路之间的耦合以及表面波的问题更为突出。为了提高毫米波系统的电磁兼容性能，在PCB和MMIC中，常采用差分信号传递能量。与单端信号相比，差分信号更不容易受到电源噪声和外部电磁兼容干扰的影响，能够减小高次谐波和提高电路动态范围。然而目前简便性的单端设计仍广泛用于现代电子组件，尤其是实验室测试设备，使得差分信号组件的系统集成与测试变得困难。巴伦是差分到单端信号转换的关键组件，能很好地解决这一难题。然而，目前对平面巴伦的研究大都集中在低频的小型化[2-4]，关于毫米波频段的巴伦研究很少。同时由于PCB工艺的限制，对于基于PCB加工工艺的高频巴伦研究的更少。

现代CMOS技术[5]或在特殊衬底(如石英)上的金属沉积可以实现平面电路的亚微米线宽。对于毫米波结构的实现，这些技术不受线宽和间隙限制。相反，PCB技术需要满足PCB加工的最小线宽、最小间隙和最小孔径等要求。但PCB技术的实现方式性价比较高，适合大规模生产。

巴伦的带宽、幅度和相位平衡是决定其性能优劣的关键参数。近几十年来，研究人员设计了各种形式的传输线巴伦，其中Marchand巴伦因其结构简单和宽带性能倍受欢迎[6-7]。尽管Marchand巴伦最初的概念是基于同轴线，但基于微带、共面波导的平面结构形式也有相关报道[8-15]。但这些巴伦或工作在较低的频段，或需要借助CMOS工艺工作在高频段。本文提出了一种工作在E波段的Marchand巴伦方案，采用PCB工艺，具有低成本、易集成的特点。

1 Marchand巴伦理论与设计

1.1 Marchand巴伦理论

Marchand巴伦的工作原理如图1所示，可看作移相器1和移相器2的结合。移相器1和2由λ/4的耦合传输线构成，分别移相±90°，输出幅度相等。

图1 Marchand巴伦工作原理Fig.1 Working principle of Marchand balun

1.2 Marchand巴伦仿真与设计

本文提出的Marchand巴伦如图2所示，包含4个部分：50 Ω馈线部分A、阻抗匹配部分B、耦合部分C和100 Ω差分馈线部分D。PCB使用相对介电常数3.66，损耗角正切0.004的罗杰斯4350制作。在满足PCB加工工艺要求的前提下，为了巴伦在匹配、振幅和相位平衡方面获得最佳性能，对耦合部分C以及阻抗匹配部分B的微带线长度和宽度进行了优化。耦合部分主要保证巴伦的相位以及幅度一致性的性能，阻抗变化部分主要为了耦合部分与馈线部分之间的匹配，保证巴伦的回波损耗性能。最终微带线的最小线宽是0.14 mm，最小间隙是0.12 mm，最小孔径是0.2 mm，均满足PCB加工要求。

图2 巴伦的结构Fig.2 Structure of the proposed balun

该巴伦的单端口1仿真的回波损耗，如图3所示，巴伦的单端口在65～81 GHz频段内的回波损耗都高于10 dB，表明该巴伦的工作带宽为16 GHz。

图3 端口1仿真的回波损耗Fig.3 Simulated return loss of port 1

该巴伦的差分端口的幅度响应如图4所示，从图中可以看出，该巴伦在72.5 GHz处发生最大幅度失配为1.1 dB，在工作频段内幅度失配在频带的边缘较低。

图4 差分端口的幅度响应Fig.4 Amplitude responses of the differential ports

图5给出了该巴伦差分端口的相位响应Deg(S31-S21)。如图所示，在工作带宽内该巴伦的最大相位失配小于6°。由此看出设计的该巴伦不仅能用于PCB加工，而且性能比较优越。

图5 差分端口的相位响应Deg(S31-S21)Fig.5 Phase difference (Deg) between S31 and S21

为了验证该巴伦在实际应用中集成到金属壳体的影响，仿真了带金属盖板的巴伦，其结构如图6所示。

带金属盖板的巴伦的端口1的回波损耗、差分端口的幅度响应和相位响应仿真结果分别如图7、图8和图9所示，可以看出有无金属盖板对巴伦性能影响不大。

图6 有金属盖板的巴伦结构Fig.6 Structure of the proposed balun with metal cover

图7 有无金属盖板的单端口1仿真的回波损耗Fig.7 Simulated return losses of port 1 with and without metal cover

图8 有无金属盖板的差分端口的幅度响应Fig.8 Amplitude responses of the differential ports with and without metal cover

图9 有无金属盖板的差分端口的相位响应Fig.9 Phase responses of the differential ports with and without metal cover

2 实物及测试

为了进行实验室测试，将带金属盖板的巴伦与微带到波导的转换结构[16](简称探针)相连，如图10所示。仿真了这2个结构互连的性能，图11给出了2个端口的回波损耗以及插入损耗，可以看出端口1和端口2分别在66.2～82 GHz，66～88.5 GHz回波损耗大于10 dB，插入损耗在67.5～79.5GHz大于3.1 dB，且整个频段内平坦度较好。

为了验证巴伦的实际性能，对上述互连结构进行加工和测试。巴伦的加工实物如图12所示。利用矢量网络分析仪测试巴伦2个端口的回波损耗和插入损耗如图13所示。从图13可以看出，提出巴伦的仿真与测试结果基本一致。

图10 带金属盖板和探针的巴伦结构Fig.10 Structure of balun with metal cover and probe

图11 带金属盖板和探针的巴伦的仿真S参数Fig.11 Simulated S-parameters of balun with metal cover and probe

图12 带金属盖板和探针的巴伦实物Fig.12 Prototype picture of balun with metal cover and probe

图13 带金属盖板和探针的巴伦的仿真与测试结果Fig.13 Simulated and measured results of balun with metal cover and probe

3 结束语

本文设计了一款频率可工作到82 GHz的平面微带形式Marchand巴伦。测试结果显示，在69～82 GHz频段范围内，带探针的巴伦回波损耗在10 dB以上，最大幅度失配1.2 dB。在69～80 GHz频段内，带探针的巴伦的插入损耗小于3.1 dB。本文所设计的巴伦结构形式简单，满足PCB加工工艺要求，不仅为差分馈电的毫米波芯片和天线提供了一种低成本、快速的测试方案，同时也为毫米波差分器件和单端器件的集成提供了有效解决途径。