一种基于PCB技术的毫米波Marchand巴伦设计

近些年随着 5G 通信、77 GHz 汽车雷达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 ，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。

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 。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 。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。

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。

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

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

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

图 5 给出了该巴伦差分端口的相位响应 Deg(S 31－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 )

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 7 有无金属盖板的单端口 1 仿真的回波损耗

图 10 带金属盖板和探针的巴伦结构

图 11 带金属盖板和探针的巴伦的仿真 S 参数

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 12 带金属盖板和探针的巴伦实物

图 13 带金属盖板和探针的巴伦的仿真与测试结果

来源：《工程与运用》 

作者：张力维，王健，孙泽月，王晓鹏，陈林，姚武生