巴伦作为差分到单端信号转换的关键组件，在高速电路实现中得到了广泛研究与应用。但目前对于毫米波频段的巴伦研究甚少，特别是基于 PCB 加工工艺的高频巴伦。针对该应用，提出了一款适用于毫米波频段的平面 Marchand巴伦。所设计的微带巴伦的最小线宽和缝隙宽度均大于 0．12 mm，满足 PCB 加工工艺要求。仿真结果表明，该巴伦工作带宽为 21．9%，差分端的最大幅度和相位失配分别小于 1．1 dB 和 6°。为进行试验验证，在 ＲO4350 基板上集成了巴伦以及用于测试的耦合微带线—矩形波导转换结构。测试与仿真结果基本一致，证明了所提出的巴伦具有良好的性能。
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。
1 Marchand 巴伦理论与设计
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
2 实物及测试
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。
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
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