一種基于PCB加工技術(shù)的毫米波Marchand巴倫

張力維，王 健，孫澤月，王曉鵬，陳 林，姚武生，2

(1.博微太赫茲信息科技有限公司 太未來(lái)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

近些年隨著5G通信、77 GHz汽車?yán)走_(dá)[1]和人體安檢等行業(yè)的發(fā)展，毫米波系統(tǒng)越來(lái)越受到關(guān)注。與常見(jiàn)的射頻電路和微波電路相比，毫米波電路的尺寸更小，集成度更高，電路之間的耦合以及表面波的問(wèn)題更為突出。為了提高毫米波系統(tǒng)的電磁兼容性能，在PCB和MMIC中，常采用差分信號(hào)傳遞能量。與單端信號(hào)相比，差分信號(hào)更不容易受到電源噪聲和外部電磁兼容干擾的影響，能夠減小高次諧波和提高電路動(dòng)態(tài)范圍。然而目前簡(jiǎn)便性的單端設(shè)計(jì)仍廣泛用于現(xiàn)代電子組件，尤其是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備，使得差分信號(hào)組件的系統(tǒng)集成與測(cè)試變得困難。巴倫是差分到單端信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件，能很好地解決這一難題。然而，目前對(duì)平面巴倫的研究大都集中在低頻的小型化[2-4]，關(guān)于毫米波頻段的巴倫研究很少。同時(shí)由于PCB工藝的限制，對(duì)于基于PCB加工工藝的高頻巴倫研究的更少。

現(xiàn)代CMOS技術(shù)[5]或在特殊襯底(如石英)上的金屬沉積可以實(shí)現(xiàn)平面電路的亞微米線寬。對(duì)于毫米波結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)不受線寬和間隙限制。相反，PCB技術(shù)需要滿足PCB加工的最小線寬、最小間隙和最小孔徑等要求。但PCB技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式性價(jià)比較高，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

巴倫的帶寬、幅度和相位平衡是決定其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。近幾十年來(lái)，研究人員設(shè)計(jì)了各種形式的傳輸線巴倫，其中Marchand巴倫因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和寬帶性能倍受歡迎[6-7]。盡管Marchand巴倫最初的概念是基于同軸線，但基于微帶、共面波導(dǎo)的平面結(jié)構(gòu)形式也有相關(guān)報(bào)道[8-15]。但這些巴倫或工作在較低的頻段，或需要借助CMOS工藝工作在高頻段。本文提出了一種工作在E波段的Marchand巴倫方案，采用PCB工藝，具有低成本、易集成的特點(diǎn)。

1 Marchand巴倫理論與設(shè)計(jì)

1.1 Marchand巴倫理論

Marchand巴倫的工作原理如圖1所示，可看作移相器1和移相器2的結(jié)合。移相器1和2由λ/4的耦合傳輸線構(gòu)成，分別移相±90°，輸出幅度相等。

圖1 Marchand巴倫工作原理Fig.1 Working principle of Marchand balun

1.2 Marchand巴倫仿真與設(shè)計(jì)

本文提出的Marchand巴倫如圖2所示，包含4個(gè)部分：50 Ω饋線部分A、阻抗匹配部分B、耦合部分C和100 Ω差分饋線部分D。PCB使用相對(duì)介電常數(shù)3.66，損耗角正切0.004的羅杰斯4350制作。在滿足PCB加工工藝要求的前提下，為了巴倫在匹配、振幅和相位平衡方面獲得最佳性能，對(duì)耦合部分C以及阻抗匹配部分B的微帶線長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行了優(yōu)化。耦合部分主要保證巴倫的相位以及幅度一致性的性能，阻抗變化部分主要為了耦合部分與饋線部分之間的匹配，保證巴倫的回波損耗性能。最終微帶線的最小線寬是0.14 mm，最小間隙是0.12 mm，最小孔徑是0.2 mm，均滿足PCB加工要求。

圖2 巴倫的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the proposed balun

該巴倫的單端口1仿真的回波損耗，如圖3所示，巴倫的單端口在65～81 GHz頻段內(nèi)的回波損耗都高于10 dB，表明該巴倫的工作帶寬為16 GHz。

圖3 端口1仿真的回波損耗Fig.3 Simulated return loss of port 1

該巴倫的差分端口的幅度響應(yīng)如圖4所示，從圖中可以看出，該巴倫在72.5 GHz處發(fā)生最大幅度失配為1.1 dB，在工作頻段內(nèi)幅度失配在頻帶的邊緣較低。

圖4 差分端口的幅度響應(yīng)Fig.4 Amplitude responses of the differential ports

圖5給出了該巴倫差分端口的相位響應(yīng)Deg(S31-S21)。如圖所示，在工作帶寬內(nèi)該巴倫的最大相位失配小于6°。由此看出設(shè)計(jì)的該巴倫不僅能用于PCB加工，而且性能比較優(yōu)越。

圖5 差分端口的相位響應(yīng)Deg(S31-S21)Fig.5 Phase difference (Deg) between S31 and S21

為了驗(yàn)證該巴倫在實(shí)際應(yīng)用中集成到金屬殼體的影響，仿真了帶金屬蓋板的巴倫，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

帶金屬蓋板的巴倫的端口1的回波損耗、差分端口的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)仿真結(jié)果分別如圖7、圖8和圖9所示，可以看出有無(wú)金屬蓋板對(duì)巴倫性能影響不大。

圖6 有金屬蓋板的巴倫結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the proposed balun with metal cover

圖7 有無(wú)金屬蓋板的單端口1仿真的回波損耗Fig.7 Simulated return losses of port 1 with and without metal cover

圖8 有無(wú)金屬蓋板的差分端口的幅度響應(yīng)Fig.8 Amplitude responses of the differential ports with and without metal cover

圖9 有無(wú)金屬蓋板的差分端口的相位響應(yīng)Fig.9 Phase responses of the differential ports with and without metal cover

2 實(shí)物及測(cè)試

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，將帶金屬蓋板的巴倫與微帶到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[16](簡(jiǎn)稱探針)相連，如圖10所示。仿真了這2個(gè)結(jié)構(gòu)互連的性能，圖11給出了2個(gè)端口的回波損耗以及插入損耗，可以看出端口1和端口2分別在66.2～82 GHz，66～88.5 GHz回波損耗大于10 dB，插入損耗在67.5～79.5GHz大于3.1 dB，且整個(gè)頻段內(nèi)平坦度較好。

為了驗(yàn)證巴倫的實(shí)際性能，對(duì)上述互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工和測(cè)試。巴倫的加工實(shí)物如圖12所示。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試巴倫2個(gè)端口的回波損耗和插入損耗如圖13所示。從圖13可以看出，提出巴倫的仿真與測(cè)試結(jié)果基本一致。

圖10 帶金屬蓋板和探針的巴倫結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of balun with metal cover and probe

圖11 帶金屬蓋板和探針的巴倫的仿真S參數(shù)Fig.11 Simulated S-parameters of balun with metal cover and probe

圖12 帶金屬蓋板和探針的巴倫實(shí)物Fig.12 Prototype picture of balun with metal cover and probe

圖13 帶金屬蓋板和探針的巴倫的仿真與測(cè)試結(jié)果Fig.13 Simulated and measured results of balun with metal cover and probe

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款頻率可工作到82 GHz的平面微帶形式Marchand巴倫。測(cè)試結(jié)果顯示，在69～82 GHz頻段范圍內(nèi)，帶探針的巴倫回波損耗在10 dB以上，最大幅度失配1.2 dB。在69～80 GHz頻段內(nèi)，帶探針的巴倫的插入損耗小于3.1 dB。本文所設(shè)計(jì)的巴倫結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，滿足PCB加工工藝要求，不僅為差分饋電的毫米波芯片和天線提供了一種低成本、快速的測(cè)試方案，同時(shí)也為毫米波差分器件和單端器件的集成提供了有效解決途徑。