《IEEE Journal of Microwaves》：Coaxial to Empty Substrate Integrated Waveguide Transition for Small Satellite Microwave Technology
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为解决现有同轴-空心基片集成波导（ESIW）转换方案制造工艺复杂、与标准测量设备兼容性差、多重转换导致电性能恶化等问题，研究人员提出并设计了两种基于磁耦合原理的新型同轴-ESIW转换结构。该设计流程包含等效电路模型，制造工艺大幅简化，仅依赖基础的切割与金属化流程。实测结果显示，两种转换器分别实现了1 dB和0.7 dB的插入损耗，以及12.5 dB的回波损耗。
随着小型卫星和微波技术向着更紧凑、更集成、更低成本的方向发展，如何在印刷电路板（PCB）上实现高性能的微波信号传输成为了一个关键挑战。传统的空芯波导性能优异但体积庞大，而平面传输线（如微带线）虽然易于集成，但在高频下损耗较大。近年来，空心基片集成波导（Empty Substrate Integrated Waveguide, ESIW）技术应运而生，它将三维的空心波导结构巧妙地集成到一块普通的PCB板之中，为射频前端系统提供了一个低剖面、低成本且易于同平面电路集成的解决方案。
然而，通往高性能的道路上总有几个“绊脚石”。要将外部信号（通常通过同轴连接器）高效地“导入”到ESIW这条“高速路”上，需要一个设计精良的“匝道”——也就是同轴到ESIW的转换器。现有的方案大多需要先将同轴信号转换到平面传输线（如微带线或共面波导），再从平面线转换到ESIW。这不仅增加了设计的复杂性，更带来了两个棘手的问题：第一，多级转换意味着更多的制造步骤和潜在的误差；第二，当使用矢量网络分析仪进行测量时，这种结构无法直接与标准的同轴探针相连，往往需要额外的平面线到同轴探针的转换接头。这些额外的连接和过渡就像在高速公路上设置了多个收费站和急弯，不可避免地引入了额外的信号损耗和反射，恶化了整个系统的电性能。那么，能否设计一个更简洁、更高效、能直连标准测量设备的“匝道”呢？
为了回答这个问题，来自未知机构的研究人员在《IEEE Journal of Microwaves》上发表论文，提出了两种创新的基于磁耦合原理的同轴-ESIW直接转换器设计。他们绕过了复杂的平面线中间级，旨在实现从同轴接口到ESIW的一步到位的高效耦合。这项研究的意义在于，它有望简化ESIW电路与外部系统的连接工艺，提升整体射频模块的性能，并降低制造成本，从而推动ESIW技术在小型卫星等对尺寸、重量和成本敏感的平台上的广泛应用。
研究人员开展此项研究主要运用了几个关键的技术方法：首先，他们基于磁耦合原理建立了转换结构的等效电路模型，用以指导设计和优化；其次，整个转换器的制造完全依赖于标准的PCB工艺，核心流程仅为精准的机械切割和全面的金属化（包括通孔金属化和表面镀铜），实现了工艺的极大简化；最后，研究通过电磁仿真软件对设计进行了优化，并最终加工出实物原型，利用矢量网络分析仪完成了插入损耗（S21）和回波损耗（S11）等关键S参数的测量验证。
研究结果
1. 转换器设计与等效电路模型
研究人员提出了两种具体的转换器结构。第一种设计（Transition 1）在同轴探针的末端引入了一个小的金属贴片，通过该贴片与ESIW宽边壁之间的缝隙产生磁耦合。第二种设计（Transition 2）则采用了一个延伸至ESIW腔体内的L形探针来增强耦合。为了深入理解其工作原理并指导设计，研究者为每种结构推导了对应的集总参数等效电路模型。模型将同轴探针等效为电感，耦合缝隙或结构等效为电容，而ESIW本身则等效为一段传输线。该模型清晰地揭示了阻抗匹配和带宽特性的物理本质，为快速优化设计参数提供了理论工具。
2. 制造工艺
论文强调所提出的转换器制造工艺极其简单。整个过程仅包含两个核心步骤：一是使用数控铣床或激光切割机在多层PCB板上精准切割出ESIW的空腔以及同轴探针安装所需的孔洞；二是对切割形成的空腔内壁以及必要的通孔进行彻底的金属化处理（例如化学镀铜或沉积其他金属），以形成连续的导电壁。这种工艺摒弃了传统方案中所需的复杂多层对齐、特殊材料或精细的平面电路图案制作，显著降低了制造成本和难度。
3. 实测性能
加工完成的转换器原型经由矢量网络分析仪进行了测量。性能指标聚焦于两个关键参数：插入损耗（Insertion Loss, IL），表示信号通过转换器时的能量损耗，值越小越好；回波损耗（Return Loss, RL），表示信号被反射回源端的比例，值越大越好。实测数据表明，第一种转换器（Transition 1）在目标频段内实现了约1 dB的插入损耗和12.5 dB的回波损耗。第二种转换器（Transition 2）性能更优，实现了约0.7 dB的插入损耗，同时保持了12.5 dB的回波损耗。这些结果验证了所提出的磁耦合直接转换方案的有效性。
结论与讨论
本研究成功设计并实验验证了两种基于磁耦合原理的新型同轴至空心基片集成波导（ESIW）直接转换器。与需要平面传输线作为中间级的传统方案相比，所提出的设计具有根本性优势：其一，设计流程清晰，引入了等效电路模型，使设计从纯电磁仿真优化转变为有理论指导的过程；其二，制造工艺极大简化，仅依赖基础的切割和金属化，与复杂的多层PCB工艺兼容，非常适合低成本、批量生产；其三，测量兼容性佳，转换器可直接与标准同轴探针连接，避免了因额外适配器引入的测量误差和性能恶化。
实测结果表明，两种转换器均实现了低插入损耗（最低达0.7 dB）和良好的回波损耗（12.5 dB），满足了实际应用对高效信号传输的基本要求。这项工作的重要意义在于，它为ESIW技术提供了一种高性能、易制造、易测试的标准化输入/输出接口解决方案。通过消除冗余的转换级和复杂的制造步骤，该研究不仅提升了ESIW电路模块的整体电性能，更从工程实践层面降低了其应用门槛。这对于推动ESIW在小型卫星、无人机载荷、便携式雷达系统以及下一代高集成度微波毫米波通信设备中的广泛应用具有重要的实用价值。论文最后也指出，未来工作可进一步优化带宽性能，并探索其在更高频段（如毫米波）的应用潜力。
