宽频带紧凑型基片集成同轴线过渡结构设计：面向Ku波段的高性能直角同轴转接方案

《Inventions》：Wide-Band Compact Substrate-Integrated Coaxial Line Transition Mohamed Mamdouh M. Ali, Shoukry I. Shams, Mahmoud Elsaadany, Ghyslain Gagnon and Abdelrazik Sebak

针对5G/6G通信系统中波束成形网络对宽带低损耗过渡器件的迫切需求，研究人员提出了一种新型直角同轴至基片集成同轴线(SICL)过渡结构。该设计采用空气填充K型连接器，在无需金属外壳的情况下实现了12-18 GHz全Ku波段覆盖，回波损耗优于20 dB，背靠背配置下插入损耗仅0.22 dB/英寸，为紧凑型天线馈电网络提供了实用化解决方案。

　　

在5G技术尚未全面普及的今天，全球科技界已悄然打响6G标准争夺战。这场竞争的核心在于如何通过空间分集技术大幅提升信道容量，让更多终端同时享受更高数据速率。作为实现空间分集的关键，波束成形网络需要大量高性能微波元件——耦合器、功分器、天线和过渡器，这些元件必须具备深匹配、宽带工作和超紧凑尺寸三大特征。然而现实情况是，现有微波元件在电气性能和成本之间难以平衡，严重制约了技术扩张。

在各种传输结构中，基片集成同轴线(SICL)凭借低色散、低辐射损耗的特性脱颖而出，其高效功率利用和低信号失真特性使其成为理想选择。但长期以来，缺乏高性能过渡器件的现状阻碍了SICL技术的广泛应用。传统同轴转SICL方案要么需要笨重的金属外壳，要么组装工艺复杂，要么带宽有限，要么插入损耗过高。特别是直接连接方案，通过在λ/2处开路或在λ/4、3λ/4处短路来实现匹配，不仅带宽受限，而且对加工公差极度敏感，基板孔直径微小偏差就会导致匹配水平恶化至-5 dB。这些痛点正是本研究要攻克的核心难题。

为解决上述问题，Mohamed Mamdouh M. Ali、Shoukry I. Shams、Mahmoud Elsaadany、Ghyslain Gagnon和Abdelrazik Sebak研究团队在《Inventions》期刊发表了一项创新成果，提出了一种新型直角同轴至SICL过渡结构。该设计通过引入梯形导体宽带短路结构、调谐柱(tuning pill)和圆形贴片等创新元素，成功实现了Ku波段(12-18 GHz)的全覆盖，回波损耗超过20 dB，且无需金属外壳或复杂多层结构。

研究采用了多项关键技术方法：首先基于Roger 6002介质基板(介电常数ε_r=2.94，损耗角正切tanδ=0.0012)设计了对称SICL结构，通过优化线宽w_f、顶部基板高度h₁和底部基板高度h₂实现50 Ω阻抗匹配；利用CST Studio Suite 2025进行全波电磁仿真；采用参数扫描方法系统研究了背短路长度l_s、圆形贴片直径φ_patch等关键尺寸的影响；最终制作背靠背配置样品，使用N52271A PNA网络分析仪测试S参数验证性能。

2.1. Proposed SICL Design

研究人员设计的SICL结构由夹在两层平行接地板之间的导体构成，采用Roger 6002介质基板确保低损耗和高频性能。通过在馈线周围布置电镀过孔，有效抑制高阶模传播并减少电磁辐射。仿真显示该结构在20 GHz以上才出现高阶模，确保了工作频段内的单模传输。

2.2. Direct Transition Limitations

直接过渡方案通过同轴内导体与馈线中心导体直连，配合λ/2处开路或λ/4、3λ/4处短路实现匹配。仿真结果表明，短路方案匹配深度优于开路方案，因为SICL技术难以完美实现开路。两种方案均存在带宽受限问题，且对基板孔直径公差极度敏感，微小偏差会导致匹配水平显著恶化至-5 dB。

2.3. Proposed Wideband Transition

提出的宽带过渡结构包含多个创新设计：底部基板开有与同轴外导体直径匹配的金属化孔，使同轴内导体顺利穿过；设置直径φ_pill的调谐柱连接内导体引脚与顶层地，最小化反射；采用梯形导体构成的宽带短路结构，其锥形轮廓产生频率依赖的反射点，确保在整个Ku波段反射波与入射寄生反射保持近180°相位差，实现连续相消干涉；在连接点设置圆形贴片作为阻抗匹配元件，桥接垂直同轴引脚与水平SICL；还集成了宽度W_t、长度l_t的匹配变换器。参数研究表明，背短路长度l_s为2.9 mm时，短截线的感抗完美抵消结电容，实现12-18 GHz范围内优于20 dB的回波损耗；圆形贴片直径φ_patch为2.84 mm时，在12.8 GHz和17.1 GHz形成双谐振，分别对应于同轴-贴片界面和贴片-SICL阻抗变换，实现最佳补偿状态。

3. Results

研究人员制作了背靠背配置样品，使用高温高压环氧树脂层压组装。测量与仿真结果高度吻合，在15 GHz中心频率实现40%相对带宽，匹配水平达-15 dB，插入损耗小于-0.6 dB。与现有SICL过渡结构相比，该设计在12-18 GHz范围内实现-15 dB匹配水平和低插入损耗，且无需金属外壳，简化了制造工艺。

4. Conclusions

该研究提出的新型直角同轴至SICL过渡结构在紧凑尺寸下实现了卓越电气性能，覆盖整个Ku波段且匹配水平超过20 dB。采用空气填充K型连接器，在18 GHz以下实现了最优电气特性和阻抗匹配。背靠背测试结果验证了设计的可靠性，为高频应用特别是紧凑型天线馈电网络提供了实用化解决方案。

这项研究的创新价值在于突破了传统SICL过渡器件的多重限制：梯形短路结构通过频率依赖的反射相位控制实现了宽带匹配，圆形贴片和调谐柱的引入显著降低了对加工公差的敏感性，整体设计避免了金属外壳和复杂多层结构，大幅提升了集成可行性。相比文献报道的其他方案，该设计在带宽、匹配深度、插入损耗和集成便利性方面均展现出明显优势，为6G通信系统中波束成形网络的实现提供了关键器件支撑，也为其他毫米波应用中的过渡设计提供了新思路。