CN105100306A - 方位无关的毫米波无线电链路 - Google Patents

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Abstract

本发明描述的是用于实现在便携式设备中的方向无关的毫米波(mm-波)天线的体系结构、平台和方法。一种设备,包括:波导;射频(RF)模块,其被配置为通过所述波导发射或接收无线信号;以及RF信号转换,其将所述RF模块连接到所述波导,所述RF信号转换为RF连接器,所述RF连接器包括:连接器外壳;以及馈电探针,其被设置在所述连接器外壳内,所述馈电探针控制所述无线信号的所述发射或接收。

Description

方位无关的毫米波无线电链路
背景技术
越来越多的被应用于便携式设备的无线通信标准和便携式设备趋向更小、更薄及更轻的趋势可引起单天线或多天线(antennas)的主要设计挑战。天线代表一类从根本上不同于便携式设备中其他元件的元件。例如,天线可被配置为在自由空间有效辐射(radiate),而其他元件或多或少要与它们周围环境相隔离。
对于高速率短距离链路来说,工作在毫米波(mm-波)频率的天线预计将得以普及。工作在60GHz频段的被称为无线WiGig(无线千兆比特)的系统是此类系统的一个例子。此外,该毫米波无线电系统的使用对于诸如5G蜂窝无线电的标准预计将发挥重要作用。通常这些短距离毫米波无线电系统在发射器和接收天线之间需要无阻碍视线(unobstructedline-of-sight(LOS))。针对该视线的要求,发射天线和接收天线的方向可能需要它们各自主瓣彼此相对以获取最大强度的无线电链路。用于诸如笔记本电脑、平板电脑、智能手机等移动设备的当前天线设计覆盖范围有限,并且在毫米波工作频段会引起高损失。
附图说明
将参照附图对详细的说明书进行介绍。在图中,参考编号的最左边数字标识该参考编号第一次出现的图。相同的编号被用于所有图中以引用相同的特征和元件。
图1是在视线(LOS)无线通信过程中毫米波(mm-波)便携式设备的示例布置。
图2是被配置为在便携式设备中实现毫米波(mm-波)无线通信的示例装置。
图3是如文中在本实施例中所描述的示例射频(RF)连接器。
图4是如文中在本实施例中所描述的用于实现毫米波(mm-波)无线通信的示例信号仿真。
图5A-5C示出如文中在本实施例中所描述的波导开口端中不同的阻抗匹配实现。
图6A是如文中在本实施例中所描述的射频(RF)模块中示例开关系统。
图6B和图6C示出如文中在本实施例中所描述的射频(RF)模块中示例开关系统的额外实现。
图7是示出用于在便携式设备中实现方向无关的毫米波(mm-波)天线的示例方法的示例流程图。
具体实施方式
文中描述的是用于在便携式设备中实现方向无关的毫米波(mm-波)单天线或多天线的体系结构、平台和方法。
例如,便携式设备内的波导结构被用作媒介以发射和/或接收诸如mm-波RF信号或mm-波频率的射频(RF)信号。在该示例中,波导结构的开口端用作天线。在这种情况下,该天线可被设置在设备机壳外表面、设备机壳内表面或接近便携式设备的外壳周边,用于与另一便携式设备或基站进行视线毫米波无线通信。
当波导结构的开端被用作天线时,它的另一端可通过诸如RF连接器的RF信号转换器连接到RF模块。例如,RF模块可被设置到便携式设备的印刷电路板(PCB)上的某一位置。在该示例中,RF连接器可被装配到上述PCB板上,以便于两种不同信号路径介质(即,微波结构介质和PCB板的传输线)之间的转换。例如,上述传输线可以是微带线、带状线、共面波导、其他波导或任何其他类型的传输线或不同传输线类型的组合或衍生形式。在该示例中,RF连接器容纳波导结构的一端,并且将波导结构的其他端连接到传输线,该传输线在PCB中连接到RF模块。RF模块可装配到PCB中,并且传输线将该RF模块连接到已安装的RF连接器。
在一实施例中,天线的阻抗匹配可使用沿着便携式设备的边缘的塑料材料。例如,波导结构的开口端被设置在便携式设备的塑料盖上。在此例中,该塑料盖可以具有均匀的或平坦的表面,其中该表面可被配置为具有不同的介电材料,以便于波导结构中的阻抗匹配。
图1是在视线(LOS)无线通信过程中毫米波(mm-波)便携式设备的示例布置100。该布置100示出带有天线104的便携式设备102,和带有天线108的另一便携式设备106。该布置100还示出具有用于天线104的相应波导110,和射频(RF)模块112。
便携式设备102可包括,但不限于,平板电脑、上网本、笔记本电脑、手提电脑、移动电话、手机、智能手机、个人数字助理、多媒体播放设备、数字音乐播放器、数字视频播放器、导航设备、数码相机,等等。例如,便携式设备102可与另一便携式设备106在网络环境中进行通信。网络环境,例如,包括蜂窝网络,其被配置为易于便携式设备102和另一便携式设备106之间进行通信。
如图所示,由于便携式设备102具有在WiGig工作频率处工作的特性和能力,因此便携式设备是一种毫米波便携式设备。便携式设备102,例如,在与其他便携式设备106在视线(LOS)无线通信中使用天线104-2。该视线(LOS)无线通信,例如,工作在60-100GHz的频率范围,其中在无线通信过程中便携式设备之间的障碍物可以很容易地减少信号强度。在上面的示例中,天线104-2是诸如波导110-2的波导结构的开口端。
在一实施例中,优选地,天线104-2被设置在便携式设备102的至少一个边缘上。例如,波导110-2可以从RF模块112延伸到便携式设备102的顶部边缘。在该示例中,波导110-2的开口端是被配置为提供毫米波无线通信的天线104-2。依赖配置的天线104-2的灵敏度,便携式设备102可以在相对较短的距离内(例如,10米)开始与其他便携式设备106进行视线(LOS)无线通信。
波导110-2的天线104-2可包括不同的形状和/或配置。例如,天线104-2可具有锥形端、喇叭形状、圆形或圆锥形配置。在该示例中,不同形状和/或配置可对应于不同的辐射图样、波束配置等。例如,喇叭形天线104-2与圆形天线104-2相比,可具有较窄的波束宽度和较高方向性。在该示例中,诸如波导宽度、波导长度等其他配置在获得上述结论时可进一步被考虑。
继续参考图1,便携式设备102和106可检测它们各自的天线中哪一个与另外一个相互对准。例如,如图所示,便携式设备102和106建立视线(LOS)无线通信链路,并于此后检测它们各自的天线中哪一个与另外一个对相互对准。在该示例中,和便携式设备102和106的诸如天线104-4和108-4之间其他天线相比,便携式设备102和106可检测到他们各自的天线104-2和108-2可具有较高信号强度。因此,在视线(LOS)无线通信过程期间,在发射或接收高数据传输率中,便携式设备102和106可激活并利用它们相应的天线104-2和108-2。在另一实施例中,在视线(LOS)无线通信过程中,诸如在便携式设备内使用分离天线的其他检测形式可以被采用,以用来选择天线104或108中那些被使用。
在一实施例中,RF模块112通过天线104以无线信号的形式以便于数据的发射或接收。例如,RF连接器(未示出)将波导110-2的一端连接到传输线(未示出),该传输线被链接至RF模块112。在该示例中,RF模块112可利用波导112-2及其开口端(例如,天线104-2)以发射或接收无线信号。RF模块112可被装配到PCB中,同时RF连接器可被安装在PCB上。
虽然上述示例布置100以有限的方式示出在便携式设备102和106之间毫米波无线通信的基本元件,但是为了简化文中描述的实施例,诸如电池、一个或多个处理器、SIM卡等其他部件并未描述。
图2示出被配置为在便携式设备102中实现毫米波无线通信的示例装置200。如图所示,装置200包括RF模块112、一个或多个RF连接器202、传输线204、波导110和天线104.
作为此处本实施例的一个示例,在毫米波无线通信的期间便携式设备102可使用多个天线104。例如,波导110最佳地布线至便携式设备102中不同的位置。在该示例中,波导110各自的开口端被用作天线104。
波导110的最佳布线可基于:便携式设备102中的可用空间、RF模块112的位置、天线104的物理尺寸或天线104的期望辐射图样或覆盖范围。例如,波导110-2被制作为比波导110-4长度更短,因为与天线104-4的当前位置相比较,天线104-2离RF模块更近。在该示例中,与波导110-4相比较,波导110-2的内部尺寸具有不同的配置。原因在于,波导长度的不同可对应于波导内(即,毫米波信号路径)反射和信号损失的不同形式。
在另一示例中,波导110-4与波导110-6在长度上相等,因为RF模块112被设置在两波导之间,并且便携式设备102内的可用空间允许镜面波导定位布置。在该示例中,波导110-4和110-6的内部尺寸是相等的。原因在于,末端开口的波导110-4和110-6可被配置为在相同的频率(例如,60GHz)处谐振。在该谐振频率上以及对于相同的波导长度,波导110-4和110-6可具有相同的内部尺寸以传输最大功率。
如文中该实施例的一示例所示,RF连接器202是RF信号转换元件,其在毫米波无线信号的发射和接收过程中,可便于两种信号路径媒介之间的转换。例如,RF模块112使用传输线204以连接RF连接器202。在该示例中,传输线204是一类可使用印刷电路板(PCB)制作的电传输线媒介,并可用于传输毫米波无线信号。例如,平面传输线可以是微带线、带状线或共面波导类型。可选地,传输线204可以是诸如同轴或其他波导的非平面类型。此外,传输线204可包括导电片,该导电片由被称为基板的绝缘层将其与接地层隔开。
传输线204被连接到RF连接器202,并且还被连接到其他信号路径媒介,即波导110。例如,如下面进一步讨论的那样,RF连接器202可包括导电和/或绝缘外壳以及在外壳内的馈电点(未示出)。通常外壳的导电部被接地,在该示例中,RF连接器202可被安装在PCB板上,并且馈电点被链接至传输线204。此外,RF连接器202的外壳可被配置为容纳波导110的另一端,以完成RF模块112和天线104之间的毫米波信号路径。
继续参考图2,RF模块112被配置为发射或接收毫米波无线信号。在发射或接收过程中,RF模块112可使用数字调制或解调、信号转换方法等不同形式,以发射或接收毫米波无线信号。如上所述,RF模块112可被集成或装配到便携式设备112的PCB板上。
图3示出此处本实施例所描述的示例性的RF连接器202。例如,RF连接器202被安装在包括传输线204的PCB板300内。此外,RF连接器202包括馈电探针302、塑料连接器外壳304、以及可容纳并配装波导110的一端的金属部件连接器外壳306。
如上所述,RF连接器202便于两种不同信号路径媒介之间的信号路径的转换。例如,第一信号路径媒介是传输线204,而另一种信号路径媒介是波导110。在该示例中,RF连接器202便于实现用于发射或接收毫米波无线信号的大致无损失的信号路径转换。
在一实施例中,馈电探针302可用于在发射或接收期间控制通过的毫米波无线信号的信号参数(例如,功率、相位、极化、辐射图样等)。例如,沿着辐射器缝隙(未示出)改变馈电探针302的深度可改变在发射的毫米波无线信号过程中的功率大小。在另一示例中,馈电探针302可被用于选择在发射或接收的过程中哪一个波导110被使用。例如,馈电探针302可完全关闭用于特定波导110的辐射器缝隙。在该示例中,特定波导110可不通过开口端(即,天线)来发射或接收毫米波无线信号。
在一实施例中,连接器外壳的金属部件306被集成到塑料连接器外壳304中。在该实施例中,塑料连接器外壳304被制作以容纳波导110的一端。例如,波导110的一端形状为圆形,以及例如,塑料连接器外壳304可包括用于容纳和装入波导110的圆形端的圆形孔洞。如上所述,波导110的对应的开口端被用作天线,并且沿着便携式设备的外壳边缘被设置。
图4示出用于实现如此处本实施例中所描述的毫米波无线通信的示例三维电磁仿真模型400。如图所示,该仿真模型400示出塑料盖402,其表示便携式设备102的外壳边缘或材料盖。此外,图4示出波导110、安装的RF连接器202和包括集成的RF模块112的PCB板300。
波导110可以是由低损耗塑料材料制成的高通滤波器,并用导电材料涂覆。例如,波导110是由在60GHz工作频率处具有可选相对介电常数εr=3和视线正切值(LosTan)为0.001的塑料材料制成。此外,波导110具有2毫米的直径和大约51GHz的截止频率,该截止频率适合60GHz的工作频率。在该示例中,RF连接器202的物理配置是基于波导110的上述参数而制作的。例如,RF连接器202具有能够容纳并配装波导110的2毫米直径端的开口。在该示例中,RF连接器202还可包括多个辐射器缝隙和多个馈电探针,其中馈电探针的尺寸被配置为对应于上述波导110的物理配置。
继续参考图4,塑料盖402可包括非常薄的塑料壁(例如,1毫米厚的塑料壁),该塑料壁模仿便携式设备102的外壳。除了外壳的其他塑料材料部件可被用在图4所描述的示例中。例如,波导110具有用作天线的开口端。在该示例中,天线可与塑料盖402齐平。塑料壳402可以是外壳边缘、拐角、顶侧、背侧、外表面、内表面,或设备内部的塑料材料,其取决于便携式设备102的波导110的最佳路径设定。
图5A-5C示出如此处本实施例所描述的波导中不同的阻抗匹配实现。
如图所示,图5A示出无阻抗匹配即参考天线的波导110。在该示例中,在发射或接收过程中的毫米波无线信号可遇到驻波信号反射,该驻波信号反射可影响传入或传出毫米波无线信号的信号参数。
图5B还示出由使塑料盖502终止的波导110。例如,塑料盖502是由被设置在波导110-2的开口端(例如,天线104-2)的塑料材料制成。在该示例中,与天线104-2齐平的塑料盖502可最小化波导110-2内部的驻波信号反射。
图5C示出在波导110-2的天线104-2上备选的阻抗匹配。例如,塑料盖502包括孔504,其为在塑料盖502的塑料材料结构中所形成的腔部。在该示例中,孔504的物理尺寸或配置可装入波导110-2的填塞的开口端。换言之,孔504具有能够与波导110-2的填塞的开口端相适配的直径。采用该配置,驻波被进一步减少以实现在波导110-2中最大化的功率传输。
在另一实施例中,塑料盖502是由不同介电常数的层制成,以在波导110-2的开口端进一步提供良好的阻抗匹配。
图6A示出如此处实施例所描述的RF模块112中的示例开关系统600。如图所示,开关系统600包括信号处理器602、放大器604和传输线204。
在一实施例中,信号处理器602控制将要被发射的毫米波无线信号。例如,信号处理器602执行通过波导110的开口端发射的毫米波无线信号的模数转换、数字调制、多路复用等。在该例子中,信号处理器602还可使用特定波导110,信号处理器602在发射期间选定该特定波导。
波导110的选择可基于波导110的开口端的不同无线信号强度的确定和比较。在另一实施例中,信号处理器602可使用另一种检测无线信号强度的形式,诸如在便携式设备中的另一种天线(例如,无线保真(Wi-fi)天线)的存在。
图6B和6C示出开关系统600的其他实现。
例如,采用图6A中已检测及选定的波导110-其包括具有较强无线信号强度的开口端,信号处理器602在发射或接收毫米波无线信号过程中可使用开关元件606。如图6B所示,当使用波导110-2或110-4时,信号处理器602可使用开关元件606-2;或当使用波导110-6或110-8时,信号处理器602可使用开关元件606-4。
此外,在发射或接收毫米波无线信号的过程中,功率分配器元件608可以被信号处理器602所使用。如图6C所示,当通过波导110-2和110-4发射或接收毫米波无线信号时,信号处理器602可使用功率分配器元件608-2;或当通过波导110-6和110-8发射或接收毫米波无线信号时,信号处理器602可使用功分器元件608-4。
在一实施例中,当信号处理器602已选择放大器604-2和相应的波导110-2用于发射时,信号处理器602可被配置为关掉另一放大器604(例如,放大器604-4和604-6)和/或其他波导110(例如,波导110-4和110-6)。
在另一实施例中,信号处理器602可使用馈电探针302以控制或控制毫米波无线信号的参数或者以关闭或打开特定波导110。
图7展示出用于示出在便携式设备中实现方向无关的毫米波(mm-波)天线的示例方法的示例流程图。所描述的方法的顺序无意解释为限制,并且所描述方法块的任意数目能够以任意顺序组合来实现该方法或另一可选方法。此外,在不背离文中所描述的主题的思想和范围的情况下,单个块可从该方法中移除。另外,在不背离本发明范围的情况下,该方法可以采用任何合适的硬件、软件、固件或其组合来实现。
在块702,建立毫米波无线通信链路的任务被执行。例如,便携式设备(例如,便携式设备102)检测毫米波无线信号。在该示例中,便携式设备102可建立毫米波无线通信链路,例如,可通过发送请求以加入由另一便携式设备(例如,便携式设备106)发起的点对点(ad-hoc)通信。
在块704,执行便携式设备内部从第一波导开口端到第二波导开口端的无线信号强度的确定和比较。例如,便携式设备102包括第一波导(例如,波导110-2),其开口端(例如,天线104-2)直接位于另一发射便携式设备106的视线内。在该示例中,便携式设备102可比较从第一波导110-2到第二波导的无线信号强度,该第二波导诸如波导110-4或波导110-6。
在块706,响应于所确定的较强无线信号强度,选择第一波导中一个操作被执行。在上述示例中,与其他波导110-4和110-6相比较,便携式设备102可选择包括较强信号强度的波导110-2。
在块708,执行通过所选择的波导来发射或接收毫米波无线信号的操作。在上述示例中,便携式设备102通过RF模块(例如,RF模块112)可发射毫米波无线信号到波导110-2或接收来自波导110-2的毫米波无线信号。此外,在通过选定的波导110-2发射或接收毫米波无线信号的过程中,RF模块112使用RF连接器(例如,RF连接器202)。例如,RF连接器202便于实现两种不同媒介之间信号路径的毫米波无线信号转换,例如传输线204-2和波导110-2这两种不同媒介。
下面的示例涉及更多的实施例:
示例1是一种设备,包括:波导;射频(RF)模块,其被配置为通过所述波导发射或接收无线信号;以及RF信号转换,其将所述RF模块连接到所述波导,所述RF信号转换是RF连接器,所述RF连接器包括:连接器外壳;以及馈电探针,其被设置在所述连接器外壳内,所述馈电探针控制所述无线信号的发射或接收。
其中所述波导被设置在所述设备内部,所述波导在所述设备内延伸至机壳外表面或接近机壳内表面延伸。
在示例3中,如示例1中所述的设备,其中所述波导包括作为天线的开口端。
在示例4中,如示例1中所述的设备,其中所述波导是带有物理参数的高通滤波器波导,所述物理参数被配置为具有低于60GHz频率的截止频率。
在示例5中,如示例1中所述的设备,还包括不同介电常数的材料层,其中所述材料层被设置为覆盖所述波导的开口端以便阻抗匹配。
在示例6中,如示例5所述的设备,其中在所述波导的所述开口端处的所述材料层包括与所述波导填塞的开口端相适配的腔部
在示例7中,如示例1所述的设备,其中所述RF模块检测并比较从所述波导到第二波导的无线信号强度。
在示例8中,如示例7所述的设备,其中所述RF模块包括开关以使用所述波导或所述第二波导中具有较高无线信号强度的其中一者。
在示例9中,如示例7中所述的设备,其中所述RF模块包括使用单输入端口和多输出端口的功率分配器,其中所述单输入端口被连接到所述RF模块,而每一输出端口被连接到不同的波导。
示例10是一种设备中的连接方法,包括:通过第一波导的开口端建立无线通信链路,所述开口端沿着所述设备的外机壳或内机壳的周边设置;确定并比较所述设备内从所述第一波导的开口端到第二波导的开口端的无线信号强度;响应于所述无线信号强度的确定和比较,选择所述第一波导或所述第二波导中具有较强无线信号强度的一者;以及发射或接收无线信号至所选择的波导,对所选择的波导设定路径,以将射频(RF)模块连接到所选择的波导的开口端。
在示例11中,如示例10所述的方法,其中所述建立无线通信链路包括毫米波(mm-波)无线通信链路。
在示例12中,如示例10种所述的方法,其中所述波导是带有物理参数的高通滤波器波导,所述物理参数被配置为具有低于60GHz频率的截止频率。
在示例13中,如示例10所述的方法,其中所述发射或接收无线信号包括采用阻抗匹配材料终止所述第一波导和所述第二波导的开口端,所述阻抗匹配材料包括设置在所述第一波导和所述第二波导的开口端的不同介电常数层。
在示例14中,如示例13中所述的方法,其中所述阻抗匹配材料为塑料盖,所述塑料盖包括所述第一波导和所述第二波导的开口端被填塞的腔部。
在示例15中,如示例10所述的方法,其中所述第一波导和所述第二波导的开口端包括锥形端。
在示例16中,如示例10所述的方法,其中所述RF模块使用RF连接器以便于实现传输线和所选择的波导之间的无线信号转换,其中所述传输线是传输线、共面波导、同轴类型或其他波导。
示例17是一种天线系统,包括:柔性波导;
负载阻抗匹配材料,其被设置为覆盖所述柔性波导的开口端;
射频信号转换,其便于在所述柔性波导开口端发射和接收无线信号,所述RF信号转换包括RF连接器,所述RF连接器包括:连接器外壳;以及馈电探针,其被设置在所述连接器外壳内,所述馈电探针控制所述无线信号的所述发射或接收。
在示例18,如示例17所述的天线系统,其中所述阻抗匹配材料为塑料盖,所述塑料盖包括所述柔性波导开口端被填塞的腔部。
在示例19中,如示例17所述的天线系统,其中所述柔性波导的所述开口端包括喇叭形配置。
在示例20中,如示例17所述的天线系统,其中所述馈电探针改变所述无线信号的相移。

Claims (16)

1.一种设备,包括:
波导;
射频(RF)模块,其被配置为通过所述波导发射或接收无线信号;以及
RF信号转换,其将所述RF模块连接到所述波导,所述RF信号转换是RF连接器,所述RF连接器包括:
连接器外壳;以及
馈电探针,其被设置在所述连接器外壳内,所述馈电探针控制所述无线信号的发射或接收。
2.如权利要求1所述的设备,其中所述波导被设置在所述设备内部,所述波导在所述设备内延伸至机壳外表面或接近机壳内表面延伸。
3.如权利要求1所述的设备,其中所述波导包括作为天线的开口端。
4.如权利要求1所述的设备,其中所述波导是带有物理参数的高通滤波器波导,所述物理参数被配置为具有低于60GHz频率的截止频率。
5.如权利要求1所述的设备,还包括不同介电常数的材料层,其中所述材料层被设置为覆盖所述波导的开口端以便阻抗匹配。
6.如权利要求5所述的设备,其中在所述波导的所述开口端处的所述材料层包括与所述波导填塞的开口端相适配的腔部。
7.如权利要求1所述的设备,其中所述RF模块检测并比较从所述波导到第二波导的无线信号强度。
8.如权利要求7所述的设备,其中所述RF模块包括开关以使用所述波导或所述第二波导中具有较高无线信号强度的一者。
9.如权利要求7所述的设备,其中所述RF模块包括使用单输入端口和多输出端口的功率分配器,其中所述单输入端口被连接到所述RF模块,而每一输出端口被连接到不同的波导。
10.一种设备中的连接方法,包括:
通过第一波导的开口端建立无线通信链路,所述开口端沿着所述设备的外机壳或内机壳的周边设置;
确定并比较所述设备内从所述第一波导的开口端到第二波导的开口端的无线信号强度;
响应于所述无线信号强度的确定和比较,选择所述第一波导或所述第二波导中具有较强无线信号强度的一者;以及
发射或接收无线信号至所选择的波导,对所选择的波导设定路径,以将射频(RF)模块连接到所选择的波导的开口端。
11.如权利要求10所述的方法,其中所述建立无线通信链路包括毫米波(mm-波)无线通信链路。
12.如权利要求10所述的方法,其中所述波导是带有物理参数的高通滤波器波导,所述物理参数被配置为具有低于60GHz频率的截止频率。
13.如权利要求10所述的方法,其中所述发射或接收无线信号包括采用阻抗匹配材料终止所述第一波导和所述第二波导的开口端,所述阻抗匹配材料包括设置在所述第一波导和所述第二波导的开口端的不同介电常数层。
14.如权利要求13所述的方法,其中所述阻抗匹配材料为塑料盖,所述塑料盖包括所述第一波导和所述第二波导的开口端被填塞的腔部。
15.如权利要求10所述的方法,其中所述第一波导和所述第二波导的开口端包括锥形端。
16.如权利要求10所述的方法,其中所述RF模块使用RF连接器以便于实现传输线和所选择的波导之间的无线信号转换,其中所述传输线是传输线、共面波导、同轴类型或其他波导。
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