CN106450627B

CN106450627B - 介电波导管

Info

Publication number: CN106450627B
Application number: CN201510477529.7A
Authority: CN
Inventors: C.W.摩根; 黄亮
Original assignee: Tyco Electronics Shanghai Co Ltd; TE Connectivity Corp
Current assignee: Tyco Electronics Shanghai Co Ltd; TE Connectivity Corp
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2035-08-06
Also published as: US9899720B2; EP3332446B1; US20170040658A1; EP3332446A1; WO2017023888A1; CN106450627A

Abstract

一种用于传播电磁信号的介电波导管包括在两个端部(104)之间延伸一长度的包覆构件(102)。包覆构件是由第一介电材料形成的。包覆构件限定以包覆构件的长度延伸通过包覆构件的芯部区域(114)。芯部区域填充有第二介电材料，所述第二介电材料具有的介电常数值不同于第一介电材料的介电常数值。包覆构件具有矩形的横截面形状，并且芯部区域具有圆形的横截面形状。

Description

介电波导管

技术领域

本文主题总体涉及介电波导管(dielectric waveguides)。

背景技术

介电波导管被用于通信应用以沿着两个端部之间的路径传送电磁波。介电波导管可提供用于将天线连接至无线电频率发送器和接收器的、和其他应用中的通信传输线路。例如，虽然波在敞开的空间中沿所有方向传播，但是介电波导管沿着限定的路径引导所述波，这允许波导管在相对长的距离上传输高频率信号。

介电波导管包括至少一种介电材料。介电材料是可以由所施加的电场极化的电绝缘材料。介电材料的极化率由被称为介电常数或相对电容率(permittivity)的值来表示。给定材料的介电常数是其介电的电容率，其表示为相对于限定为1的真空的电容率的比。若第一介电材料具有的介电常数大于第二介电材料的介电常数，则所述第一介电材料能够借助于极化而比第二介电材料存储更多的电荷。

一些已知的介电波导管包括芯部介电材料、以及围绕芯部介电材料的包覆(cladding)介电材料。所述包覆部可被用于将行进通过芯部的波信号从可能干扰信号传输并且降级信号的外部影响中隔离。例如，这样的外部影响可包括触摸介电波导管的人手和/或接触或紧密靠近波导管的另一传导部件。芯部周围的包覆层典型地是圆形的。然而，圆形的包覆层可使得将介电波导管连接至电部件或其他波导管变得困难。例如，一些波导管包括长方形的(rectangular)或其他矩形形状的(oblong-shaped)芯部。对于第一波导管的芯部的取向重要的是，在连接界面处与第二波导管的芯部的取向对准，以便于电磁波跨过两个波导管之间的界面。如果两个波导管的芯部和/或包覆部没有正确地对准，则通过波导管传送的电能中的至少一些将不桥接波导管之间的界面。例如，芯部和包覆部的形状取向为通过波导管的极性或电场取向。如果芯部相对于彼此旋转地偏移，则通过第一波导管的波可与通过第二波导管的波不同地极化或取向。因此，来自第一波导管的波可能在界面处反射，而不是跨过界面被接收到第二波导管中。由于包覆部是圆形的，所以不存在用于将两个波导管对准在一起、使得芯部和包覆部二者具有匹配取向的基准部(datum)或参考边缘。因而，波导管中的一个可能相对于另一个滚动，这会使得波导管不对准，并且可导致跨过波导管之间的界面的被降级的信号传输。

仍需要一种介电波导管，其提供用于将波导管连接至其他波导管或电部件的更好的机械对准，以便于增加跨过连接界面的信号传输的质量和完整性。

发明内容

根据本发明，一种用于传播电磁信号的介电波导管包括在两个端部之间延伸一长度的包覆构件。包覆构件由第一介电材料形成。包覆构件限定以包覆构件的长度延伸通过包覆构件的芯部区域。芯部区域填充有第二介电材料，所述第二介电材料具有的介电常数值不同于第一介电材料的介电常数值。包覆构件具有矩形的横截面形状，并且芯部区域具有圆形的横截面形状。

附图说明

图1是根据一实施例形成的介电波导管的顶部透视图。

图2是根据第一实施例的介电波导管的横截面视图。

图3是根据第二实施例的介电波导管的横截面视图。

图4是根据替代实施例的介电波导管的顶部透视图。

图5是根据另一替代实施例的介电波导管的横截面视图。

具体实施方式

图1是根据一实施例形成的介电波导管100的顶部透视图。介电波导管100被配置为沿着波导管100的长度传送电磁信号用于将波传输到天线、无线电频率发送器和/或接收器、或另一电部件，或从上述部件传输波。电磁信号可以是波的形式。介电波导管100可被用于传输子太赫兹(sub-terahertz)无线电频率信号，诸如在120-160GHz的范围中。信号是毫米波信号，因为在该频率范围中的信号具有小于五毫米的波长。介电波导管100可被用于传输调制的无线电频率(RF)信号。调制的RF信号可在正交数学域(orthogonal mathematicaldomain)中被调制以增加数据吞吐量。介电波导管100相对于竖直或俯仰轴线191、横向轴线192、和纵向轴线193取向。轴线191-193是相互垂直的。虽然俯仰轴线191表现为在大致平行于重力的竖直方向上延伸，但是理解的是，轴线191-193不被要求具有相对于重力的任何特定取向。介电波导管100在两个端部104之间沿着纵向轴线193延伸一长度。

介电波导管100包括延伸介电波导管100的长度的包覆构件102。包覆构件102是由介电材料形成的，在本文中被称为包覆材料。因而，包覆材料是可通过施加的电场来极化的电绝缘体。包覆构件102具有矩形的横截面形状。例如，包覆构件102的横截面形状是在一个方向上长于另一方向。包覆构件102的矩形的形状可将传播通过介电波导管100的电磁波在水平或竖直的极性上取向。包覆构件102可以是具有直角的角部的长方形、具有弯曲角部的长方形、梯形、椭圆形、卵形等。在图示的实施例中，包覆构件102具有顶侧106、底侧108、左侧110、和右侧112。如本文使用的，诸如“第一”、“第二”、“顶”、“底”、“左”、“右”的相对或空间术语仅用于区分标记的元件，并且不必要地要求在介电波导管100中、或在介电波导管100的周围环境中的特定位置、顺序、或取向。

包覆构件102限定以两个端部104之间的包覆构件102的长度而延伸通过包覆构件102的芯部区域114。芯部区域114包括在包覆构件102的二个端部104处的开口116。在图示的实施例中，芯部区域114具有圆形的横截面形状。在替代实施例中，芯部区域114可具有矩形的横截面形状。芯部区域114填充有介电材料，本文称为芯部材料。芯部材料具有的介电常数不同于包覆材料的介电常数。

芯部材料和包覆材料的不同的介电常数影响波导管100内的电场的分布。例如，通过波导管100的电场可集中在具有较大介电常数的材料内，至少对于具有0-15范围中的介电常数的两种介电材料是这样。因而，如果包覆材料具有的介电常数大于芯部材料的介电常数，则大部分的电场分布在包覆构件102内(使得电场强度在包覆构件102内最大)，即使一些电场可能分布在芯部区域114内和/或包覆构件102的外部。另一方面，如果芯部材料具有的介电常数大于包覆材料，则大部分的电场可分布在芯部区域114中，并且小部分的场在包覆构件102内和/或芯部区域114的外部。

在一实施例中，介电波导管100的侧106-112中的至少一个是平面的或包括至少一个平面的表面。该至少一个平面侧可被用作基准面或参考平面，用于在互连中将波导管100与连接波导管(未示出)、连接器、天线、或另一电部件机械地对准。例如，波导管100可被配置为：通过在界面处将波导管100的一个端部104邻接抵靠连接波导管的一个端部以形成毗连连结部而连接至与波导管100基本相同(可能除了长度之外)的连接波导管。波导管100的一个或多个基准部表面可与连接波导管的互补平面侧对准，以确保包覆构件102和芯部区域114与连接波导管的相应的包覆构件和芯部区域对准。在图示的实施例中，全部四个侧106-112是平面的，使得侧106-112中的每个可以是用于在互连中将波导管100对准的基准部表面。

图2是根据第一实施例的介电波导管100的横截面视图。在图示的实施例中，由包覆构件102限定的芯部区域114填充有空气。空气限定芯部区域114内的芯部介电材料。因而，芯部区域114不填充有固态的材料。空气具有大约为1的介电常数。包覆构件102的包覆材料具有的介电常数大于空气的介电常数。例如，包覆材料可具有2到15之间的介电常数。更具体地，包覆材料可具有3到7之间的介电常数。如本文使用的，在两个端部值“之间”的范围意思是包括所述端部值。由于包覆材料的介电常数大于空气的介电常数，通过波导管100的大部分的电场中被分布在包覆构件102内。在一实施例中，包覆材料的介电常数值可以在3到4之间，使得芯部区域114内的芯部材料与包覆构件102内的包覆材料之间的介电常数值的差在2到3之间。因而，由于相对小的介电常数值的差，电场的场强度分布在包覆构件102和芯部区域114二者内，即使大部分的电场强度是在包覆构件102中。

包覆构件102的包覆材料可以是介电聚合物，诸如塑料或其他合成的聚合物。例如，包覆材料可以是聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯、尼龙、聚酰亚胺等，包括它们的组合。这样的聚合物减少通过介电波导管100的损失，允许信号传播得比其他波导管材料更远。在其他实施例中，包覆介电材料可以是、或可包括纸、云母、橡胶、盐、混凝土、氯丁橡胶、耐热玻璃(Pyrex)、二氧化硅等。包覆构件102可以是柔性的或半刚性的。

在图示的实施例中，包覆构件102的顶侧106和底侧108长于包覆构件102的左侧110和右侧112。如此，包覆构件102具有的宽度(W)大于包覆构件102的高度(H)。由于宽度大于高度，故电磁波可被取向为具有水平的极性。在图示的实施例中，包覆构件102是长方形的。例如，顶侧106平行于底侧108，左侧110平行于右侧112，并且包覆构件102限定相邻侧106-112之间的直角。侧106-112中的每个都是平面的。图2中的包覆构件102因而包括两对相对的平面侧，其中第一对是顶侧和底侧106、108，并且第二对是左侧和右侧110、112。然而，在替代实施例中，包覆构件102可包括仅一对相对的平面侧，其将电场取向在包覆构件102内。平面侧还用作基准部表面，所述基准部表面用于在互连中将波导管100机械地对准。

包覆构件102可具有各种尺寸。在一实施例中，包覆构件102具有的高度大约是0.8mm、宽度大约是1.2mm。在图示的实施例中，对于宽度比高度的宽高比(aspect ratio)小于2。在替代实施例中，所述宽高比可至少是2。如上文描述的，包覆构件102在其他实施例中可具有其他的矩形形状，诸如具有圆角的长方形、梯形、椭圆形、卵形等。

包覆构件102可使用标准的加工工艺和/或技术来制造，诸如通过挤出(extrusion)、拉拔、熔制、模制等。在一个示例中，包覆构件102被挤出以形成包覆构件102，并且限定包覆构件102内部的芯部区域114。芯部区域114可具有相对于包覆构件102的各种尺寸。在一实施例中，圆形的芯部区域114的直径是包覆构件102的高度的大约一半(诸如0.4mm)，并且芯部区域114沿着包覆构件102的中央区域定位。

图3是根据第二实施例的介电波导管100的横截面视图。在图3中示出的实施例中，介电波导管100包括在包覆构件102的芯部区域114内的芯部构件118。芯部构件118在两个端部104(在图1中示出)之间延伸介电波导管100的长度。芯部构件118填充芯部区域114，使得在芯部构件118的外表面与包覆构件102的内表面之间不存在空隙或间隙。包覆构件102接合、并且沿着芯部构件118的长度而包围芯部构件118。

芯部构件118是由图1中提到的芯部介电材料形成的。在一实施例中，芯部构件118的芯部介电材料是固态的介电材料，不是如图2中示出的空气。例如，介电波导管100的芯部构件118和包覆构件102二者可由介电聚合物形成，诸如塑料或其他合成的聚合物。芯部构件118可包括聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯等中的一种或多种。芯部构件118的芯部材料不同于形成包覆构件102的包覆材料。

在一个实施例中，芯部材料的介电常数小于包覆材料的介电常数。芯部材料可具有小于3的介电常数，而包覆材料具有3到12之间的介电常数，或更具体地在3到7之间。在一实施例中，芯部材料的介电常数值与包覆材料的介电常数值的差小于5。例如，相应的介电常数的差可在1.5到3之间。在示例实施例中，芯部构件118的芯部材料可以是PTFE，具有2.1的介电常数，并且包覆构件102的包覆材料可以是尼龙，具有大约是4的介电常数(介电常数之间的差是1.9)。在替代实施例中，芯部材料的介电常数可大于包覆材料的介电常数。

可选地，图3中示出的介电波导管100可使用标准的加工工艺和/或技术来制造，诸如通过挤出、拉拔、熔制、模制等。在一个示例中，芯部介电材料和包覆介电材料是共同挤出的，使得芯部构件118和包覆构件102同时地形成。可替代地，芯部构件118可预先形成，并且包覆介电材料可在芯部构件118上被挤出、模制、拉拔等，以形成围绕芯部构件118的包覆构件102。

在图示的实施例中，芯部构件118具有圆形的横截面形状。有益的是，芯部构件118具有圆形的形状，因为以挤压或以其他方式形成圆形形状的芯部构件118会比形成矩形形状的更容易。由于包覆构件102具有矩形的形状，所以包覆构件102用于将电场取向在介电波导管100中，而不是在芯部构件118中。虽然在图示的实施例中芯部构件118是圆形的，但是在替代实施例中芯部构件118可以是矩形的，或具有不同的横截面形状。

图4是根据替代实施例的介电波导管100的顶部透视图。图4中示出的介电波导管100的实施例不同于图1中示出的实施例，因为图4中的波导管100包括沿着波导管100的长度包围包覆构件102的外部护套120。外部护套120可被用于将波导管100内的电磁信号从可能干扰和降级信号传输的外部影响更好地隔离。例如，外部护套120可由被称为护套材料的介电材料形成，所述护套材料具有的介电常数值小于包覆材料的介电常数值。由于包覆材料具有的介电常数大于护套材料的介电常数，故电场集中在包覆构件102中，而不是在外部护套120中。因此，大部分的电场从外部护套120与外部环境之间的边界间隔开，在外部环境中外部影响(诸如人的触摸)可干扰沿着边界的场。护套材料具有的介电常数可大于、小于、或等于包覆构件102的芯部区域114内的芯部材料的介电常数。例如，护套材料可选地可以是与芯部材料相同的材料。

在图示的实施例中，外部护套120具有矩形的横截面形状。例如，外部护套120是具有两个相对的较长侧122和两个相对的较短侧124的长方形。较长侧122与包覆构件102的较长顶部和底部侧106、108对准，使得较长侧122平行于顶部和底部侧106、108。另外，较短侧124与包覆构件102的较短的左侧和右侧110、112对准，使得较短侧124平行于左侧和右侧110、112。虽然外部护套120阻碍外部护套120内的包覆构件102的观察，但是当将介电波导管100连接至相同或大体上类似的连接波导管时，操作者或机器可通过将波导管100的外部护套120与连接波导管的外部护套对准而将两个波导管对准。例如，护套可通过布置护套120的较长侧122与连接波导管的外部护套的对应的较长侧而对准，以提供跨过连接界面延伸的连续平面。护套的这样的对准还将波导管100内的包覆构件102与连接波导管的包覆对准。因此，介电波导管100内极化的电磁波容易地跨过界面被接收、并且进入连接波导管内、而不被反射回介电波导管100中。

在替代实施例中，外部护套120可具有圆形的或正方形的横截面形状来代替具有矩形的形状。为了将介电波导管100与连接波导管对准，在波导管100的一个或两个端部104处的护套120的区段可被剥离或以其他方式被移除以将矩形的包覆构件102露出。露出的包覆构件102可被用于将波导管100与连接波导管对准。可选地，在连接完成之后，介电胶带(tape)或类似物可围绕露出的包覆构件102施加以便于减少由外部影响所引起的干扰。

图5是根据另一替代实施例的介电波导管100的横截面视图。在图5中，芯部区域114由具有矩形的横截面形状的包覆构件102限定。在图示的实施例中，芯部区域114由固态的芯部构件118填充，但是在替代实施例中，芯部区域114可填充有空气。芯部构件118可由介电常数值小于包覆构件102的包覆材料的介电常数值的介电材料形成。如此，波导管100内的电场可主要地分布在包覆构件102内，而只有较少的场在芯部构件118内。例如，芯部构件118的芯部材料的介电常数可以小于3，并且包覆构件102的包覆材料的介电常数可以在3到7之间。可选地，图5中示出的波导管100的实施例可由外部护套包围，诸如图4中示出的外部护套120。虽然在图示的实施例中，芯部构件118具有带有直角的角部的矩形的横截面形状，但是在其他实施例中，芯部构件118可具有其他矩形的形状，诸如椭圆形、卵形、梯形、具有圆角的长方形等。

Claims

1.一种用于传播毫米波电磁信号的介电毫米波导管(100)，所述介电毫米波导管包括在两个端部(104)之间延伸一长度的包覆构件(102)，所述包覆构件由第一介电材料形成，所述包覆构件限定以所述包覆构件的长度延伸通过所述包覆构件且沿着包覆构件的中央区域定位的仅一个芯部区域(114)，所述芯部区域填充有第二介电材料，所述介电毫米波导管(100)还包括围绕所述包覆构件(102)的外部护套(120)，

其中所述第一介电材料的介电常数值大于所述第二介电材料的介电常数值，且所述外部护套由介电常数值小于所述第一介电材料的介电常数值的介电材料形成，

且其中，所述芯部区域具有圆形的横截面形状，所述包覆构件具有矩形的横截面形状，以将传播通过介电毫米波导管(100)的毫米波电磁信号在水平或竖直的极性上取向。

2.如权利要求1所述的介电毫米波导管，其中所述第二介电材料是空气。

3.如权利要求1所述的介电毫米波导管，其中所述第二介电材料是介电聚合物。

4.如权利要求1所述的介电毫米波导管，其中所述第一介电材料的介电常数值在3到7之间，并且所述第二介电材料的介电常数值小于3。

5.如权利要求1所述的介电毫米波导管，其中所述第一介电材料是介电聚合物。

6.如权利要求1所述的介电毫米波导管，其中所述包覆构件(102)的矩形的横截面形状包括平行于彼此的至少一对相对的平面侧(106、108和/或110、112)。