CN106463810A - 柔性、可弯曲且可扭转的太赫兹波导 - Google Patents

Abstract

柔性且可扭转的太赫兹波导组件具有柔性波导线缆，波导凸缘连接器在该柔性波导线缆端部。柔性波导线缆包括彼此连接的多个管体段的分段管体。管体包围电介质波导，该电介质波导借助线(细丝)保持在管体的中心。单独的段相对于彼此是可倾斜和/或可枢转的，允许弯曲和扭转波导线缆。

Description

柔性、可弯曲且可扭转的太赫兹波导

技术领域

本发明涉及可用于太赫兹频率范围内的波导，所述波导是柔性的并且可在某种程度上被弯曲和扭转多次。其基于电介质波导。

背景技术

为了在太赫兹范围内引导电磁波，在大多数情况下使用波导。这样的波导提供足够高的传输质量，但是它们具有不能被弯曲的刚性的结构。特别地当使用在测试设置中时，有时需要去适应信号输入输出的机械公差。在较低频率下，当可以使用像是同轴线缆的线缆时，装置之间的线缆布线非常简单，因为线缆是柔性的并且可适应于各种需要。此外，可以使用铰接线。这些相对昂贵。

德国专利DE 32 34 699 C2公开了由波纹管体制成的用于毫米波的柔性波导。该管体可以至少以大的半径和小的角度弯曲。使该管体适应可包括亚毫米波长的太赫兹范围中的频率会使得管体极其昂贵且易碎。

德国公布DE 32 44 746 Al公开了使用电介质波导的用于毫米波的柔性波导。这里，电介质波导具有波纹外轮廓以增大柔性。这样的波导甚至可以以相对小的半径弯曲。缺点是它具有相对高的损耗并且以相对高的水平辐射。

另一个电介质波导解决方案公开在德国公布DE 21 15 380中。该电介质波导在其末端处和其长度上由杆(post)支撑。该电介质波导可被弯曲，但是它需要相对复杂的支撑手段并且必须与任何其它物体保持距离。

欧洲专利EP 0 304 141 B1公开了内建进线缆中的电介质波导。该线缆可以被弯曲以及像线缆一样以其它方式操作。缺点是它的具有围绕电介质芯体的多个层的相对复杂的结构。这些附加的层引起更高频率下不期望的损耗。由于其复杂结构该电介质波导相对昂贵。

另一基于电介质波导的线缆公开在美国专利US 6,573,813 B1中。该线缆也非常复杂和昂贵。

具有电介质内导体和金属化的外导体的同轴波导线缆公开在EP 2 363 913 Al中。内导体由包括从中心轴环(collar)向外辐射的多个臂的环形盘或底座垫片(bayspacer)支撑。

CN 102478410 A公开了光纤传感器。光纤传感器被保持在管体中，当管体变形时光纤被弯曲或延伸。因此管体的变形改变了光纤的衰减。

US 5,215,338 A公开了用于线缆的柔性支撑护套、软管等。它具有内孔，包括外绝缘材料的完整的线缆通过该内孔送入。

GB 489 007 A公开了具有用于保持中心导体的螺旋支撑结构的同轴线缆。

US 3,365,534公开了具有由电介质绞线保持的内导体的同轴线缆。

EP 0 318 198 Al公开了电介质线缆，该电介质线缆具有由覆层包围的芯体。

发明内容

要由本发明解决的问题是以相对低的成本提供用于RF信号的波导，所述波导可用于千兆赫兹或太赫兹频率范围内，且所述波导是柔性的并且因此优选地是可弯曲和可扭转的。操作应与线缆是可比的。

在独立权利要求中描述了问题的解决方案。从属权利要求涉及本发明的进一步改进。

此处，太赫兹频率范围被认为是从0.1THz到10THz的频率范围。尽管这是用于本发明的优选的频率范围，显然本发明也会以更高和/或更低的频率工作。

在优选的实施例中，柔性波导组件包括柔性波导线缆和至少一个波导凸缘连接器。优选地，柔性波导线缆具有两个末端，第一波导凸缘连接器在其第一末端处，第二波导凸缘连接器在其第二末端处。可能有像是同轴连接器的其它连接器在柔性波导线缆的末端处。也可能有不同类型的连接器在柔性波导线缆的不同末端处。

柔性波导线缆至少包括被包含和/或包围在管体内的电介质波导芯体。一般地，管体可以是外套膜。优选地，管体包括形成分段管体的多个管体段。通过参考这样的分段管体公开进一步的实施例作为最优选的实施例，尽管显然可以使用任何其它种类的管体。优选地，相邻管体段之间的至少一个连接是可倾斜的和/或可枢转的。进一步优选的是电介质波导芯体被线(threads)、丝(filaments)或绳(strings)(此处称作线)保持在管体内，并且最优选地是保持在管体段内。不像是同轴系统，分段管体没有主波传输(primary wavetransmission)功能。它只用作电介质波导芯体的机械支撑和机械保护。

RF信号的传输通过电介质波导芯体单独地执行。波导优选地不同于引导TEM波的同轴线缆或者用于引导TE或TM波的金属波导。代替的，优选的是电介质波导芯体传送具有所有六个场分量的杂波。

在紧靠电介质波导芯体处可能有近场。电介质波导芯体优选地包括具有高于空气的介电系数的电介质材料。最优选地，电介质波导芯体包括具有低介电损耗的材料。进一步优选的是，电介质波导芯体的材料是相对同质的，以减少损耗、反射和辐射。最优选地，电介质波导芯体包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)或高密度聚乙烯(HDPE)中的至少之一。电介质波导芯体可具有不同的截面。优选地它具有矩形、椭圆或圆形截面。波导芯体的尺寸优选地适应于RF信号的频率，所述RF信号的频率可以在从千兆赫兹到太赫兹的范围。用于RF信号的电介质波导不同于具有围绕芯体的附加的覆层的光纤。其进一步的在使用的传输模式上不同。

如果像是金属部分的导电体或者甚至另一电介质波导芯体紧密靠近电介质波导芯体，则电介质波导芯体可能辐射或者呈现更高的衰减。两电介质波导芯体的紧密接近还会导致交叉耦合。这些不利影响随着电介质波导芯体的弯曲或扭转增加。因此，分段管体的另一目的是，至少保持在电介质波导芯体和其它元件之间的最小距离。优选的是，分段管体以及最优选地单独的管体段包括隔离材料。优选地，分段管体和最优选地管体段包括塑料材料。进一步优选的是，塑料材料自身是损耗材料，维护(assert)电介质波导芯体的任何辐射信号的介电损耗。可替换地，管体段可包括有这样的介电损耗材料或可被介电损耗材料覆盖(像是涂布或涂覆)。这样的介电损耗材料可以是碳。在另一实施例中，至少一个管体段包括导电材料和/或金属。这样的管体段可由黄铜制成或可具有带金属涂覆的塑料体。这样金属化的或金属的管体段和其组成的管体可具有一些屏蔽效果，但是不参与传导电磁波或RF信号。

本发明解决的另一问题是要保持电介质波导芯体在分段管体内。测试已经示出，保持电介质波导芯体精确地在分段管体的中心处不是必要的。代替的，保持电介质波导芯体近似地在中心处就足够了。因此，在弯曲或扭转分段管体期间，电介质波导芯体稍微改变其位置是可接受的。这对于电介质波导芯体的传输特性没有显著影响。在有多个电介质波导芯体在共同的管体的实施例中，电介质波导芯体应被布置为保持彼此间和到管体壁的最大距离。另一方面，理想的是，以到导电介质波导芯体的最小接触将电介质波导芯体保持在分段管体内。保持手段应具有与电介质波导芯体的最小接触表面。这个问题通过由线(丝)保持电介质波导芯体来解决。优选地，线是细且柔性的构件，其能主要地承受拉力。线可具有显著地小于如从现有技术可知的钉、臂或盘的截面，并因此使得更少的电介质材料靠近电介质波导芯体。优选地，这些线在与管体的中心轴近似地呈直角的平面中横贯分段管体。优选地，线是可以是像是尼龙的材料的塑料材料，并且具有与电介质波导芯体的厚度相比较小的直径。优选地，线具有圆形截面，这允许将线与正与线接触的电介质波导芯体之间的接触面积最小化。最优选地，有至少两条线在与电介质波导芯体的中心轴呈直角的近似同一平面中，优选地在线之间形成90度角。优选的是，线形成交叉，交叉的轴接近分段管体中心轴。优选地，电介质波导芯体被保持在管体的中心。

在实施例中，可以有两对线形成电介质波导芯体适合的间隙用于保持电介质波导芯体。在可替换的实施例中，电介质波导芯体可迂回通过多对细线的交叉点，这些交叉点在分段管体的中心轴方向上被分隔开。

在另一实施例中，可有薄的保持板或膜近似地与分段管体的中心轴呈直角。它们优选地包括电介质材料。

分段管体允许引导和保护电介质波导芯体。由于段是相对于彼此可倾斜的且可枢转的，管体可以被弯曲和/或扭转。优选地，至少一个管体段具有弧形外接口部分以接合另一管体段的弧形内接口部分。最优选地，至少一个管体段具有弧形外接口部分和弧形内接口部分。这些部分可通过连接部分连接。第一管体段通过第一管体段的弧形外接口部分保持到第二管体段，与第二管体段的弧形内接口部分重叠。优选的是，弧形外接口部分和弧形内接口部分具有彼此适合的球面段形状。为了组装管体段，优选地在第一管体段的弧形外接口部分在第二管体段的弧形内接口部分上方的情况下推和/或卡接第一管体段。为限制倾斜和枢转的程度，可设置凹陷和突起。优选地，在弧形内接口部分的外侧有外突起，外突起优选地形成突起缘。这可与设置在弧形外接口部分的内侧的内突起接合。倾斜仅对第一管体段的外突起与第二管体段的内突起接触的角度是可能的。为了限制枢转的程度，可在弧形外接口部分的内侧处设置第二内突起，并且可在管体段的弧形内接口部分处设置外凹陷。外凹陷与第二内突起接合。第二内突起具有等于或小于外凹陷的宽度的宽度。如果宽度近似地相同，则枢转是不可能的。与第二内突起相比外凹陷越大，枢转的程度越大。一般地，可使用凹陷代替突起，而使用突起代替凹陷。此外优选的是，至少一个管体段具有至少一个用于保持电介质波导芯体的手段。优选地，这意味着包括至少一个第一线和第二线。进一步优选的是，第一线和第二系线被布置成近似地呈直角以形成具有接近分段管体的中心部分的交叉点的交叉。电介质波导芯体可被这些线保持成接近分段管体的中心。

在优选实施例中，分段管体的至少一个末端(优选地两个末端都)被连接到波导凸缘连接器。这样的波导凸缘连接器优选地包括第一管体适配器，该适配器优选地调整成适合于管体段。附加到管体适配器优选地是至少一个用于接合电介质波导芯体的接口部件。进一步优选的是，这些接口部件还提供电介质波导芯体的机械固定，使得如果例如柔性波导线缆被弯曲成小半径，电介质波导芯体也不能被拉出接口部件。此外，接口部件可使电介质波导芯体适应于中空(hollow)的金属波导。这可以通过电介质波导芯体的锥形末端完成。

附图说明

以下将通过示例的方式描述本发明，而没有对总体的发明构思的限制，基于参照附图的实施例的示例。

图1示出了柔性波导组件。

图2示出了呈直的形式的柔性波导组件。

图3示出了柔性波导组件的截面视图。

图4示出了耦接在一起的一些管体段。

图5示出了与分段管体的中心轴成直角的视图。

图6示出了分段管体的透视图。

图7示出了管体段的第一视图。

图8示出了管体段的第二视图。

图9示出了管体段的截面视图。

图10示出了倾斜的管体段。

图11a到11d示出了保持线的第一实施例。

图12a和12b示出了通过交叉的线的另一种支撑。

图13a和123b示出了具有不相交线的另一实施例。

图14示出了三条线。

图15示出了图13a、13b的组合。

图16更详细地示出了波导凸缘连接器。

具体实施方式

在图1中，示出柔性波导组件10。它包括柔性波导线缆11，第一波导凸缘连接器12在该柔性波导线缆11的第一末端处，第二波导凸缘连接器13在其第二末端处。在示出的实施例中，柔性波导组件被弯曲成环并且被扭转。

在图2中，图1的柔性波导组件10以未被弯曲和扭转的直的形式示出。此处的组件具有与图1中的实施例数量不同的管体段。由于柔性设计，可选择任何数量的管体段带来宽范围的长度。

在图3中，示出了图2的波导组件的截面视图。在组件10的中心，有电介质波导芯体40通过逼近通过电介质波导芯体的长度的轴来定义电介质波导芯体轴。柔性波导线缆11包括多个管体段20a到20p。如果这些以直的形式对齐，它们形成具有分段管体中心轴的分段管体。分段管体的左末端连接到包括第一管体适配器34的第一波导凸缘连接器12，该第一管体适配器34优选地被调整成适合于管体段的弧形内接口部分。在分段管体的右侧是包括第二管体适配器36的第二波导凸缘连接器13，该第二管体适配器36优选地被调整成适合于管体段的弧形外接口部分。附接到这些第一和第二管体适配器的优选地是用于接合电介质波导芯体的接口部件33、34。进一步优选的是，这些接口部件还提供电介质波导芯体的机械固定，使得例如如果柔性波导线缆被弯曲成小半径，电介质波导芯体也不能被拉出接口部件。此外，接口部件可使电介质波导芯体适应于中空的金属波导。这可以通过电介质波导芯体的锥形末端完成。连接到接口部件可通过任何连接手段，像是与波导凸缘31组合的中空金属波导32。

在图4中，示出了一些耦接在一起的管体段20。有附接到管体段的第二线44和第一线(这个截面视图中未示出)用于保持电介质波导芯体40。由于这个特定的布置，电介质波导芯体可被轻微地弯曲。管体段可通过将弧形外接口部分卡接在另一管体段的弧形内接口部分上来连接到彼此。这可带来形式适合。尽管这个实施例示出了具有一个弧形外接口和一个弧形内接口的管体段，本发明用具有两个弧形外接口或两个弧形内接口的管体段也会工作，只要一个弧形内接口和一个弧形外接口被连接。此外，在这幅图中，标示了第一波导位置48和第二波导位置49。沿着图中管体轴从左向右看，第一位置48可在由第一管体段中的交叉线形成的左上象限中，而第二位置49在由第二管体段中的交叉线形成的右下象限中。在本实施例中，线不在管体段的末端处，而是在球面形的弧形外接口部分的中心处。在可替换的实施例中，线可在管体段的任何位置。

在图5中，示出了与管体段的中心轴成直角的视图。这里，可看到保持电介质波导芯体40接近分段管体中心的第一线41和第二线42。

在图6中，示出了分段管体的透视图。这里，可以看到多个第一线41和第二系线42。进一步可看到，电介质波导芯体40如何迂回通过第一和第二线对的序列。

在图7中，示出了管体段的第一视图。管体段具有弧形外接口部分21、连接部分22以及弧形内接口部分23。优选的是，弧形内接口部分23具有形成围绕弧形内接口部分23的突起缘的外突起24。在这个突起24中，可以有像是槽口25的外凹陷。此外，可看到具有交叉的形状并且交叉成近似90度的角度的第一线41和第二系线42。

在图8中，来自之前的图7的视图的相对侧的管体段的第二视图。这里，可以看到弧形外接口部分21内的内突起26。进一步有用于接合外凹陷25以限制相邻管体段的枢转或旋转的第二内突起27。内突起26可与外突起24接合并限制相邻管体段之间的倾斜角度。

图9示出了由之前的图示出的管体段的截面视图。

在图10中，示出了倾斜的管体段。这里，例如管体段20c相对于管体段20b倾斜。显然的是，不仅仅是本示例中示出的段可以被倾斜。所有其它段也可以被倾斜以获得弧形的波导线缆。此外，管体段可以被枢转(绕小角度旋转)，例如由箭头29标示的，围绕管体段的中心轴的枢转移动。为获得更大角度，优选地多个管体段是可枢转的，最优选地所有管体段都是可枢转的。这允许线缆的扭转。扭转是重要的特征，特别是在柔性波导组件具有波导连接器的情况下，因为这些波导连接器只能以某个枢转角度被安装。不同的枢转角度必须由可扭转的、柔性的波导线缆补偿。

在以下附图中，示出了保持线的实施例。此处术语线用于像是包括电介质和非导电材料的结构的丝。线可通过管体段主体中的洞保持。在可替换的实施例中，线可以被铸造或成型。例如，可以有被插入管体段的第一线41和第二线42的铸造的交叉。此外，至少线之一可与管体段一体铸造。

在图11a到11d中，示出了保持线的第一实施例。圆圈示意性地标示了沿着管体的中心轴的视图，类似于图5中示出的视图。优选地。每个圆圈都示出了具有其线布置的管体段。显然，多个线可被附接到相同的管体段，这例如可使得两个或更多如下所示的这些圆圈要在相同的管体段内被实现。可替换地，可以有线在每个第二、第三或更大编号的管体段内。根据图11a，有具有线42(在这个视图中可以是竖直的)的第一管体段引导电介质波导芯体至其右。如图11b中所示，接下来的管体段可具有优选地与之前的线成直角的线41，在这个实施例中线41将电介质波导芯体40支撑在其顶部上。如图11c中所示，第三管体段可再次具有竖直线42，此时将电介质波导芯体40支撑在其左侧。最后，有另一水平线41如图11d中所示，该线41将电介质波导芯体40支撑在其底部。显然，线的取向与管体的取向相关。这意味着如果管体被旋转，线的取向随着管体旋转。通过线保持电介质波导芯体的基本概念是通过由线可替换地将电介质波导芯体支撑在其不同侧上。如果电介质波导芯体具有一定硬度，这工作良好，其中如果电介质波导芯体由例如HDPE制成就会具有一定硬度。这种支撑允许管体内电介质波导芯体的非常简单的安装。由于低数量的接触和电介质波导芯体与线之间的低接触面积，这对信号传输几乎没有影响。最后，在管体被倾斜和/或枢转时，电介质波导芯体在一定程度上可移动以跟随这个移动。在这幅图中示出的实施例中，可使用两个不同种类的管体段，一个具有水平线而另一个具有垂直线。可替换地，管体段可被安装成旋转约90度。

在图12a和12b中，示出了类似于之前的附图但是现在使用交叉的线的另一种支撑。在图12a中，有优选地具有交叉点的两条线41和42。如图12a中所示，电介质波导芯体40被支撑在交叉点的一侧，在本示例中是右上侧。根据图12b，接下来的管体部分具有线41、42的交叉点，该交叉点将电介质波导芯体40支撑在其相对侧，在本示例中是左下侧。与之前的图中示出的实施例相反的是，这个实施例对每个段使用相同类型的线，并且带来更刚性的电介质波导芯体支撑。在本实施例中，线在管体段的中心处交叉。在另一实施例中，线的交叉从管体的中心偏移，使得电介质波导芯体被保持在管体段的中心处。

在图13a中，在近似地竖直的方向上的两个近似地平行且非交叉的线41、42保持电介质波导芯体40在水平方向上。电介质波导芯体可在竖直方向上稍微地滑动。为将它保持在竖直方向上，根据图13b，设置两个进一步近似地平行且非交叉的线41、42。

在图14中，示出由管体段以约120度角度差保持的三条线41、42、43。在可替换的实施例中，可以有由管体段以约90度角度差保持的四条线。

在图15中，通过使用第一线41、第二线42、第三线43和第四线44，在单个的管体段内示出了图13a和13b的组合。这带来了电介质波导芯体40的非常牢固的支撑。

在图16中，更详细地示出了波导凸缘连接器。接口部件33、34形成一斜坡，用于与左边的中空金属波导连续阻抗匹配，通过凸缘31连接至电介质波导芯体40。此外，电介质波导芯体在其末端38是锥形的。

附图标记列表

10 柔性波导组件

11 柔性波导线缆

12 第一波导凸缘连接器

13 第二波导凸缘连接器

14 分段管体

20a-p 管体段

21 弧形外接口部分

22 连接部分

23 弧形内接口部分

24 外突起

25 外凹陷

26 内突起

27 第二内突起

29 枢转方向

31 波导凸缘

32 中空金属波导

33、34 接口部件

35 第一管体适配器

36 第二管体适配器

37 斜坡

38 电介质波导芯体的锥形末端

40 电介质波导芯体

41 第一线

42 第二线

43 第三线

44 第四线

48 第一电介质波导位置

49 第二电介质波导位置

Claims (13)

1.用于千兆赫兹或太赫兹频率范围的柔性波导线缆(11)，所述柔性波导线缆(11)包括包围电介质波导芯体(40)的管体(14)，其特征在于，

所述电介质波导芯体(40)借助由电介质材料制成的线(41、42)被保持在所述管体(14)内，所述管体(14)是包括多个彼此连接的管体段(20a-20p)的分段管体，其中分段管体(14)没有主波传输功能，只用作所述电介质波导芯体(40)的机械支撑和机械保护，并且信号传输由所述电介质波导芯体(40)执行。

2.用于千兆赫兹或太赫兹频率范围的柔性波导线缆(11)，所述柔性波导线缆(11)包括包围电介质波导芯体(40)的管体(14)，其特征在于，

所述管体(14)是包括多个彼此连接的管体段(20a-20p)的分段管体，其中分段管体(14)没有主波传输功能，只用作所述电介质波导芯体(40)的机械支撑和机械保护，并且信号传输由所述电介质波导芯体(40)执行。

3.根据权利要求2所述的柔性波导线缆(11)，其特征在于，

所述电介质波导芯体(40)借助由电介质材料制成的薄的保持板或线(41、42)被保持在所述管体(14)内。

4.根据权利要求1或2所述的柔性波导线缆(11)，其特征在于，

至少一个管体段(20a-20p)包括用于连接另一管体段(20a-20p)的弧形内接口部分(23)的弧形外接口部分(21)。

5.根据权利要求4所述的柔性波导线缆(11)，其特征在于，

至少一个弧形外接口部分(21)或至少一个弧形内接口部分(23)具有球面段的形状。

6.根据权利要求4或5所述的柔性波导线缆(11)，其特征在于，

外突起(24)被设置在弧形内接口部分(23)的外侧，接合设置在弧形外接口部分(21)的内侧的内突起(26)用于限制倾斜的程度。

7.根据权利要求4、5或6所述的柔性波导线缆(11)，其特征在于，

第二内突起(27)可设置在所述弧形外接口部分(21)的内侧并且外凹陷(25)可设置于弧形内接口部分(23)用于限制枢转的程度。

8.根据权利要求1、2或4到7所述的柔性波导线缆(11)，其特征在于，

至少一个用于支撑所述电介质波导芯体(40)的线(41、42)被成型进管体段内。

9.根据权利要求1、2或4到8所述的柔性波导线缆(11)，其特征在于，

至少两条线(41、42)在接近所述管体(14)的中心处交叉，为所述电介质波导芯体(40)提供支撑。

10.根据权利要求8所述的柔性波导线缆(11)，其特征在于，

所述电介质波导芯体(40)迂回通过邻近的管体段的线。

11.根据之前的权利要求中的任意一项所述的柔性波导线缆(11)，其特征在于，

至少一个管体段(20a-20p)包括介电损耗材料或者被介电损耗材料覆盖，像是被介电损耗材料涂布或涂覆。

12.根据权利要求1到10中的任意一项所述的柔性波导线缆(11)，其特征在于，

至少一个管体段(20a-20p)包括导电材料和/或金属，和/或由导电材料和/或金属覆盖。

13.柔性波导组件(10)，包括根据之前的权利要求中的任意一项所述的柔性波导线缆(11)，具有第一末端和第二末端，其中第一波导连接器在所述第一末端而第二波导连接器在所述第二末端。