CN108780938B - 用于传输毫米波信号的低损耗电介质波导和包括其的电缆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于传输毫米波信号的电介质波导和包括该电介质波导的电缆，所述电介质波导包括：内芯，其具有电介质媒介，适于通过沿着所述电介质波导携载电磁场来传输毫米波信号，所述电介质媒介包括电介质材料，所述电介质材料具有的介电性质适于将传播的电磁场限制在所述内芯，同时在毫米波频率范围中的信号频率下增加低传输损耗。所述电介质媒介可以设置为实心电介质材料的芯、沿着所述内芯的长度延伸的光纤的一个或多个线束，或设置为填充所述内芯的体积的电介质材料的颗粒。所述电介质材料可以是石英或氧化铝。

Description

用于传输毫米波信号的低损耗电介质波导和包括其的电缆

技术领域

本发明涉及用于毫米波通信链路的电介质波导，更特别地，涉及电介质波导，其具有向在毫米波频率下操作的通信链路增加低传输损耗的介电性质。

背景技术

基于光纤的通信链路已越来越多地用作用于高速数据传输的全电线链路的替代，例如在200nm至2000nm范围内的传输信号波长下。鉴于对增加(数据速率)带宽的持续需求，电线链路长度受到传输损耗的限制，而光链路是可行的并且广泛用于长链路长度。另一方面，由于与非硅半导体技术、光纤对准和表面精度相关的成本，常规的光链路解决方案随着链路长度的减小而变得不那么吸引人。

电介质波导/光纤已被证明可用于以低损耗传输毫米波信号，并且是使用85GHz和140GHz附近的载波频率的新通信系统的有希望的候选者。然而，由于在高频范围内工作的集成电路的发射功率受到限制，并且相应的接收器需要最小信号输入功率电平，因此需要具有非常低衰减水平的波导以便获得足够的链路长度。在由纯电介质材料组成并且不包含金属部件的电介质波导中，行波的电磁场分布细分为在电介质芯内传播的部分和在光纤周围的媒介内传播的部分，该媒介通常是空气。然而，由于大多数可用电介质材料的介电损耗正切tanδ，这些电介质波导向通信链路增加了过高的传输损耗。

研究表明，具有极低传输损耗的常规电介质波导主要在周围空气中引导传播场。由于这个原因，为了沿着光纤的长度获得较低的损耗，通常将常规的电介质光纤配置为确保电磁场的显著部分在光纤周围的媒介中传播。然而，这种常规配置的缺点在于，由于在围绕光纤的媒介中传播的电磁场与外部实体(例如触碰电介质波导的手指或手)之间的相互作用，传输信号变差，甚至可能被中断。例如，已经表明，利用基于常规聚合物材料的电介质波导，可以实现120Ghz下的超过1米的12.7Gbps链路。然而，如果用户触碰光纤，则可能中断沿光纤的信号传输。

专利申请公开No.US2014/0368301A1描述了在电介质光纤的芯和包层周围添加金属屏蔽作为用于减少传输信号和外部物体之间的电磁干扰的手段。然而，包括金属屏蔽(例如铜或铝屏蔽)的电介质波导相当昂贵。此外，集成聚合物和金属材料的波导的制造工艺比仅由聚合物材料制成的波导更复杂和耗时。另外，由于可用的电介质波导配置为使得大部分传播的电磁场在电介质芯周围的媒介(空气/泡沫)内行进，这种波导具有相当大的截面，这可能对它们在需要紧凑设计的应用中的使用造成限制。

因此，仍然需要用于传输毫米波信号的电介质波导解决方案，其将低传输损耗添加到通信链路并且能够沿着电介质波导保持信号完整性，并且可以以简单且成本有效的方式产生，同时具有比现有技术更小的直径。

发明内容

本发明是鉴于现有技术的缺点和不足而作出的，其目的是提供一种用于毫米波信号传输的电介质波导，其增加低传输损耗并沿通信链路保持信号完整性，同时比具有金属部件的波导配置具有更低的生产成本，本发明还提供一种包括该电介质波导的低损耗电缆。

该目的通过所附的独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是所附的从属权利要求的主题。

本发明提供一种用于传输毫米波信号的电介质波导，包括：内芯，其包括电介质媒介，适于通过沿着所述电介质波导携载电磁场来传输毫米波信号，其中所述电介质媒介包括电介质材料，所述电介质材料具有的介电性质适于将传播的电磁场限制在所述内芯，同时在毫米波频率范围中的信号频率下增加低传输损耗。

在进一步的改进中，所述电介质媒介的特征在于在所述毫米波频率范围中的信号频率下的高于3.0的介电常数和低于0.001的损耗正切。

在进一步的改进中，所述毫米波频率范围包括50GHz至300GHz的范围中的频率。

在进一步的改进中，所述电介质波导还包括围绕所述内芯的包层，所述包层适于在所述毫米波频率范围中的频率下将所述电磁场进一步限定到所述内芯。

在进一步的改进中，所述包层直接邻接所述内芯，且由非金属材料制成。

在进一步的改进中，所述包层由聚合物材料制成，所述聚合物材料在所述毫米波频率范围中的频率下具有低于0.001的损耗正切。

在进一步的改进中，所述电介质材料包括石英和/或氧化铝，所述石英的介电常数高于3.0且损耗正切低于0.0001。

根据进一步的改进，所述电介质媒介是所述电介质材料的实心体。

根据进一步的改进，所述电介质媒介包括所述电介质材料的粉末和/或颗粒，其填充所述内芯的体积。

根据进一步的改进，所述电介质媒介包括由所述电介质材料制成的多个光纤的一个或多个线束。

根据进一步的改进，至少一个线束的多个光纤中的每一个沿着所述内芯延伸。

根据进一步的改进，至少一个线束的多个光纤形成纱线，所述纱线沿着所述内芯延伸，所述纱线中的每个光纤的长度短于所述内芯的长度。

根据进一步的改进，在所述毫米波频率范围中的信号频率下，传播的电磁场的小于3％由所述电介质波导周围的媒介携载。

所述周围的媒介可以是空气。

本发明还提供了一种用于在毫米波频率下传输信号的电缆，其包括本发明的电介质波导。

附图并入说明书中并形成说明书的一部分以说明本发明的若干实施例。这些附图与描述一起用于解释本发明的原理。这些附图仅仅是为了说明如何制造和使用本发明的优选和替代示例的目的，而不应被解释为将本发明限制为仅示出和描述的实施例。此外，实施例的几个方面可以单独地或以不同的组合以形成根据本发明的解决方案。因此可以将以下描述的实施例单独考虑或以其任意组合考虑。

附图说明

从以下对本发明的各种实施例的更具体的描述中，进一步的特征和优点将变得显而易见，如附图中所示，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：

图1是根据本发明的实施例的电介质波导的示意图；

图2是根据本发明的另一实施例的电介质波导的示意图；以及

图3是根据本发明的另一实施例的电介质波导的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

现在将参考图1描述用于传输毫米波信号的电介质波导100。电介质波导100包括沿着电介质波导长度L延伸的内芯110，并且包括电介质媒介120，其用于通过携载与毫米波信号相关联的电磁场而沿电介质波导100传输毫米波信号。电介质媒介120包括或由电介质材料制成，该电介质材料的介电性质选择为使得将传播的电磁场限制在内芯110，同时在毫米波频率范围(例如，在50Ghz至300GHz的频率范围内)中的信号频率下引入低传输损耗。

为了实现低传输损耗和低衰减性质，选择电介质媒介120的电介质材料，使得其在毫米波频率范围中的信号频率下具有高于3.0的介电常数ε_r和低于0.001的损耗正切tanδ。对电介质媒介120使用具有高介电常数值(ε_r>3.0)的电介质材料导致电磁场的显著部分被限制在电介质媒介120内，而只有场的减小部分在内芯110周围的媒介中传播。结果，沿着电介质波导100的信号传播对于与周围物体的触碰或电磁耦合相对不敏感，同时沿波导100增加低传输损耗。例如，为电介质媒介120选择的电介质材料可以是石英，其可以在毫米波频率下具有高于4.0的介电常数ε_r和低于0.0001的损耗正切tanδ。在50GHz至300GHz的考虑的频率范围内，石英的介电常数的公布值在3.5和4.3之间变化，这取决于材料纯度。可用于内芯110的电介质媒介120的低损耗、低衰减电介质材料的另一个示例是氧化铝。氧化铝可以在约100GHz的频率下具有约9.0的高介电常数ε_r和小于0.0007的低损耗正切tanδ(取决于纯度)。

虽然电介质媒介120的介电性质足以在毫米波频率下提供所需的低传输损耗和对周围环境的低敏感度，但电介质波导100还可以包括围绕内芯110设置的包层130，以进一步将传播的电磁场限制在内芯110。如图1所示，包层130可以直接邻近电介质媒介120设置并围绕电介质媒介120，以增强由高介电、低损耗内芯110提供的波限制的效果。包层130可以设置为单层电介质材料，如图1所示。然而，包层130也可以实施为包括多个电介质层的多层结构，所述电介质层具有从电介质波导100的中心向外减小的相应的介电常数。包层130优选地由(多种)非金属材料制成，以避免在电介质波导100的组分中使用金属。特别地，包层130优选地由(多种)电介质材料制成，例如聚合物材料，其介电常数低于电介质媒介120的介电常数。为包层130选择的材料还可以具有低正切损耗(tanδ)，其值与电介质媒介120的正切损耗相当，以便最小化由包层130本身引入的传输损耗。然而，由于电介质媒介120的介电性质，电磁场在内芯110外部传播的部分已经减少，包层130不应在毫米波频率下引入显著的传输损耗。例如，对于其中电介质波导100具有石英的内芯110和由聚四氟乙烯(PTFE)制成的包层130(其在10GHz下具有的介电常数ε_r和损耗正切tanδ分别为约2.1和0.00015)的配置，可以实现非常低的衰减(<2dB/m)。用于包层130的另一种合适材料是PTFE和聚乙烯(PE)的组合。

对于设计为用于140GHz的载波频率的电介质波导100，其具有石英(2×1.5mm²)的内芯110和基于PTFE的圆形包层130(外径d＝4mm)，并使用空气作为周围的媒介，其信号衰减的模拟结果表明，在不使用金属屏蔽的情况下，在周围的媒介(空气)中携载少于3％的传播电磁场。与之相比，对于常规电介质波导光纤，其具有低密度聚乙烯(LPDE)的芯和聚丙烯(PP)的包层，介电常数ε_r分别约为2.4和2.15，由其获得的模拟结构表明，对于约0.48mm的外半径的光纤和具有0.4mm×0.2mm的矩形截面的芯，在140GHz下可以实现约3.8dB/m的传输损耗。然而，在这种情况下，每米的低传输损耗是由于显著部分场分量在光纤周围的空气中传播，导致传输波对触碰高度敏感和/或通过与周围部件的耦合而被强烈影响。

在图1中所示的电介质波导100的配置中，电介质媒介120被提供为高介电常数、低损耗电介质材料(例如氧化铝或石英)的实心芯。然而，由于这些材料的实心形式的刚度，电介质波导100相当刚硬并且难以弯曲。

图2和图3示出了与具有上述实心芯110的电介质波导100相比具有改进的柔性的低损耗电介质波导的替代配置。

参照图2，电介质波导200包括内芯210，其中用于携载与传输信号相关联的电磁场的电介质媒介220包括由高介电常数、低损耗电介质材料制成的多个光纤225。每个单个光纤225可以由与用于上述内芯110的实心电介质媒介120相同的(多种)电介质材料制成，例如石英或氧化铝，以提供类似于实心芯110的介电性质。然而，由于每个单个光纤225的截面较小，与较大直径的实心芯相比，它们的柔性增加，从而提供柔性电介质媒介220。光纤225优选地以线束的形式布置并且以足够的数量提供，以便提供具有大约几毫米的截面的电介质媒介220，其适用于大多数毫米波信号应用。由于毫米波信号的波长相对较大，使用光纤线束作为电介质媒介220来替代实心芯110，不会显著影响波信号沿电介质波导200的传播。

如图2所示，线束的每个单个光纤225可以在电介质波导200的全部长度L上连续延伸。另外，单个光纤225可以布置成基本上彼此平行地行进，以便提供紧凑的布置并避免单个光纤细丝的断裂。

光纤线束中的断丝是光链路中使用的光波导的关键问题，因为它们导致光耦合离开光波导。在毫米波频率下，由于传输信号的波长较大，沿光纤线束长度的细丝不连续性并不重要。因此，可以实现低损耗电介质波导200的替代配置，其中内芯的电介质媒介包括由具有上述高介电常数和低正切损耗的相同电介质材料制成的较短光纤一个或多个的线束，但是其中较短的光纤不具有电介质波导的全部长度L。为了改善较短光纤的线束的介电性质，可以将它们旋转以形成纱线或缝线，如在纺织纱线中。这使得可以将较短的细丝收束到所需直径的柔性纱线，并为电介质波导200的内芯提供柔性的电介质媒介。

尽管图2中所示的电介质波导200的内芯210具有近似矩形的形状的截面，但是形成内芯的电介质媒介的光纤225或短细丝可以布置为具有另一种形状横截面的线束，例如正方形、圆形或椭圆形。

另外，类似于参照图1描述的波导配置，可以通过施加围绕内芯210的包层230来进一步处理柔性芯210。优选地，包层230直接邻近柔性芯210布置，并且可以由(多种)非金属材料制成，类似于上述包层130。

现在将参考图3描述用于实现用于传输毫米波信号的柔性低衰减低损耗电介质波导300的替代配置。在所示的配置中，电介质波导300包括内芯310，其中用于携载传播波的电介质媒介320由高介电常数和低损耗正切的粉末和/或颗粒制成，即，ε_r>3.0且tanδ<0.001，其填充内芯310的体积。例如，电介质媒介320可以是石英粉末或氧化铝颗粒的芯。电介质媒介320的有效介电常数和损耗正切可以低于由相同电介质材料制成的实心芯，这是因为颗粒状电介质媒介320的一部分填充有另一种媒介，例如空气，其具有ε_r＝1.0和tanδ＝0.0。然而，通过使用以高介电常数为特征的(多种)电介质材料的粉末，例如氧化铝或石英，仍然可以实现高于3.0的有效介电常数ε_r和低传输损耗。例如，在氧化铝的内芯的情况下，可以预期有效介电常数ε_r从实心芯具有的约9.0降低到颗粒芯的约4.0-5.0。因此，与具有相同实心电介质材料的芯的电介质波导相比，可以实现在毫米波信号频率下具有低损耗性质并且具有改进的柔性的电介质波导。

与前面的实施例类似，电介质波导300还可以包括围绕内芯310的包层330，以便进一步减少传播场与外部实体的相互作用。如上所述，包层330可以直接与内芯310邻接，并且优选地由非金属材料制成，例如，聚合物材料，其包括PTFE、PE或本领域已知的其他聚合物。

可以在上述电介质波导的内芯和包层周围提供护套(未示出)。

因此，由于毫米波信号的波长相对较大，与相同的高介电、低损耗电介质材料的实心芯相比，波传播不会受到以下事实的显著影响，内芯的载波媒介实现为具有总波导长度的单个光纤线束、较短光纤细丝的纱线和/或粉末/颗粒。此外，由粉末材料和/或直径小于纯实心材料的芯的光纤的线束制成的芯的增强的柔性，使得可以显著改善电介质波导的弯曲性能而不损害与上面讨论的高介电、低损耗电介质材料相关的低损耗特性。

另外，根据上述任何配置的一个或多个的电介质可以集成在单个电缆中，从而提供用于高速通信的低损耗电缆。

附图标记列表

100 电介质波导

110 内芯

120 电介质媒介

130 包层

200 电介质波导

210 内芯

220 电介质媒介

225 多个光纤

230 包层

300 电介质波导

310 内芯

320 电介质媒介

330 包层

L 电介质波导的长度

Claims (11)

1.一种用于传输毫米波信号的电介质波导，包括：

内芯(110；210；310)，其包括电介质媒介，所述电介质媒介适于通过沿着所述电介质波导携载电磁场来传输毫米波信号；

其中，所述电介质媒介(120；220；320)包括电介质材料，所述电介质材料具有的介电性质适于将传播的电磁场限制在所述内芯(110；210；310)，同时在毫米波频率范围中的信号频率下增加低传输损耗，

其中，所述电介质媒介(220)包括由为石英和/或氧化铝的电介质材料制成的多个光纤(225)的一个或多个线束，

其中，至少一个线束的多个光纤形成纱线，所述纱线沿着所述内芯延伸，所述纱线中的每个光纤的长度短于所述内芯的长度，

电介质波导还包括围绕所述内芯(110；210；310)的包层(130；230；330)，所述包层(130；230；330)适于在所述毫米波频率范围中的频率下将所述电磁场限制在所述内芯(110；210；310)，所述包层(130；230；330)直接邻接所述内芯(110；210；310)，且由非金属材料制成。

2.如权利要求1所述的电介质波导，其中

所述电介质媒介(120；220；320)的特征在于在所述毫米波频率范围中的信号频率下高于3.0的介电常数和低于0.001的损耗正切。

3.如权利要求1所述的电介质波导，其中

所述毫米波频率范围包括50GHz至300GHz的范围中的频率。

4.如权利要求1所述的电介质波导，其中

所述包层(130；230；330)由聚合物材料制成，所述聚合物材料在所述毫米波频率范围中的频率下具有低于0.001的损耗正切。

5.如前述权利要求1-4中任一项所述的电介质波导，其中

所述石英的介电常数高于3.0且损耗正切低于0.0001。

6.如前述权利要求1-4中任一项所述的电介质波导，其中

所述电介质媒介(120)是所述电介质材料的实心体。

7.如前述权利要求1-4中任一项所述的电介质波导，其中

所述电介质媒介(320)包括所述电介质材料的粉末和/或颗粒，其填充所述内芯(310)的体积。

8.如权利要求1所述的电介质波导，其中

至少一个线束的多个光纤(225)中的每一个沿着所述内芯(210)延伸。

9.如前述权利要求1-4,8中任一项所述的电介质波导，其中，在所述毫米波频率范围中的信号频率下，传播的电磁场的约小于3％由所述电介质波导周围的媒介携载。

10.如权利要求9所述的电介质波导，其中所述周围的媒介是空气。

11.一种用于传输毫米波频率下的信号的电缆，包括：

如前述权利要求1-10中任一项所述的电介质波导(100；200；300)。

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