CN109417212B - 用于传播频率范围在1千兆赫与10太赫之间的波的组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到用于传播频率在1千兆赫与10太赫之间的波的组件。根据本发明，该组件包括：(a)引导所述波的波导(11，21)，所述波导(11，21)是由塑性材料制成的，一部分所述波在所述波导(11，21)内传播，另一部分所述波在所述波导(11，21)外传播，以及(b)保护性覆盖物(12)，所述保护性覆盖物包围波导(11，21)，界定所述波导(11，21)与所述覆盖物之间的一个或多个空间(13‑16)，在所述波导(11，21)外传播的波容纳在所述一个或多个空间中，所述保护性覆盖物(12)因此形成防止所述波免受外界干扰的屏障。
Description
技术领域
本发明涉及到用于传播频率在1千兆赫与10太赫之间的波的塑料波导的领域，更具体地涉及到包括这种塑料波导的改进的波传播组件。
本发明还涉及到包括这种组件的用于高速传输信号的有线或无线通信链路。
背景技术
频率在1千兆赫与10太赫之间的波是非电离辐射，其可穿透范围广泛的非导电材料，比如木头、塑料、陶瓷和纸。
而且，所述波在比如光谱学、物理学、通信、图像、医学领域和生物学等技术领域提供了广泛的新机遇，仅列举几个领域为例。
近年来，为了提供这种波的传播，人们已经进行了大量研究，因为可供在其它频率范围引导电磁波的波导不适合。尤其是，现有波导不适合引导太赫兹波，其频率为0.1太赫至10太赫之间。
因此为了传播太赫兹波已经生产了由塑性材料制成的波导。
相对于为了引导太赫兹波而开发的复杂且刚性的金属基的设备，尽管塑料波导形成了显著进步，但是这些由塑性材料制成的波导显现出诸多弊端。
特别地，已经观察到，如果一部分波在塑料波导中传播良好，另一部分太赫兹波则在塑料波导外传播。
现有技术用于传播太赫兹波的这些塑料波导因此对外部接触极其敏感，这样会导致信号强度的显著损失。
举例来说，把这种塑料波导放在桌子上因此是不可能的，也不能对其进行处理。
为了解决这些弊端，人们因此试图用低介电常数的介电材料覆盖这些塑料波导或者将其放在泡沫中。
也可以采用低损耗的材料，从而不增加由于传播引起的衰减造成的损耗。
然而，其结果是增加了用于传播太赫兹波的这些塑料波导的制造成本，其波导的制造也更加复杂。
此外，泡沫的使用是这种太赫兹波导的机械稳定性和可靠性的风险来源。
因此受到保护的太赫兹波导的尺寸也增加了。
因此，迫切需要用于传播太赫兹波的组件，更普遍而言，需要用于传播频率范围在1千兆赫与10太赫之间的波的组件，其原创设计解决了上述现有技术的缺点。
发明内容
本发明涉及到一种用于传播频率在1千兆赫与10太赫之间的波的组件，其设计及其运行模式简单，所述组件可靠而且经济，与此同时能够进行高速数据传输。
本发明的另一个目的是一种包括这种用于传播频率在1千兆赫与10太赫之间的波的组件的有线或无线通信链路，所述链路成本不太高，并且提供较宽的带宽以及高度的机械可靠性。
本发明还有的另一个目的是在1千兆赫与10太赫之间的频带中接收/发射电磁波的包括用于波传播的如此组件的装置。
为此，本发明涉及到用于传播频率在1千兆赫与10太赫之间的波的组件。
根据本发明，该组件包括：
(a)引导所述波的波导，该波导是由塑性材料制成的，一部分所述波在该波导内传播，另一部分所述波在该波导外传播，以及
(b)包围波导的保护性覆盖物，所述保护性覆盖物界定该波导与该覆盖物之间的一个或多个空间，在该波导外传播的波容纳在所述一个或多个空间中，所述保护性覆盖物因此形成保护这些波免受外界干扰的屏障。
有利地，因此观察到，该保护性覆盖物真正地将在波导内以及在波导外传播的波与外部隔离开来，并因此保证把外部干扰对波的影响减少到最少。通过形成屏障，该保护性覆盖物还防止进入在波导外传播的波在其中发展的所述一个或多个空间，。因此，在没有信号强度显著损失的情况下，可具有组件与外部的一个或多个接触区域。
优选地，该保护性覆盖物或护套与该波导同心地设置。
在用于波传播的该组件的各种特殊实施例中，各具有其特殊优点并且向多个可能性的技术组合开放：
-用诸如空气这样的气态流体填充所述一个或多个空间。
作为选择，所述一个或多个空间是真空的。
再次作为选择，可以用介电材料填充所述一个或多个空间，所述介电材料的介电常数低于所述波导的介电常数。
纯粹是举例说明，介电常数低于所述波导的介电常数的介电材料是泡沫。
-该保护性覆盖物是细长的管状元件，所述管状元件的厚度W至少这样来确定，使所述保护性覆盖物对传播模式的影响减少到最少。
优选地，因此配置该保护性覆盖物，不仅便于生产用于波传播的组件，而且还防止其扰乱波在波导内的传播模式。
举例来说，该细长管状部件可呈现正方形、矩形、椭圆形等截面。
-该保护性覆盖物呈现圆形或者大体为圆形的横截面。
有利地，保护性覆盖物的这种配置使之能够限制组件与平坦表面的接触，并因此限制外部干扰。
然而，可以从包括正方形、矩形、椭圆形等形状的一组形状中选择该横截面的形状。
更普遍而言，保护性覆盖物可呈现有助于去除外部干扰的表面凹凸。例如，保护性覆盖物的周边可呈现挡边或突起。
-所述波导呈现正方形、矩形或十字形的横截面。
所述波导呈现十字形横截面，所述十字形横截面可以是实心的或者包括一个或多个孔。
与具有矩形截面的波导相比，具有十字形横截面的波导的实施使传播的可能性模式的数量加倍，与此同时把干扰或串扰现象减少到最少。这是借助相同频率下振荡的场的正交性来实现的。
这种配置在全双工通信，即无干扰通信的框架中特别有利。
这种配置对于提高单向、半双工及全双工通信模式中的速度也非常有用。
有利地，与完全多模式通信装置相比，这种配置使之能够提高集成这种装置的通信系统的紧凑性。
一个或多个孔的存在具有减轻组件和降低损失的作用。所述一个或多个孔可以用介电材料填充，所述介电材料的介电常数低于所述波导的介电常数，从而有助于波传播组件的刚性。
纯粹举例来说，介电常数低于所述波导的介电常数的介电材料是泡沫。
-该保护性覆盖物由塑料制成，是由与所述波导相同的塑性材料制成的。
有利地，保护性覆盖物和波导是由聚四氟乙烯(PTFE-
)制成的。
通常，保护性覆盖物和波导是由选自以下一组材料中的至少一种材料制成的，该组材料包括聚氨酯(PU)，聚四氟乙烯，聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，聚苯乙烯(PS)，聚碳酸酯(PC)，聚酯薄膜(PET)，树脂玻璃(PMMA)，聚乙烯化合物(PVC)，多氯化物，乙烯类聚合物，尼龙(PA)，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，聚乳酸(PLA)以及这些元素的组合。
优选地，该波传播组件是单一件。但不是由最初分开的部件组成的，所以该组件有利地呈现增加的机械强度和可靠性，以确保在1千兆赫与10太赫之间的频带中对波进行引导。
有利地，这种组件也可以通过用于制造塑料件的任何常规方法获得，比如挤压或注塑成型，所以该组件易于制造。其制造成本也不高。
而且，因为在波导外传播的波不是被保护性覆盖物传送的，因为所述保护性覆盖物包围波在其中传播的空间，所以制造时无需关键的制造公差。
作为选择，制成该保护性覆盖物的材料不同于形成所述波导的材料。所述保护性覆盖物也可以由硅、树脂、陶瓷或橡胶制成，而不是由金属材料制成。可以利用仅一种材料或混合材料来制造该保护性覆盖物。
-所述波导是泄露波导，其包括一种或多种不规则性，以便产生电磁波。
这些不规则性的特性和定位是受控制的。这些不规则性因此可以是周期性的或非周期性的。
优选地，所述保护性覆盖物还包括产生电磁波的一种或多种不规则性。
纯粹举例来说，这种不规则性可由局部修改保护性覆盖物的截面来构成。
有利地，波传播组件因此可以形成针对无线通信而定向的天线。
本发明还涉及到通信链路。根据本发明，该通信链路包括前文所述的波传播组件。
优选地，所述组件的每个末端都耦接到链路连接器，以便设备的两个项目能够连接到所述组件。
用于发射信号的这个通信链路可以是有线的或无线的。
例如，由于该波传播组件包括第一末端和第二末端，所以在其每个末端将其耦接到链路连接器，所述链路连接器选自于一组连接器，该组连接器包括USB连接器、HDMI连接器、显示端口(DP)连接器以及雷电连接器。作为选择，例如，所述连接器也可以是用于连接到机载系统的连接器。
该链路连接器的类型可以是凹形或凸形连接器。
在无线通信链路的情况下，波传播组件的末端可以耦接到无线发射器/接收器装置，以便发射或接收无线信号。
本发明还涉及到用于接收/发射1千兆赫与10太赫之间的频带中的电磁波的装置。
根据本发明，该装置包括前文所述的波传播组件。
附图说明
参考附图，从以下给出的描述中，本发明的其它优点、目的和特征将显而易见，所给出的描述只是出于解释性的目的而且绝非是限制性的，，在附图中：
-图1按照图示显示了根据本发明的第一个实施例的波传播组件；
-图2是图1的组件的横截面视图；
-图3是根据本发明第二个实施例的波传播组件的横截面视图；
-图4按照图示显示了图1的组件的场线，在没有应用到三种传播模式的该组件的外部干扰的情况下，所述传播模式分别针对80GHz的频率，标为A(第1种模式)、B(第2种模式)和C(第3种模式)；
-图5阐释了图1的组件的稳健性测试，其中，用水溶液填充的两个块到达局部包裹该组件保护性覆盖物的外表面之处，以模拟手动握持该组件的效果；
-图6显示了针对80千兆赫频率的第一种传播模式电场的计算的空间分布，也就是针对图5的组件在沿着坐标轴(y轴)的矩形截面中传播的第一种模式。
-图7显示了针对80千兆赫频率的第二种传播模式电场的计算的空间分布，也就是针对图5的组件在沿着横坐标轴(x轴)的矩形截面中传播的第一种模式。
-图8显示了针对80千兆赫频率的第三种传播模式电场的计算的空间分布，也就是针对图5的组件在沿着坐标轴(y轴)的矩形截面中传播的第二种模式。
具体实施方式
首先，应注意，附图并非是按比例的。
图1和图2按照图示显示了根据本发明一个特殊实施例的波传播的组件10。
该组件10包括引导频率在1千兆赫与10太赫之间的波的波导11，所述波导是由比如聚四氟乙烯这样的塑性材料制成的。
该波导11在这种情况下是呈现十字形横截面的细长固体件，因此有利地的是，相对于具有矩形截面的波导而言，使传播模式的数量加倍。波传播的轴是该细长固体件的纵轴。
该组件10还包括保护性覆盖物或护套12，所述保护性覆盖物或护套包围该塑料波导11，界定多个空间13-16。每个所述空间13-16在这种情况下一方面是由保护性覆盖物12的内壁界定的，另一方面是由具有十字形截面的波导11的外表面界定的。
这些空间13-16用气态流体填充，在这种情况下，所述气态流体是空气。
在一个变体实施例中，用介电常数低于波导介电常数的材料填充所述空间。
该保护性覆盖物12在这种情况下是由与塑料波导11相同的塑性材料制成的，波传播组件10是单件。该组件在这种情况下是通过注塑成型的方法得到的。
一部分波在该塑料波导11中传播，而另一部分波则在所述波导11外的因此形成的空间13-14中传播。
在塑料波导11外传播的波因此容纳在所述空间中，被保护性覆盖物12包围，因此形成防护波免受外部干扰的屏障。
对于80千兆赫的频率而言，该保护性覆盖物12在这种情况下呈现约为0.5毫米的厚度W，这足以有效防止在波导11外传播的波受外部应力影响。通常，这样来界定该覆盖物，一方面，覆盖物要足够厚，以便保护在空间中传播的波以及在波导内传播的波免受外部干扰，另一方面，又不要过厚，以便不让覆盖物本身转变为波的传播媒介，所述传播媒介最终会扰乱波导的运行。
该厚度的界定是由明显取决于波的频率以及所使用的材料之间的权衡决定的。
图3显示了根据本发明第二个实施例的波传播组件20。
标号与图1和图2中标号相同的图3的元件代表相同的物体，这在下文中将不再赘述。
波传播的该组件20包括引导频率在1千兆赫与10太兆赫之间的波的波导21。
该波导21在这种情况下是细长固体件，呈现具有中心孔22的十字形横截面。如此配置有利地增加传播模式的数量并把损失减少到最少。
图4显示针对80千兆赫的频率的前三种传播模式以及针对图1和图2所述的在没有施加到组件的外部干扰的情况下的波传播组件10的电场的计算的空间分布。
图5阐释了图1的波传播组件10的稳健性测试，其中用水溶液填充的两个块30、31到达局部包围保护性覆盖物12的外表面之处，以模拟手动握持该组件的效果。
标号与图1和图2中标号相同的图5的元件代表相同的物体，这在下文将不再赘述。
这些介电块30、31的介电常数是八十(80)，这对于所述波传播组件10中的波传播构成主要的干扰。
图6至图8显示当外部接触通过两个介电块30、31施加到该组件时，针对80千兆赫的频率的前三种传播模式以及针对图1和图2所述的波传播组件10的电场的计算的空间分布。利用从美国PA15317卡农斯堡ANSYS公司的模拟软件已经得到这些结果。
由此清晰显示了本发明的波传播组件所带来的优势。在图4的波传播组件中产生的场线与在如图6至图8所示的有外部干扰的情况下波传播组件中产生的场线之间的对比，表明块30、31的存在不会以明显的方式改变场线。
下表以定量的形式阐明了本发明的波传播组件的性能水平。
一方面，针对包括前两种传播模式的图1的具有十字形截面的波导的组件，另一方面，针对仅具有矩形截面的波导，计算信号的传输。在存在块30、31和不存在块30、31的情况下计算所述传输。组件及矩形截面的波导在z轴的纵向尺寸L约为15毫米。保护性覆盖物的厚度W约为0.5毫米。
表
如果将得到的结果与未被保护性覆盖物包围的波导的结果作比较，该表则清楚地显示了针对本发明的波传播组件获得的低信号损失。
计算由于存在块30、31导致的损失，仅为几十分贝(dB)的量级。
本发明因此能够以特别经济的成本得到坚固可靠的波传播组件。
该组件可以集成到机载电子系统或者数据处理中心，以替换现有数据传输线缆，比如铜缆或光纤光缆。
Claims (11)
1.用于传播频率在1千兆赫与10太赫之间的波的组件，其特征在于，所述组件包括：
(a)引导所述波的波导(11，21)，所述波导(11，21)是由塑性材料制成的，所述波的一部分在所述波导(11，21)内传播，所述波的另一部分在所述波导(11，21)外传播，以及
(b)保护性覆盖物(12)，所述保护性覆盖物包围所述波导(11，21)，界定所述波导(11，21)与所述保护性覆盖物之间的一个或多个空间(13-16)，在所述波导(11，21)外传播的波容纳在所述一个或多个空间中，所述保护性覆盖物(12)因此形成防止所述波受外界干扰的屏障，所述保护性覆盖物(12)由塑料制成，所述保护性覆盖物(12)是由与所述波导(11，21)相同的塑性材料制成的，所述组件是单一件。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，用气态流体填充所述一个或多个空间(13-16)。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，用介电材料填充所述一个或多个空间(13-16)，所述介电材料的介电常数低于所述波导(11，21)的介电常数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其特征在于，所述保护性覆盖物(12)是细长管状元件，至少确定所述管状元件的厚度W，以便把所述保护性覆盖物(12)对传播模式的影响减少到最小。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其特征在于，所述保护性覆盖物(12)呈现圆形或者大体为圆形的横截面。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其特征在于，所述波导(11，21)呈现矩形或十字形的横截面，并且是实心的或者包括一个或多个孔。
7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述保护性覆盖物(12)和所述波导(11，21)是由选自以下一组材料中至少一种材料制成的，该组材料包括聚氨酯(PU)，聚四氟乙烯，聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，聚苯乙烯(PS)，聚碳酸酯(PC)，聚酯薄膜(PET)，树脂玻璃(PMMA)，聚乙烯化合物(PVC)，多氯化物，乙烯类聚合物，尼龙(PA)，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，聚乳酸(PLA)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其特征在于，所述波导(11，21)是包括一种或多种不规则性，以便产生电磁波。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述保护性覆盖物(12)包括产生电磁波的一种或多种不规则性。
10.一种通信链路，其特征在于，所述通信链路包括权利要求1至9中任一项所述的组件，所述组件的每个末端都耦接到链路连接器，以便所述组件能够连接到两个项目。
11.一种在1千兆赫与10太赫之间的频带中接收/发射电磁波的装置，其特征在于，该装置包括权利要求1至9中任一项所述的组件。
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