CN112002965B - 一种表面波传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种表面波传输装置，涉及通信技术领域，可以减少毫米波的传输损耗。本发明实施例包括：馈电同轴电缆、电力线和同轴转换结构，其中，馈电同轴电缆的输入端用于连接信源，馈电同轴电缆用于将输入的横电磁波TEM模式的电磁波转换为横磁波TM模式的电磁波；电力线连接馈电同轴电缆的输出端和同轴转换结构的输入端，电力线包括导电线和包覆导电线的第一绝缘层，导电线用于传输TM模式的电磁波；同轴转换结构，用于将TM模式的电磁波转换为TEM模式的电磁波并进行输出。

Description

一种表面波传输装置

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，特别是涉及一种表面波传输装置。

背景技术

目前，通常将频率为30～300吉赫(Giga Hertz，GHz)，波长为1～10毫米的电磁波称为毫米波。由于毫米波的频段与微波频段存在一定差别，使用毫米波信号可以拓宽频谱资源，而且毫米波还具有传输速率快的特点，因此对毫米波通信的研究已成为无线通信的研究热点。

然而，毫米波在空气中传输时，受传输环境的影响较大。例如，构成大气的分子成分、降水、大气中的悬浮物、墙面等障碍物，都会使毫米波信号发生衰减、散射、极化和传输路径的改变，使得毫米波的传输损耗高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种表面波传输装置，以减少毫米波的传输损耗。具体技术方案如下：

一种表面波传输装置，其特征在于，包括：馈电同轴电缆1、电力线2和同轴转换结构3)，其中：

所述馈电同轴电缆1的输入端用于连接信源，所述馈电同轴电缆1用于将输入的横电磁波TEM模式的电磁波转换为横磁波TM模式的电磁波；

所述电力线2连接所述馈电同轴电缆1的输出端和所述同轴转换结构3的输入端，所述电力线2包括导电线21和包覆所述导电线21的第一绝缘层22，所述导电线21用于传输所述TM模式的电磁波；

所述同轴转换结构3，用于将所述TM模式的电磁波转换为TEM模式的电磁波并进行输出。

可选的，所述馈电同轴电缆1包括第一内导体11和包覆所述第一内导体11的第二绝缘层12，所述第一内导体11与所述导电线21的一端电连接。

可选的，所述第一内导体11与所述导电线21的连接处被所述第一绝缘层22包覆，或者

所述第一内导体11与所述导电线21的连接处被所述第二绝缘层12包覆。

可选的，所述馈电同轴电缆1还包括包覆所述第二绝缘层12的第一屏蔽层13。

可选的，所述同轴转换结构3包括同轴电缆和锥形绝缘介质31，其中：

所述同轴电缆包括第二内导体32和包覆所述第二内导体32的第三绝缘层33；

所述第二内导体32与所述导电线21的另一端电连接；

所述锥形绝缘介质31的底面与所述第三绝缘层33固定连接，所述锥形绝缘介质31的顶面与所述第一绝缘层22固定连接。

可选的，所述同轴电缆还包括包覆所述第三绝缘层33的第二屏蔽层34。

可选的，所述表面波传输装置还包括单极介质谐振天线4；所述单极介质谐振天线4包括单极天线41和接地的基板42；其中：

所述基板42中包括通孔，所述同轴转换结构3嵌入在所述通孔中；

所述单极天线41的输入端与所述同轴转换结构3输出端的内导体32电连接，所述单极天线41用于辐射电磁波。

可选的，所述单极介质谐振天线4还包括锥形介质谐振器43，所述锥形介质谐振器43环绕在所述单极天线41侧面。

可选的，所述基板42的材料包括黄铜，所述单极天线41的材料包括铜。

可选的，所述锥形绝缘介质31的相对介电常数与所述同轴电缆的第三绝缘层33的相对介电常数相同。

本发明实施例的技术特征至少可以带来以下有益效果：本发明实施例中电磁波在电力线中以TM模式传输，在TM模式下，电磁波仅在电力线内部的导电线的表面传播，形成表面波，由于表面波具有传输损耗低的特点，而且包覆导电线的第一绝缘层也进一步抑制了电磁波的辐射，减小了电磁场的辐射区域半径，因此减少了毫米波的传输损耗。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本发明实施例提供的一种表面波传输装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供中S11反射系数随信源信号频率变化的曲线图；

图3为本发明一实施例提供中单极天线辐射的电磁波增益方向图；

图4为本发明一实施例提供中增益随信源信号频率变化的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了减少毫米波的传输损耗，本发明实施例提供了一种表面波传输装置，如图1所示，该表面波传输装置包括：馈电同轴电缆1、电力线2和同轴转换结构3，其中，

馈电同轴电缆1的输入端用于连接信源，馈电同轴电缆1用于将输入的横电磁波(Transverse Electromagnetic wave，TEM)模式的电磁波转换为横磁波(TransverseMagnetic wave，TM)模式的电磁波。

电力线2连接馈电同轴电缆1的输出端和同轴转换结构3的输入端，电力线2包括导电线21和包覆导电线21的第一绝缘层22，导电线21用于传输TM模式的电磁波。

同轴转换结构3，用于将TM模式的电磁波转换为TEM模式的电磁波并进行输出。

电磁波能够在以下三种传输模式的任一传输模式下传输：TEM模式、TM模式和横电波(Transverse Electric wave，TE)模式。

其中，TEM模式的电磁波在传播方向上没有电场分量和磁场分量。

TE模式的电磁波在传播方向上有磁场分量，但没有电场分量。

TM模式的电磁波在传播方向上有电场分量，但没有磁场分量。

在本发明实施例中，电力线2包括两端，其中一端与馈电同轴电缆1的输出端相连，另一端与同轴转换结构3的输入端相连。

可选的，信源发出的电磁波可以为毫米波。

示例性的，馈电同轴电缆1的特征阻抗为50欧姆。

本发明实施例的技术特征至少可以带来以下有益效果：本发明实施例中电磁波在电力线中以TM模式传输，在TM模式下，电磁波仅在电力线内部的导电线的表面传播，形成表面波，由于表面波具有传输损耗低的特点，而且包覆导电线的第一绝缘层也进一步抑制了电磁波的辐射，减小了电磁场的辐射区域半径，因此减少了毫米波的传输损耗。

在本发明实施例中，馈电同轴电缆1包括第一内导体11和包覆第一内导体11的第二绝缘层12。其中：第一内导体11与导电线21的一端电连接。可选的，馈电同轴电缆1的第一内导体11半径为0.69毫米(millimeter，mm)。

在本发明实施例中，第一内导体11与导电线21的连接处被第一绝缘层22包覆，或者，第一内导体11与导电线21的连接处被第二绝缘层12包覆。图1中第一内导体11与导电线21的连接处被第一绝缘层22包覆。

示例性的，第二绝缘层12的相对介电常数为2.1或者2.9。示例性的，第二绝缘层12的外径为5.6mm-5.8mm。一种实施方式中，第二绝缘层12的外径为5.7mm。

在本发明实施例中，馈电同轴电缆1还包括包覆第二绝缘层12的第一屏蔽层13。

可选的，第一屏蔽层13可以是金属屏蔽网。

图1示出了本发明实施例提供的表面波传输装置的纵截面，在本发明实施例中，第一内导体11、第二绝缘层12和第一屏蔽层13的横截面可以是圆形。

基于此，结合图1，馈电同轴电缆1内部的小圆柱体为第一内导体11，第一内导体11外包覆的是第二绝缘层12，第二绝缘层12外包覆的是第一屏蔽层13。

馈电同轴电缆1的第一内导体11、第二绝缘层12和第一屏蔽层13的轴心相同，第一屏蔽层13还被绝缘的保护层包覆，即馈电同轴电缆1存在四层结构，从里到外依次为：第一内导体11、第二绝缘层12、第一屏蔽层13、保护层。

需要说明的是，图1中未示出馈电同轴电缆1的保护层，实际上第一屏蔽层13外还被包覆有保护层。

本发明实施例的技术方案还可以带来以下有益效果：馈电同轴电缆中的第一内导体接收到的电磁波为TEM模式，在传播方向上没有电场分量和磁场分量。在传输过程中，如果第一内导体发生弯曲，即有一部分电磁波没有从第一内导体到达第一屏蔽层，这时第一内导体和第一屏蔽层之间存在电场分量，空间中存在位移电流，从而使得第一屏蔽层电流减小。当第一屏蔽层直径增大时，空间中的位移电流也增大，使得第一屏蔽层上的电流进一步减小，因此，当第一屏蔽层直径无穷大时，其上的电流趋近于零。电力线可以弯曲，且电力线外没有外导体，也可以看作电力线外环绕了直径无穷大的屏蔽层，因此电力线内传输的电磁波存在电场分量，但不存在磁场分量，所以电力线传输的电磁波为TM模式。

而且，馈电同轴电缆中接地的第一屏蔽层不仅可以为第一内导体传输的信号提供电流回路，还可以作为第一内导体传输的信号的屏蔽结构，抑制电磁噪声对信号的干扰。

在本发明实施例中，同轴转换结构3包括同轴电缆和锥形绝缘介质31。其中，同轴电缆包括第二内导体32和包覆第二内导体32的第三绝缘层33；

第二内导体32与导电线21的另一端电连接；

锥形绝缘介质31的底面与第三绝缘层33固定连接，锥形绝缘介质31的顶面与第一绝缘层22固定连接。

示例性的，第二内导体32的半径为0.69mm。第三绝缘层33的相对介电常数为2.9。示例性的，第三绝缘层33的外径为5.6mm-5.8mm。一种实施方式中，第三绝缘层33的外径为5.7mm。

可选的，同轴转换结构3中的同轴电缆的结构可以与馈电同轴电缆1的结构相同。示例性的，同轴转换结构3的特征阻抗为50欧姆。

在本发明实施例中，同轴电缆还包括包覆第三绝缘层33的第二屏蔽层34。

可选的，第二屏蔽层34可以是金属屏蔽网。

结合图1，同轴转换结构3中位于基板42内的大圆柱体为同轴电缆，同轴电缆内部的小圆柱体为第二内导体32，第二内导体外被第三绝缘层33包覆，第三绝缘层33外被第二屏蔽层34包覆。

同轴电缆的第二内导体32、第三绝缘层33和第二屏蔽层34的轴心相同。

同轴转换结构3中位于同轴电缆下方的圆锥形为锥形绝缘介质31。锥形绝缘介质31的顶面和底面是两个同心圆，且底面的面积大于顶面的面积。

本发明实施例的技术方案还可以带来以下有益效果：与馈电同轴电缆转换电磁波模式的过程相反，当第二屏蔽层直径减小时，第二内导体达到第二屏蔽层的电磁波增多，空间中的位移电流减少。当第二内导体的电磁波全部到达第二屏蔽层时，空间中不存在位移电流，此时电磁波在传输方向上没有电场和磁场分量，即同轴转换结构实现了将TM模式的电磁波转换为TEM模式。

而且，同轴电缆的第二屏蔽层不仅可以为第二内导体传输的信号提供电流回路，还可以作为第二内导体传输的信号的屏蔽网，抑制电磁噪声对信号的干扰。

可选的，锥形绝缘介质31的相对介电常数与同轴电缆的第三绝缘层33的相对介电常数相同。

本发明实施例的技术方案还可以带来以下有益效果：锥形绝缘介质和同轴电缆的第三绝缘层的介电常数相同，即锥形绝缘介质和同轴电缆的绝缘层的材料可以相同，简化了表面波传输装置的生产过程，降低了表面波传输装置的生产成本。

在本发明实施例中，电力线2可以是高保(Goubau)线，Goubau线是一种在圆导线上涂覆介质的表面波传输线，且是一种中低压传输电力线。

可选的，电力线2中导电线21涂覆的第一绝缘层22为：厚度为0.7mm-0.9mm的聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)。

在本发明实施例中，电力线2的导电线21的材料可以包括铜。

本发明实施例的技术方案还可以带来以下有益效果：本发明实施例中的电力线可以是中低压传输电力线，由于室内传输电力线多为中低压传输电力线，因此本发明实施例可以应用在室内的信号传输。

可以理解的，本发明实施例中的电力线也可以是高压传输电力线，因此本发明实施例也可以应用在室外的信号传输。

本发明实施例提供的表面波传输装置，还可以将有线信号转变为无线信号。基于此，参见图1，本发明实施例的表面波传输装置还包括单极介质谐振天线4。其中，单极介质谐振天线4包括单极天线41和接地的基板42。其中：

基板42中包括通孔，同轴转换结构3嵌入在通孔中；例如，单极天线41高度为6mm，直径为1.38mm。

单极天线41的输入端与同轴转换结构3输出端的内导体32电连接，单极天线41用于辐射电磁波。

在本发明实施例中，基板42可以是黄铜板，或者，基板42可以是双面印刷的印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)。

例如，基板的材料的型号可以为：罗杰斯5880(Rogers5880)。

可选的，基板42的大小为12mm×12mm，厚度为0.787mm。

在本发明实施例中，第二屏蔽层34需要接地，且基板42是接地的，因此可以将第二屏蔽层34与基板42电连接。

本发明实施例的技术方案还可以带来以下有益效果：本发明实施例还可以将有线传输转换为无线传输，使得本发明实施例提供的表面波传输装置的应用范围更广。

在本发明实施例中，单极介质谐振天线4还包括锥形介质谐振器43，其中：锥形介质谐振器43环绕在单极天线41侧面。如图1所示，锥形介质谐振器43包括通孔，单极天线41的一端穿过锥形介质谐振器43的通孔，与第二内导体32电连接。

在本发明实施例中，锥形介质谐振器43的通孔不仅为同轴转换结构3与单极天线41的连接提供空间，还可以影响锥形介质谐振器43与单极天线41的电磁场耦合。

可选的，锥形介质谐振器43的介电常数可以为8-10。一种实施方式中，锥形介质谐振器43的介电常数为8。

示例性的，锥形介质谐振器43的底面半径为3.8mm，顶面半径为1.7mm，高度为3mm。

本发明实施例的技术方案还可以带来以下有益效果：改变锥形介质谐振器的高度可以使得单极天线辐射的电磁波的方向发生改变。

在本发明实施例中，基板42的材料包括黄铜，单极天线41的材料包括铜。其中，黄铜是包括铜和锌的合金。

本发明实施例的技术方案还可以带来以下有益效果：本发明实施例中传输电磁波的材料包括铜，铜具有导电性且成本相对较低。而且本发明实施例提供的表面波传输装置包括的单极天线，具有损耗低、带宽大、交叉极化小、增益高的特点。

在本发明实施例的一种实施方式中，馈电同轴电缆1、电力线2和同轴转换结构3的中线重合。

结合图1，可以将电力线2上端的第一绝缘层22剥离，直接将电力线2上端的导电线21穿过同轴转换结构3和锥形介质谐振器43。即，同轴转换结构3中的第二内导体32以及单极介质谐振天线4中的单极天线41，是导电线21的一部分。而且，同轴转换结构3和单极介质谐振天线4可以是一体化结构。

本发明实施例的技术方案还可以带来以下有益效果：本发明实施例提供的表面波传输装置整体包括的部件较少，结构简单。

以下通过对本发明实施例提供的表面波传输装置的仿真结果，对该装置的性能进行说明。

参见图2，图2的纵轴为馈电同轴电缆1的S11反射系数，横轴为信源信号的频率。从图2中可以看出，S11反射系数在55-65GHz范围内低于-10分贝(decibel，dB)，最低为-35dB，说明单极天线41的输入回波损耗低，工作效率高。且信源信号的频率为58GHz时，S11反射系数最小，说明馈电同轴电缆1的输入信号在58GHz附近产生最强的谐振。

其中，S11反射系数指的是输入回波损耗。

以单极天线41的输入端为原点，建立球坐标系，包括x轴、y轴和z轴。其中，x轴、y轴和z轴相互垂直，x轴和y轴组成的xoy平面与水平面平行，z轴垂直于xoy平面。

参见图3，图3包括单极天线41辐射的电磁波投影到y轴和z轴组成的yoz面的平面图，以及单极天线41辐射的电磁波投影到x轴和y轴组成的xoy面的平面图。图3的纵轴表示增益，在E面(E-plane)上，圆形坐标轴上的角度表示电磁波与z轴之间的夹角(θ)，在H面(H-plane)上，圆形坐标轴上的角度表示电磁波与x轴之间的夹角

其中，E面是指平行于电场方向的面，H面是指平行于磁场方向的面。Co-polar为主极化辐射模式，指的是电磁波与参考源平行方向的分量。X-polar为交叉极化辐射模式，指的是电磁波与主极化垂直的方向上的分量。

其中，增益指的是表面波传输装置的输出功率与输入功率的比值。

图3中的实线曲线为X-polar模式下，单极天线41辐射的电磁波在E-plane的增益。点划线曲线为X-polar模式下，单极天线41辐射的电磁波在H-plane的增益。划线曲线为Co-polar模式下，单极天线41辐射的电磁波在E-plane的增益。点线曲线为Co-polar模式下，单极天线41辐射的电磁波在H-plane的增益。

图3示出了主极化和交叉极化辐射模式下的天线性能，且示出了信源信号为58GHz时，单极天线41辐射的信号增益的E面和H面方向图。从图3中可以看出，在θ＝57°时增益最大。

参见图4，图4的横轴为信源信号的频率，纵轴为球坐标系上

θ＝57°时的增益。从图4中可以看出，

θ＝57°时，在55-65GHz的频率范围内，增益在-1.5-5dBi之间。其中，dBi是功率增益的单位，dBi的参考基准为全方向性天线。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种表面波传输装置，其特征在于，包括：馈电同轴电缆(1)、电力线(2)和同轴转换结构(3)，其中：

所述馈电同轴电缆(1)的输入端用于连接信源，所述馈电同轴电缆(1)用于将输入的横电磁波TEM模式的电磁波转换为横磁波TM模式的电磁波，所述信源发出的电磁波为毫米波；

所述电力线(2)连接所述馈电同轴电缆(1)的输出端和所述同轴转换结构(3)的输入端，所述电力线(2)包括导电线(21)和包覆所述导电线(21)的第一绝缘层(22)，所述导电线(21)用于传输所述TM模式的电磁波；

所述同轴转换结构(3)，用于将所述TM模式的电磁波转换为TEM模式的电磁波并进行输出；

所述表面波传输装置还包括单极介质谐振天线(4)；所述单极介质谐振天线(4)包括单极天线(41)和接地的基板(42)；其中：

所述基板(42)中包括通孔，所述同轴转换结构(3)嵌入在所述通孔中；

所述单极天线(41)的输入端与所述同轴转换结构(3)输出端的内导体(32)电连接，所述单极天线(41)用于辐射电磁波；

所述单极介质谐振天线(4)还包括锥形介质谐振器(43)，所述锥形介质谐振器(43)环绕在所述单极天线(41)侧面。

2.根据权利要求1所述的表面波传输装置，其特征在于，所述馈电同轴电缆(1)包括第一内导体(11)和包覆所述第一内导体(11)的第二绝缘层(12)，所述第一内导体(11)与所述导电线(21)的一端电连接。

3.根据权利要求2所述的表面波传输装置，其特征在于，

所述第一内导体(11)与所述导电线(21)的连接处被所述第一绝缘层(22)包覆，或者

所述第一内导体(11)与所述导电线(21)的连接处被所述第二绝缘层(12)包覆。

4.根据权利要求2所述的表面波传输装置，其特征在于，所述馈电同轴电缆(1)还包括包覆所述第二绝缘层(12)的第一屏蔽层(13)。

5.根据权利要求1所述的表面波传输装置，其特征在于，所述同轴转换结构(3)包括同轴电缆和锥形绝缘介质(31)，其中：

所述同轴电缆包括第二内导体(32)和包覆所述第二内导体(32)的第三绝缘层(33)；

所述第二内导体(32)与所述导电线(21)的另一端电连接；

所述锥形绝缘介质(31)的底面与所述第三绝缘层(33)固定连接，所述锥形绝缘介质(31)的顶面与所述第一绝缘层(22)固定连接。

6.根据权利要求5所述的表面波传输装置，其特征在于，所述同轴电缆还包括包覆所述第三绝缘层(33)的第二屏蔽层(34)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的表面波传输装置，其特征在于，所述基板(42)的材料包括黄铜，所述单极天线(41)的材料包括铜。

8.根据权利要求5或6所述的表面波传输装置，其特征在于，所述锥形绝缘介质(31)的相对介电常数与所述同轴电缆的第三绝缘层(33)的相对介电常数相同。

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