CN114207936B

CN114207936B - 介电波导

Info

Publication number: CN114207936B
Application number: CN202080055364.3A
Authority: CN
Inventors: D·多纳; T·芬克; E·科彭多费尔; Y·拉姆泽; F·迪斯特勒
Original assignee: Leoni Kabel GmbH
Current assignee: Leoni Kabel GmbH
Priority date: 2019-08-05
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: CN114207936A; DE102019121120A1; DE102019121120B4; WO2021023445A1; US20220263211A1

Abstract

公开了一种介电波导。介电波导的纤芯由第一纤芯和第二纤芯形成。第一纤芯和第二纤芯在介电波导的横截面中具有交会部。

Description

介电波导

技术领域

各示例涉及用于借助于介电波导传输高频信号，特别是W波段中的高频信号的技术思想，及其相关应用，并且特别涉及用于传输线性极化电磁波的介电波导。

背景技术

介电波导是用于传输毫米波段中的频率且因此波长介于1mm和10mm之间的线路类型。在这种情况下，可传输的频带主要由波导的尺寸确定。

与其他常见的线路类型(例如同轴线路和空心导体)相比，介电波导特点是不需要导电材料，并具有其他优点。与结合于金属的波导相比，介电波导中的波传导沿着具有不同电容率(也称为介电常数)的材料的边界层发生。

由于结合于金属的传播介质(例如同轴缆线)中的趋肤效应，损耗会急剧上升，尤其是在较高频率下。这会降低经由波导提供的通信信道的容量。此外，在毫米波段中，由于截止频率，在同轴缆线的情况下只能实现非常小的横截面，这同样会导致更高的损耗。

与结合于金属的空心导体相比，介电波导除了具有更好的衰减特性外，还具有更小的重量。介电波导也更便宜且在机械方面更柔韧。

因此，与结合于金属的波导相比，介电波导可组合大量优势。

如前所述，除了可选的金属屏蔽外，介电波导完全由非导电材料组成。在最简单的情况下，这是一个具有圆形横截面的结构。在这里，结构周围的空气充当具有不同介电常数的边界介质。这可以传输到不同的横截面几何形状。一般来说，圆形横截面几何形状在极化方面没有优选的平面。这意味着用于输出的接收器结构必须强制地以圆形方式极化，然而这在技术上更复杂。

具有不同边长的矩形结构是另一种选择。然而，这些取决于定义的边和角。如果没有额外的工艺步骤，这是无法使用普通挤出方法实现的。

此外，极化维持利用椭圆结构是可能的。圆形和椭圆形横截面几何形状两者都可借助于挤出方法制造。这里可使用拉伸介质。在结合于金属的情况下，缆线的导体代表拉伸介质。在介电波导中，非导电拉伸线是必需的。然而，要对这种拉伸线提出热和机械要求，以便能够在挤出方法中使用它。

然而，满足这些要求的材料可能具有比拉伸线的挤出材料所需更高的介电损耗。为了尽可能减小这种影响，载波线区域中的场强应尽可能低。然而，对于圆形和椭圆形结构，它位于结构的中心，并且因此位于强度最大值，这会导致高介电损耗。

可见介电波导在减少介电损耗方面必须进行优化。尽管如此，仍希望形成用于传输线性极化波的结构。

可能存在提供以降低的介电损耗传输线性极化波的介电波导的技术思想的需求。

这样的需求能够通过权利要求的主题来满足。

根据第一方面，提供了一种介电波导。介电波导的纤芯由第一纤芯和第二纤芯形成。第一纤芯和第二纤芯在介电波导的横截面中具有交会部。

由于第一纤芯和第二纤芯相对于彼此布置的几何形状，线性极化波能够被引导通过介电波导，该介电波导由于所述布置而在由第一纤芯和第二纤芯形成的纤芯的中心中具有较少的介电损耗。因此可提供对此具有极化保持或优选平面的横截面几何形状。

介电波导在此可被这样理解：它具有纤芯和紧密配合在纤芯周围的护套。在这种情况下，纤芯的介电常数根据介电波导原理可大于护套的介电常数。在最简单的实施方式变型中，介电波导可仅仅具有纤芯。

在最简单的形式中，护套可以是周围的大气，例如环境空气。因此，纤芯周围的空气可起到介电边界层的作用。根据第一方面的纤芯是由第一纤芯和第二纤芯共同形成的纤芯。

在介电波导的横截面中，公共纤芯可用数学表示为相干区域。这也意味着由(公共)纤芯沿介电波导形成的空间可被描述为相干的。

第一纤芯和第二纤芯可各自是沿着介电波导的纤维，它们沿着介电波导彼此连接(verbunden)。由此可以形成介电波导的(公共)纤芯。

术语“交会部”在本文中可被理解为使得第一纤芯和第二纤芯直接彼此包含。这尤其适用于沿着整个介电波导。

在这方面，第一纤芯和第二纤芯可在介电波导的任何横截面中具有交会部。例如，它可以是每个或任何横截面。

介电波导的护套可由空气提供或形成，或者护套可包括至少空气。第一纤芯和第二纤芯之间的交会部可由第一纤芯和第二纤芯的彼此融合(verschmolzene)的部分提供。特别地，第一纤芯和第二纤芯可彼此融合。

由于沿介电波导的纵向方向的融合，第一纤芯和第二纤芯可在介电波导的横截面中具有重叠。

由于第一纤芯和第二纤芯各自的中心点间隔开这一事实，因此它们不重叠，可提供优选的极化方向(线性极化)。与圆形介电波导相比，耦合和输出可以因此得到简化。

第一纤芯和第二纤芯可进一步沿着介电波导基本平行地延伸。“沿介电波导”在本文中可被理解为“沿介电波导的纵向方向”或“在介电波导的纵向方向上”。在这种情况下，术语“基本平行”可被理解为平行对准的最大5％的精度偏差。这也可能意味着第一纤芯和第二纤芯沿介电波导的交会部最大变化5％。

第一纤芯和第二纤芯可各自为大致圆形的。此外，第一纤芯和第二纤芯可具有基本相同的直径。这种形状可被描述为双圆截面介质线路几何形状。双圆截面的几何形状可将工业化能力和良好的技术性能彼此结合。

在这种情况下，术语“基本圆形的”可被理解为不必是完美的圆形形式。此外，名称“圆形”尤其可以指第一纤芯和第二纤芯沿介电波导具有的相应横截面。在这种情况下，术语“基本相同”可被理解为直径的最大5％精度偏差。

第一纤芯和第二纤芯各自横截面的中心点可具有间距。该间距可大于第一纤芯和第二纤芯之一的直径的一半。该间距也可小于第一纤芯和第二纤芯之一的直径。该间距还可对应于第一纤芯和第二纤芯之一的直径。换句话说，该间距可大于第一纤芯的直径的一半或大于第二纤芯的直径的一半。此外，该间距可小于第一纤芯的直径或小于第二纤芯的直径。

该间距也可大于第一纤芯和第二纤芯之一的直径的0.55倍(或0.6倍或0.65倍或0.7倍或0.75倍)。该间距还可小于第一纤芯和第二纤芯之一的直径的0.95倍(或0.9倍或0.85倍或0.8倍或0.75倍)。

介电波导还可包括沿着介电波导包围纤芯的护套。护套的电容率可低于纤芯的电容率。与第一纤芯和第二纤芯的直径之一相比，护套的直径可以是至少2倍(或3倍或4倍或5倍)大。取决于与第一纤芯和第二纤芯的直径之一相比的护套的精确直径，衰减可呈现不同。例如，具有第一纤芯或第二纤芯的直径的2倍的护套直径比直径为第一纤芯或第二纤芯的直径的3倍的护套直径衰减呈现更高。

纤芯没有屏蔽外部影响的缺点可借助于护套消除。例如，外部影响可以是具有高损耗的金属物体或材料来代替环境空气。由于在本文中也称为“间隔件”的护套，可使导体布线不受外部影响。

介电波导还可包括沿着介电波导包围护套的屏蔽箔网(Schirmfolie)。可提供屏蔽箔网以符合电磁兼容性或防止耦合到介电波导中。

介电波导还可以包括沿着介电波导包围屏蔽箔网的外封套。由此可减少对介电波导的外部影响，例如天气影响。外封套也可(例如直接地)沿着介电波导围绕护套布置。在这种情况下可相应地省略屏蔽箔网。

护套与纤芯的电容率可具有1:2的比。护套与纤芯的电容率还可具有约1.5:2.25的比。这可对应于大约2/3＝0.66的电容率比。特别地，电容率比可具有大于0.6(或0.61或0.62或0.63或0.64或0.65)的值。特别地，电容率比可具有小于0.7(或0.69或0.68或0.67)的值。电容率比自然可围绕这些值变化约5％。

通过使用与第一纤芯或第二纤芯相同的材料，纤芯的电容率可以在整个介电波导上基本均匀。

介电波导还可包括用于第一纤芯的第一拉伸线和用于第二纤芯的第二拉伸线。第一纤芯可沿着介电波导占据第一拉伸线周围的空间。第二纤芯可沿着介电波导占据第二拉伸线周围的空间。如果将介电波导制造成千米制品，则特别需要拉伸线。

在生产中可能需要拉伸线以提供介电波导。生产方法尤其可以是挤出法。通过其设置，可在第一纤芯和第二纤芯之间设置精确距离。第一拉伸线可在介电波导的横截面中限定第一纤芯的横截面的中心点。此外，第二拉伸线可限定第二纤芯的横截面的中心点。由于第一和第二纤芯相对于彼此的布置，在使用介电波导期间，分别居中布置在相应第一和第二纤芯中的拉伸线可位于高场强区域之外。因此可以减少损耗。

第一纤芯和第二纤芯可具有约0.5mm至1.6mm(例如，1mm至1.6mm)的直径。由此可特别提供在W波段中的有利使用。特别地，介电波导可在75GHz和110GHz之间的频率范围内使用。此外，可为D波段(110到170GHz)提供介电波导。为此，第一纤芯和第二纤芯可具有小于1mm(例如，0.5mm至1mm)的直径。同样可以设想在最高频率范围内专门使用。

同样应理解，此处使用的术语仅用于描述各个实施方式并且不应被视为限制。除非另有定义，否则此处使用的所有技术和科学术语具有与本公开相关的专业领域的专家的一般理解相对应的含义；它们不应被过于宽泛或过于狭隘地解释。如果在此使用了不准确的专业术语并因此不表达本公开的技术思想，则应将其替换为向专家传达正确理解的专业术语。此处使用的通用术语应基于词典中已有的定义或根据上下文进行解释；在这种情况下，应避免过于狭隘的解释。

在此应理解，术语诸如例如“包括”或“包含”或“具有”等表示存在所描述的特征、数量、部件、部分或它们的组合，并且不排除存在或可能添加一个或多个其他特征、数量、部件、部分或其组合。

尽管诸如“第一”或“第二”等术语可能用于描述各种部件，但这些部件不应限于这些术语。仅使用上述术语将一个部件与另一个不同部件区分开来。例如，在不脱离本公开的保护范围的情况下，可以将第一部件描述为第二部件；同样地，第二部件可以被描述为第一部件。术语“和/或”既包括相互连接的若干对象的组合，也包括所描述的多个对象中的任何对象。

如果这里说一个部件“连接”到另一个部件或与它“处于连接”，这可能意味着它们是直接连接的；然而，这里应该注意的是，一个额外的部件可介于两者之间。另一方面，如果说一个部件“直接连接”到另一个部件，则应理解为在两者之间不存在其他部件。

进一步的目的、特征、优点和应用可能性由示例性实施例的以下描述产生，参考相关的附图，这些示例性实施例不应被理解为限制性的。相同或同样的部件或元件总是被提供有相同或相似的附图标记。在本公开的描述中，如果已知的连接功能或构造不必要地偏离本公开的意义，则省略这些详细解释。这里描述和/或描绘的所有特征本身或以任何组合显示这里公开的主题，甚至不受它们在权利要求中的分组或它们的参考文献的影响。在这种情况下，各图中所示的各部件的尺寸和比率不一定是按比率的；它们可能与此处在要实施的实施方式中所示的不同。特别地，为了清楚起见，在各图中可以夸大或低估线路、层和/或区域的厚度。

附图说明

图1显示了具有纤芯和拉伸线的介电波导的示意图；

图2显示了在纤芯周围具有其他层的介电波导的示意图；

图3显示了不具有护套的介电波导的衰减的示意图；

图4显示了不具有护套的介电波导关于与吸收器的距离的衰减增加的示意图；及

图5显示了具有护套的介电波导的衰减关于与吸收器的距离的示意图。

具体实施方式

现在基于示例性实施例描述介电波导。

图1显示了具有纤芯105和拉伸线115与125的介电波导100的示意图。纤芯105包括两根纤芯110和120。纤芯110和120形成介电波导100的公共纤芯105。举例来说，生产中所需的拉伸线115或125在图1中按纤芯110和120显示。在图1的情况下，空气可位于纤芯105的周围环境中。同样，可使用图2中的纤芯105。拉伸线115和125彼此间隔开(参见间距d₃)。这里d₃表示两根纤芯110和120的中心点之间的间距。拉伸线115和125各自位于两根纤芯110和120的中心。

在此，两根纤芯110和120沿它们的纵向方向融合(从横截面看)，使得距离d₃最大对应于纤芯110和120的半径之和(d₁/2+d₂/2)。

很明显，纤芯110和120形成纤芯105，使得由于融合，两根纤芯110和120不呈现精确的圆形形状，而是在重叠区域中相互过渡，参见此处图1中的过渡区A。过渡区A可通过从纤芯110的表面到纤芯120的表面的平滑过渡(以类似于样条曲线的曲线的形式)形成。因此，平滑的坑或凹部可在过渡区A中的纤芯110和120之间形成。纤芯105因此可在截面上具有凹形结构。纤芯105的结构可具有两个侧边区域和一个中心区域。在这种情况下，每个侧边区域可以是圆形的(对此参见两根纤芯110和120)。此处的中心区域可以是凹形的(对此参见过渡区域A)或具有凹形部分。

特别地，间距d₃可以小于d₁/2+d₂/2。因此，在图1中示意性地示出的拉伸线115和125的间距d₃代表最大值。由于两根纤芯110、120融合为一根纤芯105这一事实，因此纤芯110、120的截面可重叠。因此，例如，间距d₃＝d₁/4+d₂/4是可能的。特别地，可规定d₁/4+d₂/4<d₃<d₁/2+d₂/2。此外，如图1所示，纤芯110和120两者的直径可相同(d₁＝d₂)。这对于纤芯110和120的中心点的间距产生以下结果：d₁/2＜d₃＜d₁。例如，纤芯110和120的中心点的间距d₃可在6×d₁/10<d₃<9×d1/10之间的范围内。特别地，纤芯110和120的中心点的间距d₃可大于6×d₁/10(或7×d₁/10或8×d₁/10或9×d₁/10)。纤芯110和120的中心点的间距d₃也可小于9×d₁/10(或8×d₁/10或7×d₁/10或6×d₁/10)。

例如，直径d₁和d₂位于1mm和1.6mm之间的范围内。特别地，直径d₁和d₂可各自大于1.1mm(或1.2mm或1.3mm)。特别地，直径d₁和d₂可分别小于1.7mm(或1.6mm或1.5mm或1.4mm)。拉伸线115和125同样可具有相同或相似的尺寸。拉伸线115和125的直径d₄可在0.05mm至0.4mm的范围内，特别是0.1mm(或0.2mm，或0.3mm)。

介电波导100的纤芯105的图1所示的双圆截面几何形状可具有比具有矩形横截面的介电波导更好的插入损耗。这是因为在最大有效功率密度区域中，较少的介电材料和相应的较少介电损耗作用在场上这一事实。

例如，用于纤芯105的材料可以是弱支化的聚合物链，例如高密度聚乙烯(HDPE)。HDPE具有电容率ε_r＝2.25和损耗因子tanδ＝5×10^-4。然而，此材料不能满足汽车行业的各种要求。出于这个原因，具有ε_r＝2.26的电容率和tanδ＝7×10^-4的损耗因子的碱性聚丙烯(PP)也可用于纤芯105。此材料非常类似于HDPE的介电特性。然而，与HDPE相比，由碱性PP制成的介电波导100的传输特性较差。

为了确保大的线路长度，介电波导100的制造可基于包围载体或拉伸线115和125的介电材料(纤芯110和120的)挤出。在这种情况下，相应的拉伸线115和125可由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成(f＝77GHz时ε_r＝2.91和tanδ＝1×10^-2)。

结合上文或下文描述的示例性实施例提及了进一步的细节和方面。图1中所示的示例性实施例可具有一个或更多个可选的附加特征，其对应于结合所提出的概念或示例性实施例和下文参考图2描述的变型所提及的一个或更多个方面。

图2显示了介电波导200的示意图，其中另外的层230、240和250包围纤芯105。介电波导200代表图1的技术思想的扩展并且可通过图1中描绘的特征来补充。相对于图1所示的介电波导100，图2中显示了介电波导200，它具有纤芯105外的其他元件，即护套230、屏蔽箔网240和外封套250。在图2中，护套230封闭纤芯105，纤芯105由两根纤芯110、120通过融合而成。在图2中可见，两根纤芯110和120可重叠。重叠程度可对应于图1。护套230可在此被描述为或用作间隔件230。

例如，间隔件的材料可以是具有低介电损耗的材料。此外，该材料可具有低介电常数。该间隔件230的直径(b₁×2)也可以被确定尺寸，使得间隔件230外部的场强已经衰减到不能从外部影响的程度。特别地，直径b₁×2在这种情况下可取决于纤芯105和间隔件230的电容率以及所使用的频率范围。例如，间隔件230可具有在1mm至5mm范围内的半径b₁。特别地，b₁可大于2mm(或3mm或4mm或4.5mm或4.75mm或4.8mm)。间隔件230因此可封闭介电波导200的纤芯105以保护其免受环境影响。特别地，可采取注意以确保间隔件230在纤芯105周围创建尽可能大的空间。例如，这样的距离(间隔件230的外边界和纤芯105之间的最短距离)b₄可大于2毫米(或3mm或4mm或5mm或6mm)。间隔材料的量可代表环境影响和材料之间的权衡。

实现间隔件230的一种选择是泡沫挤出。在这种情况下，横截面是圆形的(另请参见图2)。在挤出过程中可选择发泡程度，使得(纤芯105与间隔件230的)介电常数的比基本上对应于目标比1/2。对于大多数材料，这意味着选择尽可能高的发泡程度。为了防止纤芯105和间隔件230之间的融合，分隔箔260可以可选地位于这两个元件之间。可能用于泡沫材料的材料是聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)。泡沫PP的电容率为ε_r＝1.5，损耗因子为tanδ＝5.5×10^-4。

用于实现间隔件230的另一种可能性是用膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)来捆扎。

出于EMV原因，根据应用，采用导电屏蔽箔网240包封间隔件230是明智的。因此，线路与环境电屏蔽。屏蔽箔网240的厚度b₂可以小于0.2mm(或0.15mm或0.1mm或0.05mm)。

为了保护介电波导管免受环境影响(UV辐射或化学过程)，可根据应用提供例如由PVC制成的护套形式的外封套250。此处外封套的厚度b₃可小于0.5mm(或0.45mm或0.4mm或0.35mm)。此处外封套250的厚度b₃可大于0.2mm(或0.25mm或0.3mm或0.35mm)。此外，外封套250可以是耗散层。因此，可通过该层中的损耗来实现足够的屏蔽效果。外封套250可由微弱导电的PVC材料构成或具有微弱导电的PVC材料。

结合上述示例性实施例及其变型提及了进一步的细节和方面。图2中所示的示例性实施例可具有一个或更多个可选的附加特征，其对应于结合所提出的概念或上述示例性实施例(例如图1)及其变型所提及的一个或更多个方面。

图3显示了不具有护套的介电波导的衰减的示意图。图4显示了不具有护套的介电波导的关于与吸收器的距离的示意图。吸收器可以以如图2中所示的外封套的形式提供。图5显示了具有护套的介电波导关于与吸收器的距离的示意图。

此处描述的各方面可用于宽带和鲁棒的信号传导，特别是在自动化过程中的汽车中的信号传导。

与上面详细描述的一个或更多个示例和附图一起提到和描述的各方面和各特征也可与一个或更多个其他示例组合以替换其他示例的类似特征或将引入该特征额外引入另一示例中。

此外，以下权利要求在此并入详细描述中，其中每个权利要求可单独作为单独的示例。如果每个权利要求可单独作为单独的示例，则应该注意，虽然权利要求中的从属权利要求可指与一个或更多个其他权利要求的特定组合，但其他示例性实施例也可包括从属权利要求与任何其他从属或独立权利要求的主题的组合。这些组合在此被提出，除非指出某种组合不是预期的。此外，任何其他独立权利要求也应包括权利要求的特征，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。

Claims

1.一种介电波导(100；200)，其中纤芯(105)由第一纤芯(110)和第二纤芯(120)形成，所述第一纤芯(110)和所述第二纤芯(120)在所述介电波导(100；200)的横截面中具有交会部，

其特征在于，

所述介电波导(100；200)还具有用于所述第一纤芯(110)的第一拉伸线(115)和用于所述第二纤芯(120)的第二拉伸线(125)，其中所述第一纤芯(110)沿着所述介电波导(100；200)占据所述第一拉伸线(115)周围的空间，且所述第二纤芯(120)沿着所述介电波导(100；200)占据所述第二拉伸线(125)周围的空间。

2.根据权利要求1所述的介电波导(100；200)，其中所述第一纤芯(110)和所述第二纤芯(120)沿着所述介电波导(100；200)平行地延伸。

3.根据权利要求1或2所述的介电波导(100；200)，其中所述第一纤芯(110)和所述第二纤芯(120)均为圆形的并且具有相同的直径。

4.根据权利要求1所述的介电波导(100；200)，其中所述第一纤芯(110)和所述第二纤芯(120)各自横截面的中心点具有大于所述第一纤芯(110)和第二纤芯(120)之一的直径一半且小于所述第一纤芯(110)和所述第二纤芯(120)之一的直径的间距。

5.根据权利要求1所述的介电波导(100；200)，还具有沿着所述介电波导(100；200)围绕所述纤芯(105)的护套(230)，其中所述护套(230)具有比所述纤芯(105)的电容率小的电容率，并且其中所述护套(230)具有所述第一纤芯(110)和所述第二纤芯(120)之一的直径的至少两倍大小的直径。

6.根据权利要求5所述的介电波导(100；200)，还具有沿着所述介电波导(100；200)围绕所述护套(230)的屏蔽箔网(240)。

7.根据权利要求6所述的介电波导(100；200)，还具有沿着所述介电波导(100；200)包围所述屏蔽箔网(240)或所述护套(230)的外封套(250)。

8.根据权利要求5所述的介电波导(100；200)，其中所述护套(230)与纤芯(105)的电容率具有1:2的比。

9.根据权利要求1所述的介电波导(100；200)，其中所述第一纤芯(110)和所述第二纤芯(120)具有0.5mm至1.6mm的直径。