CN114631228B

CN114631228B - 高频组件

Info

Publication number: CN114631228B
Application number: CN202080075607.XA
Authority: CN
Inventors: U·休格尔
Original assignee: Huber and Suhner AG
Current assignee: Huber and Suhner AG
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2024-01-05
Anticipated expiration: 2040-11-17
Also published as: CN114631228A; WO2021099300A1; EP4062486A1; US20220393331A1

Abstract

公开了一种高频组件(1)，其包括电缆，电缆包括具有第一端(111)和相反的第二端(112)的至少一个介电波导纤维(11)。高频组件包括高频电路(14)和接口单元(12、13、15、16)。至少一个介电波导纤维(11)在工作时在第一端(111)处经由接口单元(12、13、15、16)与高频电路耦合。接口单元(12、13、15、16)被设计成在第一端(111)处将高频信号注入到介电波导纤维中和/或从至少一个介电波导纤维(11)接收高频信号。高频信号具有第一极化方向的第一信号分量和第二极化方向的第二信号分量，其中，高频组件(1)被设计成以规定方式注入第一信号分量和第二信号分量和/或将接收到的高频信号分裂成第一信号分量和第二信号分量。还公开了一种使用高频组件发送高频信号的方法。

Description

高频组件

技术领域

本发明涉及具有至少一个介电波导纤维、特别是至少一个聚合物微波纤维的高频组件，以及所述至少一个纤维到高频电路的耦合。本发明在高速数据传输装置和数据链路的背景下特别有用。

背景技术

在高速数据传输的进一步发展过程中，介电波导纤维、特别是聚合物微波纤维(PMF)受到了特别的关注。这一趋势的主要驱动力是，除了对具有成本效益的高数据传输能力的需求持续呈指数增长外，硅晶体管技术的改进允许在一个单管芯中构建完全集成的收发器(MMIC)。这种收发器可以以毫米波段及以上的频率工作。

在该频率范围内，传统的基于导体的电缆(诸如双绞线或同轴电缆)由于趋肤效应导致的导体损耗增加而产生高损耗。基于波导的电缆有助于减少这些损耗。在基于纯介电波导电缆的情况下，每米的衰减可以降低到每米约2...8dB的值。此外，缺少电接触和对机械对准公差的显著降低的敏感性增加了这种高速数据传输链路的吸引力。

这种高速数据传输链路的特定方面在US9373878B2、DE102015105657A1、US2016064795A1、US9490518B1、EP3306740A1、EP3306740A1中得到了解决。

发明内容

PMF数据传输中的常见基本假设是基于PMF的波导电缆在其长度上保持注入信号的极化。特别是，在非旋转对称横截面的纤维或纤芯的情况下，通常假设纤维将保持线性极化。在旋转对称电缆的情况下，通常假设电缆将保持圆形极化。普通金属波导就是这种情况，其中，基本模式TE10通常用于数据传输，并且电场强度矢量始终垂直于波导的金属壁。

然而，在实验室设置中表征PMF时，可能会观察到意外的效果。即使将高度准确和精确的测试适配器用于从网络分析仪的中空波导端口到PMF的过渡并因此用于从基本模式TE10(中空波导端口中)到基本模式HE11(PMF中)的过渡或者反之亦然，S参数似乎也以不可预测且不可重现的方式变化。这种变化无法用诸如不准确的部件、公差、未对准和/或寄生谐振器之类的缺陷来解释。

这种意外和不期望的效果的原因实际上是由于PMF而造成的。在生产期间已经出现的微小偏差和不均匀性、材料各向异性(例如，由于聚合物泡沫中的气泡分布和聚合物中的分子取向)导致电磁波传播速度的轻微偏差，具体取决于期望和有利的基本模式HE11中的电场强度矢量(E-矢量)的取向。温度变化、机械应力、纤维的扭曲和/或弯曲会导致类似的效果，这将导致场集中(field concentration)移出电缆的中心。

注意，基本模式HE11中的电磁波E矢量的取向可以表示为两个电磁波的叠加，这两个电磁波都具有基本模式HE11以及在垂直的X方向和Y方向上定向的E矢量(电场强度矢量)。如前所述的波传播速度的变化导致最初的线性极化(其中，E矢量只有一个线性分量)变为任意椭圆极化，或X方向和Y方向上的E矢量分量之间相位关系的不可预测的变化。通过示例的方式，可以发现电缆扭曲10度会导致S参数在期望工作频带(例如，从110GHz至140GHz)上出现不可接受的波纹和凹位。

(例如，网络分析仪的或一般而言，高频电路的)普通的矩形电磁波导端口被设计成接收基本TE10模式的电磁波，其仅在一个特定取向(即，E矢量的方向)上具有线性极化，以允许与连接波导进行良好匹配。当使用PMF进行信号传输时，HE11模式的上述任意椭圆极化将在波导端口中转换为类似的椭圆极化TE10模式信号，从而导致PMF与波导端口之间的匹配通常较差且变化不定。这导致电磁波的大部分能量在与波导端口的界面处被反射。此外，PMF本身的通常低的损耗最终可能导致多次反射。这些反射会导致前面描述的效果和所提及的不令人满意的S参数值。

鉴于前述问题，本发明的总体目标是对关于使用介电波导纤维并且特别是聚合物波导纤维及其与另外部件的耦合的信号传输的现有技术进行改进。有利地，完全地或部分地避免了一些或所有前述问题。

在一个方面，总体目标是通过高频组件或微波组件来实现的。高频组件包括电缆，电缆包括具有第一端和相反的第二端的至少一个介电波导纤维。高频组件还包括高频电路(具体是电子高频电路)和接口单元。至少一个介电波导纤维在工作时在第一端处经由接口单元与高频电路耦合。

接口单元被设计成在第一端处将高频信号注入到介电波导纤维中和/或从至少一个介电波导纤维接收高频信号。高频信号具有第一极化方向的第一信号分量和第二极化方向的第二信号分量。高频组件被设计成以规定方式注入第一信号分量和第二信号分量和/或将接收到的高频信号分裂成第一信号分量和第二信号分量。

以规定方式注入第一信号分量和第二信号分量意味着第一信号分量和第二信号分量的幅度或电平和/或第一信号分量与第二信号分量之间的定相(phasing)被明确地规定并且可以被控制。注入到介电波导纤维中或从介电波导纤维接收的两个信号分量尤其可以在基本模式HE11下工作。

在另一方面，通过一种经由电缆的至少一个介电波导纤维发送高频信号的方法来实现总体目标，介电波导纤维具有第一端和相反的第二端。所述方法包括在第一端处将高频信号注入到至少一个介电波导纤维中和/或从至少一个电磁波导纤维接收高频信号。高频信号具有第一极化方向的第一信号分量和第二极化方向的第二信号分量。所述方法包括以规定方式注入第一信号分量和第二信号分量和/或将接收到的高频信号分成第一信号分量和第二信号分量。

所述方法可以具体地使用按照根据本公开的任何实施方式的高频组件来执行，并且可以包括这些实施方式固有的方法步骤。

在一些实施方式中，高频电路可以包括发送器、接收器、滤波器、放大器、衰减器或其任何组合。此外，在一些实施方式中，高频电路包括一个或更多个微波半导体部件。高频电路还可以包括另外的高频部件，具体是波导元件，诸如金属波导元件、基板集成波导和/或微带线。在一些实施方式中，高频电路可以包括移相单元和/或切换单元作为电器件和/或波导器件。介电波导纤维的第二端可以连接至另一高频电路。

在实施方式中，至少一个介电波导纤维是聚合物微波纤维(PMF)。这种类型的实施方式总体上在下文中假设。应注意，电缆可以可选地包括两个或更多个介电微波纤维，各个介电微波纤维可以经由专用接口单元耦合到高频电路。代替聚合物，至少一个介电波导纤维可以由具有类似特性的其它材料(诸如玻璃或陶瓷)制成。

在实施方式中，第一极化方向和第二极化方向彼此正交。这种正交方向在本文档中也分别由“X”和“Y”(针对HE11模式)或“X”和“Y”(针对TE10模式)表示。

在实施方式中，接口单元包括正交模换能器或双极化天线。正交模换能器(OMT)是本领域公知的波导部件，并且用于组合正交极化电磁系统和/或将电磁信号分开或分裂成两个正交分量。双极化天线是如下天线结构，其例如采用偶极天线、缝隙天线、Vivaldi天线或贴片天线的形式，其被设计成分别在两个正交方向上发送两个电磁信号以接收具有正交方向的两个电磁信号。这两个电磁信号在两个信号线(例如，带状线、基板集成波导、微带线、同轴线)中被引导至天线或从天线被引导。

在实施方式中，高频组件包括布置在第一端和接口结构的连接处的介电透镜。介电透镜可以具体地布置在介电波导纤维的第一端处并且用作终止介电波导纤维的终端元件。

喇叭天线提供从基本模式TE10(在中空波导端口中)到基本模式HE11(在PMF中)的过渡，反之亦然。喇叭天线尤其可以与OTM结合使用。喇叭天线可以布置在纤维与OTM之间，并且辐射到作为接收元件的OTM中或朝着作为接收元件的OTM辐射。类似地，介电透镜可以与双极化天线结合使用。介电透镜可以布置在纤维与双极化天线之间，并且辐射到作为接收元件的双极化天线中或朝着作为接收元件的双极化天线辐射。介电透镜可以与作为天线部件的喇叭天线一体地设置。另选地，双极化天线可以直接邻近纤维端部布置。

在实施方式中，高频组件被设计成对第一信号分量的第一信号电平和第二信号分量的第二信号电平进行评估。在另外的实施方式中，高频组件被配置为独立于第一信号电平信号分量和/或第二信号电平信号分量而仅将第一信号分量或仅将第二信号分量馈送到接收电路中。在另外的实施方式中，高频组件被配置为：如果第一信号分量的信号电平超出信号电平阈值，则从仅将第一信号分量馈送到接收电路中切换成仅将第二信号分量馈送到接收电路中；如果第二信号分量的信号电平超出信号电平阈值，则从仅将第二信号分量馈送到接收电路中切换成仅将第一信号分量馈送到接收电路中。

这种电路设计也称为分集接收器，并且是高频电路或高频电路的一部分。它通常包括根据第一信号分量和第二信号分量的信号电平在第一信号分量与第二信号分量之间进行切换的切换元件。它还可以包括比较单元，该比较单元被配置为将馈送到接收单元的信号电平(其为第一信号电平或第二信号电平)与信号电平阈值进行比较，并相应地控制切换元件。为了确保稳定的系统行为并避免不必要的切换，信号电平阈值可以是自适应的，如下面在示例性实施方式的上下文中所解释的。

由于避免反射(在最坏的情况下为多次反射)是非常期望甚至至关重要的，因此最好提供端接负载来端接未使用的信号路径，即，在第二信号分量被馈送到接收电路的情况下端接第一信号分量的信号路径，反之亦然。在另一实施方式中，高频组件被配置为确定第一信号电平和第二信号电平中的哪一个更大，并且如果第一信号电平大于第二信号电平，则仅将第一信号分量馈送到接收电路中，或者，如果第二信号电平大于第一信号电平，则另选地仅将第二信号分量馈送到接收电路中。

通常，信号能量在两个信号分量之间分配，第一信号分量与第二信号分量之间的分布取决于任意极化。仅将信号分量之一馈送到接收电路中的前述实施方式可以避免接收信号电平下降到50％以下或甚至最坏下降到零。然而，由于仅利用了原始电磁信号的全部能量的一部分，所以这种实施方式与高达3dB的通常不期望的衰减相关联。有利地，针对这种类型的实施方式，高频组件(具体是高频电路)被设计成进行第一信号电平和/或第二信号分量的第二信号电平的评估以及以连续方式进行切换。

在实施方式中，高频组件被设计成通过以下方式从接收到的第一信号分量和接收到的第二信号分量生成组合信号：利用可调整的定相来叠加第一信号分量和第二信号分量，使得组合信号的组合信号电平最大。针对这种类型的实施方式，由于利用了第一信号分量和第二信号分量两者，所以避免了前面提到的不利衰减。任意椭圆极化导致第一信号分量与第二信号分量之间从0°...360°的未知相位关系，因此移相单元可以阻止在最坏的情况下两个信号将被相减而不是相加。移相通常由接收电路以有利的连续方式控制。

在实施方式中，电子电路包括第一接收电路和第二接收电路。高频组件被配置为将第一信号分量馈送到第一接收电路中，将第二信号分量分开地馈送到第二接收电路中。这种类型的实施方式的高频组件还被配置为将第一接收电路的第一输出信号和第二接收电路的第二输出信号叠加。针对这种类型的实施方式，第一信号分量和第二信号分量分别由两个接收电路进行解调和数字转换，然后在数字域中叠加。

在实施方式中，高频组件被设计成确定在第二端处接收的接收信号电平并对注入到至少一个介电波导纤维中的第一信号分量和第二信号分量的幅度和相位关系进行控制。这种类型的实施方式的高频组件被有利地设计成对第一信号分量与第二分量之间的相位和幅度关系进行控制，使得接收信号电平最大或接近最大值。

在前述实施方式中，在输出侧或接收侧解决了介电波导纤维的输出侧的任意且不可预测的椭圆极化问题，而在输入侧的高频信号的注入原则上可以是任意的或具有任意固定极化。相比之下，针对最后描述的类型的实施方式，接收电路的波导端口原则上可以被设计用于注入波导端口的电磁波信号的任何固定极化。相对于第一信号电平、第二信号电平以及信号分量之间的定相、按在输出端处获得期望的最大信号电平的方式来控制输入侧的高频信号的馈送。高频信号的注入相应地以闭环并且有利地以连续方式控制。

在实施方式中，高频组件被配置为以极化双工工作模式同时进行发送和接收。针对这种类型的实施方式，接收电路被配置为对第一接收信号和第二接收信号的幅度和相位关系进行评估，从而确定第一端处的接收到的有效极化矢量。这种类型的实施方式的高频组件还被配置为计算该接收到的有效极化矢量的正交极化矢量并在第一端处将发送信号注入到至少一个介电波导纤维中，另外的信号根据正交极化矢量被极化。

天线(诸如如前所述的喇叭天线)有利地接收具有接收到的有效极化矢量的接收信号，并且发送具有正交极化矢量的发送信号。

针对这种类型的实施方式，纤维的第一端处的接收信号(在纤维的相反的第二端处注入)和在纤维的第一端处注入(并因此在纤维的相反的第二端处接收)的发送信号可以在纤维中在相反方向上行进或传播而不会发生干扰。以这种方式可以在纤维的第一端和第二端处都接收到最大信号电平。

附图说明

图1以示意性功能视图示出了高频组件的实施方式；

图2以示意性功能视图示出了高频组件的另一实施方式；

图3以示意性功能视图示出了高频组件的又一实施方式；

图4以示意性功能视图示出了高频组件的又一实施方式。

具体实施方式

在下文中，首先参照图1，该图示出了高频组件的实施方式。为了简明起见，最详细地解释该实施方式，而另外的实施方式的描述集中在实施方式的不同之处或特定方面。

高频组件1包括波导电缆，该波导电缆具有至少一个聚合物波导纤维(PMF)11作为介电波导纤维。

波导电缆以及相应地PMF 11具有第一端111和相反的第二端112。这里和下文中，示例性地假设信号在作为输入或注入侧的第二端112处注入到PMF 11中，并且作为电磁波在PMF 11中被传输或传导到作为输出或接收侧的第一端111。可以通过任何合适的高频电路或组件(未示出)将信号注入到PMF 11中。应理解，第一端和第二端可以颠倒。在PMF 11中，电磁波以基本模式HE11传播，该基本模式HE11具有沿第一方向(X)极化的第一信号分量和沿正交的第二方向(Y)极化的第二信号分量。这两个信号分量可以理解为在基本HE11模式下并且分别沿所指示的极化方向X、Y的两个叠加的电磁波。方向X、Y横穿电磁波的传播方向。

在PMF 11的第一端111处，布置了喇叭天线12，其具体可以是圆形喇叭天线。在一些实施方式中，PMF具有圆形横截面。然而，也可以使用其它横截面，诸如矩形横截面。在任何情况下，PMF 11和喇叭天线是适当匹配的。

经由喇叭天线12，基本模式HE11的电磁波在喇叭天线12的输出侧处变换为基本模式TE10的电磁波，其具有极化方向为X’、Y’的两个正交信号分量。

如在总体描述中解释的，第一端111处的X方向和Y方向上的信号分量以及相应地还有由喇叭天线12发射的电磁波的X’方向和Y’方向上的信号分量是任意的。

喇叭天线13将其电磁信号辐射到本领域公知的正交模换能器13中。在正交模换能器中，信号被划分(divide)或分裂(split)成分别沿X’方向和Y’方向的正交分量。这些信号分量被分开地馈送到关联的接收电路141a、141b中。在接收电路141a、141b中，信号被解调并转换成数字域。在叠加单元142中，接收的输出信号在进一步处理之前被叠加，以提高信噪比。

在下文中，另外参照图2。在图2的实施方式中，仅存在单个接收电路141。信号分量的叠加是在喇叭天线13的输出端与接收电路141的输入端之间进行的。为此，提供叠加单元142’，该叠加单元142’叠加由喇叭天线13发射的基本模式TE10模式信号的具有极化方向X’、Y’的信号分量。叠加单元142’的输出信号被馈送到接收电路141，如前文总体所述的。移相单元143布置在两个信号支路之一中(在该示例中，布置在具有Y’极化的信号分量的支路中)，从而允许调整具有X’极化的信号分量与具有Y’极化的信号分量之间的定相。定相由接收电路141控制，使得输出电平总是最大。

在下文中，另外参照图3。在图3的实施方式中，与图2的实施方式类似，仅存在具有单个输入线路的单个接收电路141。然而，在图3的实施方式中，具有X’极化和Y’极化的两个信号分量没有叠加。相反，提供了切换单元144，两个信号分量被馈送到该切换单元144中。根据开关144的状态，两个信号分量中的任何一个被转发到接收电路141的输入端。切换单元144由接收电路144控制，以根据信号电平阈值在第一信号分量与第二信号分量之间进行切换或转换，如在总体描述中所解释的。在变型例中，信号电平阈值可以根据特定时间或时间窗口中的切换次数而适应性地增加或减少。

在下文中，另外参照图4。图4的实施方式总体上类似于图2的实施方式。然而，与图2的实施方式相比，接口单元包括双极化天线16代替正交模换能器14。在PMF11的第一端111处或在PMF 11与极化天线16的连接处，布置介电透镜15。应注意，介电透镜虽然可以帮助提高天线效率和减少RF泄漏，但它可以省略或被其它RF能量聚焦元件(如管状零件、导向器、反射镜和/或棱镜)更换。

从双极化天线143到接收电路141的信号传输在该示例中是通过微带线实现的。

附图标记

1 高频组件

11 介电波导纤维/电缆

111 第一电缆端

112 第二电缆端

12 喇叭天线

13 正交模换能器

14 高频电路

141、141a、141b 接收电路

142、142’ 叠加单元

143 移相单元

144 切换单元

15 介电透镜

16 双极化天线

O 输出信号

X、Y 极化方向(TE11)

X’、Y’ 极化方向(HE10)

Claims

1.一种高频组件（1），所述高频组件包括：

- 电缆，所述电缆包括具有第一端（111）和相反的第二端（112）的至少一个介电波导纤维（11），所述至少一个介电波导纤维（11）是聚合物微波纤维；

- 高频电路（14）；

- 接口单元，其中，所述至少一个介电波导纤维（11）在工作时在所述第一端（111）处经由所述接口单元与所述高频电路耦合；

其中，所述接口单元被设计成在所述第一端（111）处将高频信号注入到所述至少一个介电波导纤维中和/或从所述至少一个介电波导纤维（11）接收高频信号；

其中，所述高频信号具有第一极化方向的第一信号分量和第二极化方向的第二信号分量，其中，所述高频组件（1）被设计成以规定方式注入所述第一信号分量和所述第二信号分量和/或将接收到的高频信号分裂成所述第一信号分量和所述第二信号分量，并且

所述高频组件（1）被设计成对所述第一信号分量的第一信号电平和所述第二信号分量的第二信号电平进行评估以及以连续方式进行切换。

2.根据权利要求1所述的高频组件（1），其中，所述第一极化方向和所述第二极化方向彼此正交。

3.根据权利要求1或2所述的高频组件（1），其中，所述接口单元包括正交模换能器（13）或双极化天线（16）。

4.根据权利要求1或2所述的高频组件（1），其中，所述高频组件包括布置在所述第一端（111）与所述接口单元的连接处的喇叭天线（12）和/或介电透镜（15）。

5.根据权利要求1或2所述的高频组件（1），其中，所述高频组件（1）被配置为独立于所述第一信号电平和/或所述第二信号电平而仅将所述第一信号分量或仅将所述第二信号分量馈送到接收电路中。

6.根据权利要求5所述的高频组件（1），其中，所述高频组件（1）被配置为：如果所述第一信号分量的信号电平超出信号电平阈值，则从仅将所述第一信号分量馈送到所述接收电路中切换成仅将所述第二信号分量馈送到所述接收电路中；如果所述第二信号分量的信号电平超出信号电平阈值，则从仅将所述第二信号分量馈送到所述接收电路中切换成仅将所述第一信号分量馈送到所述接收电路中。

7.根据权利要求1或2所述的高频组件（1），其中，所述高频组件（1）被设计成通过以下方式从接收到的第一信号分量和接收到的第二信号分量生成组合信号：利用可调整的定相来叠加所述第一信号分量和所述第二信号分量，使得所述组合信号的组合信号电平最大。

8.根据权利要求1或2所述的高频组件（1），其中，所述高频电路包括第一接收电路（141a）和第二接收电路（141b），其中，所述高频组件（1）被配置为将所述第一信号分量馈送到所述第一接收电路（141a）中，将所述第二信号分量分开地馈送到所述第二接收电路（141b）中，并将所述第一接收电路（141a）的第一输出信号和所述第二接收电路（141b）的第二输出信号叠加。

9.根据权利要求1或2所述的高频组件（1），其中，所述高频组件（1）被设计成确定在所述第二端（112）处接收的接收信号电平并对注入到所述至少一个介电波导纤维中的所述第一信号分量和所述第二信号分量的幅度和相位关系进行控制。

10.根据权利要求1或2所述的高频组件（1），其中，所述高频组件（1）被配置为通过以下方式在极化双工工作模式下同时进行发送和接收：

- 所述高频电路对所述第一端处的第一接收信号和第二接收信号的幅度和相位关系进行评估，从而确定所述第一端（111）处的接收到的有效极化矢量；

- 计算该接收到的有效极化矢量的正交极化矢量；

- 在所述第一端（111）处将发送信号注入到所述至少一个介电波导纤维（11）中，所述发送信号根据所述正交极化矢量而被极化。

11.一种经由电缆的至少一个介电波导纤维（11）发送高频信号的方法，所述至少一个介电波导纤维（11）是聚合物微波纤维，所述至少一个介电波导纤维（11）具有第一端（111）和相反的第二端（112），所述方法包括：

- 在所述第一端（111）处将高频信号注入到所述至少一个介电波导纤维（11）中和/或从所述至少一个介电波导纤维（11）接收高频信号，

- 其中，所述高频信号具有第一极化方向的第一信号分量和第二极化方向的第二信号分量，其中，所述方法包括：以规定方式注入所述第一信号分量和所述第二信号分量和/或将接收到的高频信号分裂成所述第一信号分量和所述第二信号分量，并且

所述方法还包括：对所述第一信号分量的第一信号电平和所述第二信号分量的第二信号电平进行评估以及以连续方式进行切换。