JP2018537044A - 誘電体導波管 - Google Patents

Abstract

電磁信号を伝搬する誘電体導波管は、クラッドおよび導電性シールドを含む。クラッドは、第１の誘電体材料から構成された本体を有する。本体は、本体の内部に、第１の誘電体材料とは異なる第２の誘電体材料で満たされるコア領域を画定する。クラッドは、本体の外面から遠位端へ延びる少なくとも２つのリブをさらに含む。シールドは、リブの遠位端と係合し、本体の外面とシールドの内面との間に、放射状にエアギャップが画定されるように、クラッドの周囲を取り囲む。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、どちらも全体として参照により本明細書に組み込まれている、２０１５年１２月１４日出願の中国特許出願第２０１５１０９２２４４２．６号、および２０１６年１月２１日出願の米国特許出願第１５／００２５６５号の優先権を主張する。

本明細書の主題は、一般的に、誘電体導波管に関する。

誘電体導波管は、通信の応用分野において、経路に沿って電磁波の形で信号を伝達するために使用される。誘電体導波管は、無線周波送信器および／または受信器へのアンテナの接続など、通信装置の接続のための通信伝送線を提供する。開放空間では、波は、すべての方向に伝搬するが、一般的に誘電体導波管は、波を閉じ込め、画定された経路に沿って波を誘導し、このことにより、導波管によって高周波信号を比較的長い距離にわたって伝送することが可能となる。

誘電体導波管は、少なくとも１つの誘電体材料を含み、一般的には２つ以上の誘電体材料を含む。誘電体とは、電界を印加することによって分極させることができる電気絶縁性材料である。誘電体材料の分極の起こりやすさは、誘電定数または比誘電率と呼ばれる値によって表される。所与の材料の誘電定数は、定義上１である真空の誘電率に対する比として表される、その材料の誘電体誘電率である。第２の誘電体材料より大きな誘電定数を有する第１の誘電体材料は、分極によって第２の誘電体材料より多くの電荷を蓄積することが可能である。

いくつかの知られている誘電体導波管は、コア誘電体材料と、コア誘電体材料を取り囲むクラッド誘電体材料とを含む。コア誘電体材料およびクラッド誘電体材料のそれぞれの誘電定数は、寸法やその他のパラメータに加えて、導波管を通る電磁界の導波管内での分布の仕方に影響を与える。知られている誘電体導波管では一般的に、電磁界は、コア誘電体材料、クラッド誘電体材料を通過し、一部はクラッド誘電体材料の外側（たとえば、導波管外部の空気中）まで、放射状に広がる分布を有する。

電磁界の一部が、誘電体導波管のクラッド外部に広がり周囲環境に入ることに関して、いくつかの問題がある。第１に、導波管の外側に分布する電磁界の一部によって、複数の誘電体導波管を１つのケーブル内で束にしたときに、高レベルのクロストークが発生する可能性があり、クロストークレベルは、導波管を通じて伝搬する信号の変調周波数が高くなるほど増大する。第２に、空気中の一部の電磁界は、導波管内で伝搬する電磁界より速く進む可能性があり、これによって、分散と呼ばれる望ましくない電気的影響を招く。分散は、信号のいくらかの周波数成分が、その信号の他の周波数成分とは異なる速度で進むときに生じ、その結果、信号内干渉が生じる。第３に、誘電体導波管は、誘電体導波管に対する人間の手の接触などの、電磁界と相互作用する外部の物理的影響のために、干渉および信号の劣化を受ける可能性がある。
最後に、導波管に含まれない電磁界は、導波管の輪郭をたどらずに、直線状に拡散していく傾向があるため、電磁界のうち導波管の外側に分布する部分は、導波管内の屈曲部を通る内に失われる可能性がある。

これらの問題の少なくともいくつかに対して取りうる１つの解決策は、クラッド層の直径またはクラッド層を取り囲む誘電体外被層の直径を大きくすることなどによって、誘電体導波管の全体的な直径を大きくすることである。誘電体材料の量を増やすことで、より良く電磁界を閉じ込め、導波管の外側へ伝搬する電磁界の量または範囲が低減される。しかし、誘電体導波管の大きさを増大させることで、導波管の可撓性の低下、材料コストの増加、所与の領域または空間内に入れることができる導波管の数の減少（たとえば、導波管の密度の低下）などの、他の欠点が生じる。

取りうる別の解決策は、導波管の外側誘電体層と係合して導波管の全周を取り囲む導電性シールド層を設けることである。しかし、導電性材料で誘電体導波管を完全に囲むと、電磁界の一部が導電性材料に表面電流を誘導するため、導波管内で望ましくない高いエネルギー損失レベル（たとえば、挿入損失および／または反射損失）を生じる可能性がある。損失レベルが高くなると、電磁波が導波管を通じて伝搬する有効長が短くなる。さらに、外側金属シールド層が、伝搬する電磁波と相互作用することで、問題となるカットオフ周波数を有する望ましくない伝搬モードが発生する可能性がある。たとえば、いくつかの特定の周波数において、シールド層が、望ましい電磁界の伝搬を完全に停止または「カットオフ」する可能性がある。

許容可能に低い損失レベルを提供し、望ましくないモード伝搬を回避しつつ、比較的小型で、外部の影響（たとえば、クロストークおよび他の干渉）に対する感度は低い高周波電磁信号を伝搬する誘電体導波管が必要とされている。

一実施形態では、電磁信号を伝搬する誘電体導波管が提供される。誘電体導波管は、クラッドおよび導電性シールドを含む。クラッドは、第１の誘電体材料から構成された本体を有する。本体は、本体の内部に、第１の誘電体材料とは異なる第２の誘電体材料で満たされるコア領域を画定する。クラッドは、本体の外面から遠位端へ延びる少なくとも２つのリブをさらに含む。シールドは、リブの遠位端と係合し、本体の外面とシールドの内面との間に、放射状にエアギャップが画定されるように、クラッドの周囲を取り囲む。

別の実施形態では、電磁信号を伝搬する誘電体導波管が提供される。誘電体導波管は、クラッドおよび導電性シールドを含む。クラッドは、第１の誘電体材料から構成された本体を有する。本体は、本体の内部に、第１の誘電体材料とは異なる第２の誘電体材料で満たされるコア領域を画定する。クラッドは、本体の外面から遠位端へ延びる少なくとも３つのリブをさらに含む。シールドは、リブの遠位端と係合し、クラッドの本体の外面とシールドの内面との間に、放射状に複数のエアギャップが画定されるように、クラッドの周囲を取り囲む。シールドは、複数の直線状の壁と、隣接する直線状の壁同士の交差部に位置する角とを有する多角形の断面形状を有する。リブの遠位端は、シールドの角と係合する。

さらに別の実施形態では、電磁信号を伝搬する誘電体導波管が提供される。誘電体導波管は、クラッドおよびコア部材を含む。クラッドは、第１の誘電体材料を含み、コア領域の周りに配置される。コア部材は、第１の誘電体材料とは異なる第２の誘電体材料を含み、コア領域内に配置される。クラッドは、コア部材の外面から遠位端へ延びる少なくとも２つのリブをさらに含む。クラッドは、リブの遠位端と係合する外側シェルを備え、外側シェルは、コア部材の外面とシェルの内面との間に、放射状にエアギャップが画定されるように、コア部材の周囲を取り囲む。

一実施形態によって形成された誘電体導波管の、上方から見た斜視図である。 図１に示す線２−２に沿って切り取った、図１に示す実施形態による誘電体導波管の断面図である。 誘電体導波管の他の形態の断面図である。 別の実施形態による誘電体導波管の断面図である。 別の実施形態による誘電体導波管の断面図である。 別の実施形態による誘電体導波管の断面図である。 別の実施形態によって形成された誘電体導波管の斜視図である。 別の実施形態によって形成された誘電体導波管の斜視図である。 図８に示す誘電体導波管の断面図である。 ２つの異なる導波管の外径に関して、減衰を周波数の関数として示す図である。

本明細書に記載する１つまたは複数の実施形態は、電磁信号を伝搬する誘電体導波管を対象とする。誘電体導波管の実施形態は、クロストークおよび他の外部干渉を低減させると同時に、導波管内で望ましくないモード伝搬または望ましくない高レベルの損失を生じさせないように、導波管の外側に配置された導電性シールドを有する。損失レベルがより低くなることで、導波管は、画定された経路に沿って信号をより遠くへ伝達することが可能となる。１つまたは複数の実施形態では、誘電体拡長構造が、クラッド層を越えて延び、金属箔などの導電性シールドを支持する。拡長構造は、任意で、誘電体導波管のクラッド層の一部として押出成形することができる。拡長構造は、クラッドとシールドとの間に、空気で満たされた間隙またはポケットを画定するように、クラッドの外面または境界から間隔を空けた、または離れた位置でシールドと係合してシールドを支持する。
拡長構造は、クラッドとシールドとの間の空間が、可能な限り多くの空気または低い誘電定数を有する別の誘電体材料で満たされる状態を維持するように構成することができる。たとえば、誘電体導波管の長さ全体にわたって、クラッドとシールドとの間の容積または空間の大部分は、空気が占めることができる。この方策によって、誘電体導波管の挿入損失を許容可能な低いレベルで維持し、周波数カットオフを引き起こす可能性のある望ましくない伝搬モードの発生を回避、または少なくとも低減させ、誘電体導波管の妥当な外径を維持し、クロストークおよび他の外部干渉に対するシールドを提供する。

図１は、一実施形態によって形成された誘電体導波管１００の、上方から見た斜視図である。誘電体導波管１００は、２つの通信装置（図示せず）間での信号伝送のために、誘電体導波管１００の長さ全体にわたって電磁波または電磁界の形で信号を伝達するように構成される。通信装置には、アンテナ、無線周波送信器および／または受信器、計算装置（たとえば、デスクトップコンピュータまたはラップトップコンピュータ、タブレット、スマートフォンなど）、メディア記憶装置（たとえば、ハードドライブ、サーバなど）、ネットワークインターフェース装置（たとえば、モデム、ルータなど）などを含むことができる。誘電体導波管１００は、１２０〜１６０ギガヘルツ（ＧＨｚ）などのサブテラヘルツ帯の無線周波数範囲で高速信号を伝送するために使用することができる。この周波数範囲内の高速信号は、５ミリメートル未満の波長を有する。
誘電体導波管１００は、変調された無線周波数（ＲＦ）信号を伝送するために使用することができる。変調ＲＦ信号は、データスループットを向上させるために、直交数学領域において変調されてもよい。本明細書では、誘電体導波管１００を「導波管」１００と呼ぶ場合もある。

導波管１００は、垂直軸または高さ軸１９１、横軸１９２、および長手方向軸１９３に向きを合わせている。軸１９１〜１９３は、互いに直交している。高さ軸１９１が、重力に対して略平行の垂直方向に延びるように示しているが、軸１９１〜１９３は、重力に対していかなる特定の向きを有する必要もないことが理解される。導波管１００は、第１の端部１０２と第２の端部１０４との間の長さ全体にわたって細長く延びる。図示した実施形態では、導波管は、長さ全体にわたって長手方向軸１９３に対して平行に延びるが、導波管１００は、図示した直線方向から曲がるように構成することもできる。誘電体導波管１００の長さは、接続する２つの通信装置間の距離、導波管１００の物理的な大きさ、構造、および材料、導波管１００を通じて伝搬する信号の周波数、信号の品質または完全性に関する要件、ならびに干渉を引き起こす可能性のある外部の影響の存在の有無などの様々な要因に応じて、１〜５０メートルの範囲とすることができる。
本明細書に開示する導波管１００の１つまたは複数の実施形態は、１０〜２５メートルの範囲の長さを有し、１２０〜１６０ＧＨｚの周波数を有する高速の電磁信号を、定義された規格に応じて許容できる信号品質で伝達することができる。１つの導波管１００の長さより長い距離だけ離れた通信装置を接続するために、導波管１００を１つまたは複数の他の導波管１００と連結することができる（たとえば、端部同士、または側部同士）。

導波管１００は、第１の誘電体材料から形成された本体１０６を有するクラッド１１０を含む。一実施形態では、クラッド１１０の本体１０６は、第１の端部１０２と第２の端部１０４との間で導波管１００の長さ全体にわたって延びる。その代わりに、本体１０６の一方または両方の端部を、導波管１００の対応する端部１０２、１０４から引っ込めさせることもでき、突出させることもできる。クラッド１１０の本体１０６は、本体１０６を通じ、本体１０６の長さ全体にわたってコア領域１１２を画定する。コア領域１１２は、第１の誘電体材料とは異なる第２の誘電体材料で満たされる。本明細書で使用するように、誘電体材料は、電磁界の印加によって分極させることができる電気絶縁体である。本体１０６の第１の誘電体材料は、コア領域１１２の第２の誘電体材料を取り囲む。本明細書では、クラッド１１０の本体１０６の第１の誘電体材料をクラッド材料と呼び、コア領域１１２内の第２の誘電体材料をコア材料と呼ぶ。
コア材料は、クラッド材料の誘電定数値とは異なる誘電定数値を有する。コア領域１１２内のコア材料は、固相または気相とすることができる。たとえば、コア材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの固体ポリマーとすることができる。その代わりに、コア材料は、空気などの１種または複数種の気体とすることができる。空気は、約１．０という低い誘電定数を有する。

コア材料およびクラッド材料のそれぞれの誘電定数は、誘電体導波管１００内を伝搬する電磁界（または電磁波）の分布に影響を与える。一般的に、誘電体導波管を通る電磁界は、少なくとも、１〜１５の範囲の誘電定数を有する材料の場合、より大きな誘電定数を有する材料内に集中する。一実施形態では、コア領域１１２内のコア材料の誘電定数は、クラッド材料の誘電定数より大きく、そのことにより電磁界は、コア領域１１２内に概ね集中するが、電磁界のわずかな部分は、クラッド１１０の本体１０６内および／または本体１０６の外側に分布する可能性がある。別の実施形態では、コア材料の誘電定数は、クラッド材料の誘電定数より小さく、したがって電磁界は、クラッド１１０の本体１０６内に概ね集中し、わずかな部分は、本体１０６の径方向内側にあるコア領域１１２内、および／または本体１０６の外側に分布する可能性がある。

一実施形態では、クラッド１１０は、本体１０６の外面１１６から外向きに延びる少なくとも２つのリブ１０８をさらに含む。リブ１０８はそれぞれ、外面１１６に固定される近位端１１８から、外面１１６から離れる遠位端１２０まで延びる、高さを有する。リブ１０８は、実質的に、第１の端部１０２と第２の端部１０４との間でクラッド１１０の本体１０６の長さ全体にわたって長手方向に延びる。一実施形態では、リブ１０８は、クラッド１１０が、本体１０６と本体１０６から延びるリブ１０８との両方を含む単一の部品構造体となるように、本体１０６と一体形成される。その代わりに、リブ１０８は、接着剤などの結合剤や力学的締結具などによって本体１０６に取り付けられる、別個の個別部品とすることができる。

誘電体導波管１００は、クラッド１１０の周囲を取り囲む導電性シールド１１４をさらに含む。シールド１１４は、シールド１１４に導電性を与える１種または複数種の金属から構成される。シールド１１４は、信号伝送を劣化させるクロストークおよび他の形の干渉に対する、導波管１００のための電磁シールドを提供する。例示的な実施形態では、シールド１１４は、本体１０６の外面１１６とシールド１１４の内面１２８との間に、放射状に少なくともいくつかのエアギャップ１２７を画定するように、クラッド１１０の本体１０６の外面１１６全体と直接係合しない。たとえば、シールド１１４は、クラッド１１０の外周の周りでリブ１０８の遠位端１２０と係合する。遠位端１２０は、本体１０６の外面１１６とは間隔が空けられるため、リブ１０８は、シールド１１４の少なくともいくつかの部分を、外面１１６から間隔を空けて保持し、シールド１１４と外面１１６との間にエアギャップ１２７を画定する。
１つまたは複数の実施形態では、シールド１１４の内面１２８は、リブ１０８の遠位端１２０と係合するが、本体１０６の外面１１６とは係合しない。したがって、個々のエアギャップ１２７は、円周方向に、隣接するリブ１０８間に形成され、エアギャップ１２７は、本体１０６の外面１１６とシールド１１４の内面１２８との間に放射状に広がる。代替的な実施形態では、シールド１１４の内面１２８は、本体１０６の外面１１６のすべてではなくいくつかの部分と係合する。「エアギャップ」として記載するが、間隙１２７は、空気の代わりに、または空気に加えて、空気以外の１種または複数種の気体が占めることができる。

シールド１１４は、クラッド１１０を完全に取り囲む。たとえば、シールド１１４は、クラッド１１０および／または導波管１００の長さ全体にわたって実質的に延びる中空の円筒または角柱である。シールド１１４は、シールド１１４内にシールド１１４の長さ全体にわたる空洞１３０を画定する。空洞１３０は、導波管１００の第１の端部１０２および第２の端部１０４において開いている。クラッド１１０は、空洞１３０内に配置される。一実施形態では、シールド１１４の外面１３２は、導波管１００の外側境界を画定する。以下でより詳細に説明するように、シールド１１４は、クラッド１１０の形状に沿うことができる。たとえば、シールド１１４は、クラッド１１０の周りに巻き付けることもでき、あるいはシールド１１４は、熱および／または高圧の印加に応じて収縮する、または細くなる熱収縮性チューブとすることもできる。
その代わりに、シールド１１４は、硬質または半硬質の壁を有する金属角柱など、クラッド１１０の形状に沿わない事前形成された容器とすることもできる。

代替的な実施形態では、導波管１００は、シールド１１４の内部で少なくとも部分的にクラッド１１０を放射状に取り囲む外被（図示せず）をさらに含むことができる。リブ１０８は、クラッド１１０から外被を通じて延びてもよいし、または外被の外面から延びてもよい。外被は、誘電体材料から構成される。エアギャップは、外被の外面とシールド１１４の内面１２８との間に画定される。

図２は、図１に示す線２−２に沿って切り取った、図１に示す実施形態による導波管１００の断面図である。図示した実施形態では、クラッド１１０の本体１０６は、円形の断面形状を有する。本体１０６の直径は、１〜１０ｍｍとすることができ、またより具体的には２〜４ｍｍとすることができる。コア領域１１２は、矩形の断面形状を有する。コア領域１１２の矩形形状によって、コア領域１１２を通じて伝搬する電磁波の、略水平方向または略垂直方向における電磁界分極を支援することができる。コア領域１１２の断面積は、０．０８〜３ｍｍ^２とすることができ、またより具体的には０．１〜１ｍｍ^２とすることができる。図示した実施形態では、コア領域１１２は、固体のコア部材１２２で満たされる。コア部材１２２は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＰＴＦＥ、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミドなど、またはそれらの組合せを含む、少なくとも１種の誘電体ポリマー材料（コア材料を画定する）から構成される。
コア部材１２２は、コア領域１１２を画定する、コア部材１２２の外面１２４と本体１０６の内面１２６との間に、間隔や間隙が存在しないように、コア領域１１２を満たす。クラッド１１０は、コア部材１２２の長さ全体にわたってコア部材１２２と係合し、コア部材１２２を取り囲む。代替的な実施形態では、コア材料は、固体のコア部材１２２の代わりに、空気または別の気相の誘電体材料とすることもできる。

クラッド１１０の本体１０６は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＰＴＦＥ、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミドなど、またはそれらの組合せを含む誘電体ポリマー材料から構成される。これらの材料は、一般的に低損失特性を有し、そのため導波管１００は、より長い距離にわたって信号を伝送することが可能となる。導波管１００の誘電定数が、コア部材１２２とクラッド１１０の本体１０６との間の境界面の通過時に変化するように、クラッド材料は、コア材料とは異なる。一実施形態では、リブ１０８は、クラッド１１０の本体１０６と同じ誘電体ポリマー材料から構成される。たとえば、リブ１０８は、本体１０６の外面１１６から突出する、一体化された拡長部とすることができる。したがって、リブ１０８は、クラッド１１０が単一の部品構造体となるように、本体１０６と一体形成することができる。
クラッド１１０は、押出、成形、延伸、溶融などによって製造することができる。代替的な実施形態では、リブ１０８は、本体１０６とは別に形成することができ、形成後に、接着剤や、力学的締結具などによって、本体１０６に固定することができる。

図示した実施形態では、クラッド１１０は、４つのリブ１０８を含む。リブ１０８はそれぞれ、本体１０６から放射状に延びる。たとえば、近位端１１８から遠位端１２０までのリブ１０８の高さは、本体１０６の円形断面の中心で互いに交差する軸または条１３３に沿って向けられている。さらに、図示した実施形態では、リブ１０８は、本体１０６の円周の周りで互いに等しく間隔を空けている。より具体的には、リブ１０８は、本体１０６の円周の周りで互いに約９０度の角度の間隔を空けている。リブ１０８のうちの少なくともいくつかは、本体１０６の外面１１６から同じ径方向の高さだけ延びる。たとえば、図示した実施形態では、４つのリブ１０８すべてが、互いに概ね同じ高さと概ね同じ幅を有する。
コア領域１１２の長方形形状を除いて、リブ１０８および本体１０６を含むクラッド１１０の断面形状は、本体１０６の中心を通って延びる少なくとも４つの対称線に沿って対称である（たとえば、条１３３に沿う２つの対称線、高さ軸１９１に沿う１つの線、横軸１９２に沿う１つの線）。図２に示すクラッド１１０は、シールド１１４の空洞１３０の中心に位置する。

シールド１１４は、銅、アルミニウム、銀などを含む１種または複数種の金属または合金から形成することができる。その代わりに、シールド１１４は、誘電体ポリマー内に金属粒子を分散させることによって形成された導電性ポリマーとすることもできる。シールド１１４は、金属箔、導電性テープ、金属薄板の薄いパネル、導電性の熱収縮性チューブなどの形とすることができる。シールド１１４は、クラッド１１０の周りに箔またはテープを比較的きつく巻き付けるまたは巻くことによって、クラッド１１０に適用することができる。熱収縮性チューブの場合には、クラッド１１０を空洞１３０内へ挿入することができ、次いで熱および／または高圧を印加して、シールド１１４を収縮させ、クラッド１１０の輪郭に沿わせる。硬質または半硬質の壁を有する事前形成されたシールド１１４の場合には、クラッド１１０を空洞１３０内へ挿入し、干渉嵌め、接着剤、または力学的締結具によって所定位置に保持することができる。

シールド１１４は、多角形の断面形状を有する。図示した実施形態では、シールド１１４は、４つの直線状の壁１３６と、隣接する壁１３６同士の交差部に位置する角１３８とを有する矩形（たとえば、長方形または正方形）である。図２に示す角１３８は、形状が斜めにされるか、または面取りされており、対応する隣接する壁１３６同士の間に９０度の角度をなさない。角１３８は、リブ１０８の遠位端１２０に係合し、遠位端１２０によって支持される。図２のリブ１０８の遠位端１２０は平坦であり、シールド１１４の角１３８は、平坦な端部１２０の形状に沿うことができ、その結果、図示するように斜めにされるか、または面取りされた形状が得られる。シールド１１４の壁１３６はそれぞれ、２つの隣接するリブ１０８の遠位端１２０の間で直線状に延びる。一実施形態では、壁１３６のうちの少なくともいくつかは、本体１０６の外面１１６と直接係合しない。
そのため、本体１０６から間隔を空けられた壁１３６に沿って、外面１１６とシールド１１４の内面１２８との間に、放射状にエアギャップ１２７が画定される。

図示した実施形態では、４つの個々のエアギャップ１２７は、シールド１１４とクラッド１１０との間に画定される。各リブ１０８は、第１の側面１４０および反対側の第２の側面１４２を含む。エアギャップ１２７は、リブ１０８の第１の側面１４０および第２の側面１４２両方に沿って画定される。たとえば、第１のエアギャップ１２７Ａは、第１のリブ１０８Ａと第１のリブ１０８Ａに隣接している第２のリブ１０８Ｂとの間で本体１０６の外面１１６のセグメント１４４によって部分的に画定される、囲まれた領域または空間である。また囲まれた領域は、第１のリブ１０８Ａの第２の側面１４２および第２のリブ１０８Ｂの第１の側面１４０によって画定される。さらに、囲まれた領域は、本体１０６のセグメント１４４に対向する第１の壁１３６Ａに沿って、シールド１１４の内面１２８によって画定される。
第１の壁１３６Ａは、２つの隣接する角１３８Ａ、１３８Ｂの間で延びる。隣接する角１３８Ａ、１３８Ｂは、それぞれ第１のリブ１０８Ａおよび第２のリブ１０８Ｂの遠位端１２０と係合する。図示した実施形態では、他のエアギャップ１２７は、エアギャップ１２７Ａと同一または少なくとも類似の大きさおよび形状を有することができる。

リブ１０８は、クラッド１１０の本体１０６からシールド１１４へ延びる固体誘電体材料であるが、一実施形態では、本体１０６とシールド１１４との間の断面領域の大部分は、空気によって占められる。したがって、リブ１０８は、リブ１０８同士の間により大きなエアギャップ１２７を設けるために、より薄い幅を有することができる。しかし、リブ１０８は、リブ１０８に加わる張力および他の力によって屈曲または変形することなくシールド１１４を支持するために、構造上堅固な基部を提供するのに十分な大きさを有するように設計される。隣接するリブ１０８同士の間の外面１１６に沿った各セグメント１４４の少なくとも大部分は、シールド１１４と係合せず、空気に触れている。図示した実施形態では、シールド１１４の壁１３６がいずれのセグメント１４４とも係合しないため、リブ１０８の間の各セグメント１４４全体が空気に触れている。
たとえば、リブ１０８の遠位端１２０が、円形の本体１０６が内接する仮想正方形の辺を越えて突出するように、リブ１０８は、本体１０６から放射状に延びる。仮に遠位端１２０のうちの少なくとも１つが、仮想正方形の辺を越えて突出しない場合は、直線状の壁１３６のうちの１つまたは複数が、本体１０６の外面１１６のセグメント１４４のうちの１つまたは複数と係合するはずである。

空気は、約１．０という低い誘電定数を有し、これは、コア部材１２２および／またはクラッド１１０に使用される固体ポリマー（たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびＰＴＦＥ）の誘電定数より低い。誘電定数がより低いため、クラッド１１０の周りに空気を与えると、クラッド１１０の周りに固体のポリマー被覆を設けた場合に比べて、導波管１００のコア領域１１２およびクラッド１１０内への電磁界の閉じ込めが改善される。コア領域１１２およびクラッド１１０内によりよく電磁界を閉じ込めることによって、電磁界の一部が導電性シールド１１４と相互作用したときに生じる可能性のある損失および望ましくない伝搬モードを低減させ、信号伝送が改善される。

また、空気によって閉じ込めの改善がもたらされることで、導波管１００の全体的な直径を、固体のポリマー被覆層を有する、基準用導波管より小さくすることが可能となる。たとえば、図２に示すシールド１１４は、高さ軸１９１に沿った４ｍｍの高さおよび横軸１９２に沿った４ｍｍの幅を有し、１６ｍｍ^２の総断面積を有することができる。空気の誘電定数がより低く、電磁界の閉じ込め性能のため、本体１０６と同様のクラッドとシールド１１４と同様のシールドとの間に固体の誘電体ポリマー外被を有する基準用誘電体導波管は、エアギャップ１２７を有する図示した実施形態と同程度の電磁界の閉じ込めを実現するには、１６ｍｍ^２より大きな総断面積を有する必要があるはずである。たとえば、使用される被覆の固体誘電体材料によって、基準用導波管の総断面積は、２０ｍｍ^２以上になる可能性がある。
基準用導波管の大きさが大きくなることは、可撓性の低下、材料コストの増加、所与の大きさの導波管束内の導波管密度の低下などのために望ましくない。

図３は、別の実施形態による誘電体導波管１００の断面図である。図１および図２に示す実施形態の構成要素と同様の図３に示す実施形態の構成要素は、同じ参照番号で識別される。図１および図２に示す導波管１００の実施形態と同様に、図示した実施形態では、導波管１００は、クラッド１１０の略円形の本体１０６を有し、４つのリブ１０８が、本体１０６の外面１１６から矩形シールド１１４の角１３８へ放射状に延びる。しかし、クラッド１１０の本体１０６は、シールド１１４の空洞１３０の中心に位置していない。たとえば、本体１０６は、他の３つの角１３８Ａ、１３８Ｂ、および１３８Ｃに対する本体１０６の位置より、１つの角１３８Ｄの近くに配置される。クラッド１１０のコア領域１１２は、円形の本体１０６の中心に位置するが、コア領域１１２は、シールド１１４に対しては、ずれている。
別の実施形態では、コア領域１１２は、よりシールド１１４の中心に近い位置など、円形の本体１０６に対してずらして配置することができる。

角１３８Ｄと係合するリブ１０８Ｄは、他のリブ１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃより短い径方向の高さを有する。さらに、本体１０６の外面１１６は、図１および図２に示す実施形態とは異なり、２つの壁１３６Ｃ、１３６Ｄに沿ってシールド１１４の内面１２８と係合する。しかし、シールド１１４は、本体１０６の全周とは係合しない。本体１０６とシールド１１４との間には、角１３８Ｄとは反対側の、本体１０６から最も遠い角１３８Ｂの近くに位置する２つの大きなエアギャップ１２７Ａ、１２７Ｂを含む複数のエアギャップ１２７が画定される。

「中心導波管」と呼ぶ図１および図２に示す誘電体導波管１００の実施形態について、「コーナー導波管」と呼ぶ図３に示す導波管１００の実施形態、および導電性シールドのない基準用導波管とともに、実験的に試験した。３つの導波管について、１２０〜１６０ＧＨｚの範囲にわたって試験した。１４０ＧＨｚにおける基準用導波管の挿入損失は、０．８８２ｄＢ／ｍ（デシベル／メートル）と測定され、中心導波管およびコーナー導波管の挿入損失は、それぞれ０．９５０ｄＢ／ｍおよび１．２６７ｄＢ／ｍであった。中心導波管およびコーナー導波管の挿入損失は、一切シールドのない基準用導波管より少しだけ高かった。したがって、中心導波管とコーナー導波管はどちらも、基準用導波管にはないクロストークおよび他の干渉に対するシールドを提供しながら、良好な低い損失レベルを有することができる。
反射損失に関しては、２つの間では、０．９５０ｄＢ／ｍの中心導波管が、１．２６７ｄＢ／ｍのコーナー導波管より、わずかに良好な試験結果であった。

図４は、別の実施形態による誘電体導波管１００の断面図である。図示した実施形態では、クラッド１１０の本体１０６は、円形の断面形状を有し、３つのリブ１０８が、本体１０６から放射状に延びる。図１および図２に示す実施形態と同様に、リブ１０８は、本体１０６の周りで周方向に互いに等しく間隔を空けられる。より具体的には、リブ１０８は、互いに約１２０度の角度の間隔を空けられる。本体１０６から遠位端１２０までのリブ１０８の径方向の高さは、シールド１１４の壁１３６が本体１０６の外面１１６と係合しないように、本体１０６から十分な間隔を空けてシールド１１４を支持および保持するために、相対的に高く（または長く）することができる。図示した実施形態では、導波管１００は、３つのエアギャップ１２７を画定する。

シールド１１４は、リブ１０８の周りに巻き付けた金属箔または導電性テープとすることができ、その結果、三角形の断面形状が得られる。その代わりに、シールド１１４は、リブ１０８の形状に応じた導電性の熱収縮性チューブとすることができる。図４に示すように、リブ１０８の遠位端１２０を丸くすることができ、そのことによりシールド１１４は、図１および図２に示す面取りされた角１３８とは異なり、湾曲した角１３８を有する。クラッド１１０の本体１０６は、シールド１１４の空洞１３０の概ね中心に位置する。

図５は、別の実施形態による誘電体導波管１００の断面図である。図５では、クラッド１１０の本体１０６は、４つの角１５０を有する矩形の断面形状を有する。本体１０６内に画定されるコア領域１１２は、円形の断面形状を有する。クラッド１１０は、本体１０６の角１５０から概ね放射状に延びる４つのリブ１０８をさらに含む。４つのリブ１０８はそれぞれ、角１５０のうちの別々の角から延びる。リブ１０８は、シールド１１４の壁１３６がいずれも本体１０６の外面１１６と直接係合しないように、本体１０６から間隔を空けられた位置にシールド１１４を支持および保持する。図５では、導波管１００は、４つのエアギャップ１２７を画定する。

上で図示および説明した誘電体導波管１００の実施形態はすべて、３つまたは４つのリブ１０８を有するが、他の実施形態では、４つを超えるリブ１０８または４つ未満のリブ１０８を含むこともできる。たとえば、図６は、クラッド１１０の本体１０６から外向きに延びる２つのリブ１０８を含む別の実施形態による誘電体導波管１００の断面図である。２つのリブ１０８のうちの第１のリブ１０８Ａは、シールド１１４の第１の壁１３６Ａと係合し、第２のリブ１０８Ｂは、シールド１１４の第２の壁１３６Ｂと係合する。本体１０６の外面１１６は、シールド１１４の第３の壁１３６Ｃおよび第４の壁１３６Ｄと係合する。シールド１１４の壁１３６Ａ〜Ｄは、シールド１１４の矩形の断面形状を支持するために、少なくとも半硬質とすることができる。壁１３６Ａ〜Ｄは、薄い金属パネルまたは金属薄板から形成することができる。
たとえば、シールド１１４は、自立する、事前形成された容器とすることができる。図示したように、クラッド１１０のどの部分も、シールド１１４を支持するためにシールド１１４の角１３８と係合しない。図６に示す実施形態では、壁１３６Ａ〜Ｄを本体１０６から離れて保持するようにシールド１１４を支持するのではなく、リブ１０８Ａ、１０８Ｂは、シールド１１４の空洞１３０内でクラッド１１０を位置決めして保持するために使用される。たとえば、クラッド１１０が、４つすべての壁１３６Ａ〜Ｄと係合し、シールド１１４に対して回転する、あるいは垂直方向または横方向に動くことができないように、クラッド１１０を空洞１３０内に押し込むことができる。図６に示す導波管１００は、本体１０６とシールド１１４との間に、４つのエアギャップ１２７を画定する。

次に本発明のさらなる態様について、図７〜１０を参照して説明する。誘電体導波管（ファイバとも呼ぶ）は、ミリメートル波信号を低損失で伝送するために使用することができる。これは、高いデータレート（１０Ｇｂｉｔ／ｓ超）を有する通信リンクにとって有用となる可能性がある。これらのファイバの概念は、導波管に沿って伝搬する波を刺激することである。導波管が純粋な誘電体からなり、金属を含まない場合には、進行する波の電磁界分布は、誘電体内を伝搬する部分と、ファイバの周りの媒体（通常は空気）内を伝搬する部分とに分割される。

誘電体の損失正接（ｔａｎＤ）により、ファイバ内のすべての電磁界部分は減衰する。高い誘電定数を有する材料を使用すると、電磁界が主にファイバ内に集束されるというトレードオフが見られる。これは、これらの電磁界部分が材料損失によって減衰することを意味する。損失要因を低減させるためには、見出すのが困難な可能性があるが、低い損失正接（ｔａｎＤ）を有する材料を使用することができ、または、誘電定数を低下させて、ファイバの周りの電磁界部分を増加させることもできる。これは、電磁界が、ファイバへの接近、ファイバへの接触、またはファイバを金属物の近くに置くことなどの、環境の影響を受ける可能性があることを意味する。

まず図７を参照すると、固体材料から製造されるコア部材１２２を有する導波管１００が示されている。たとえば、上述したように、コア材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミドなど、またはそれらの組合せを含む固体ポリマーとすることができる。この実施形態によれば、実質的に、エアギャップ１２７内に含まれる空気によって、コア部材１２２の誘電定数値とは異なる誘電定数値を有するクラッドが、形成される。これらのエアギャップ１２７は、コア部材１２２の外面とコア部材１２２から間隔を空けられたシェル１１３の内面１２８との間に、放射状に画定される。シェル１１３は、たとえば、円形の断面形状を有することができる。当然ながら、導電性シールド１１４に関して前に考慮したような任意の他の断面形状を、シェル１１３に対しても使用することができる。

コア部材１２２とシェル１１３との間の間隔を維持するために、支持リブ１０８が設けられる。図示した実施形態では、コア部材１２２の円周の周りで周方向に等しく間隔を空けられて、４つのリブ１０８が配置される。リブ１０８は、導波管１００の信号誘導特性に大きな影響を与えないように、可能な限り薄くなるように設計され、したがって導波管１００の断面領域のわずかな部分だけに存在する。たとえば、２ｍｍ^２の断面積を有するコア部材１２２とともに、約０．２ｍｍの壁の厚さを用いることで、満足な結果をもたらした。当然ながら、他の値も適宜選択することができる。

さらに、前述の実施形態とは対照的に、シェル１１３は必ずしも導電性である必要はない。たとえば、導波管１００全体を、コア部材１２２、リブ１０８、およびシェル１１３に対して同じ材料を使用して、一体押出成形部分として製造することができる。しかし、シェル１１３の外面を、やはり導電性シールド層で被覆することもできる。

図８は、この導波管の概念の変形を示し、ここではコア部材１２２は、実質的に矩形の断面を有する。この実施形態によれば、コア部材１２２の矩形断面の角からシェル１１３の内面へ延びる、４つのリブ１０８が設けられる。当業者には明らかなように、コア部材１２２の断面形状として、たとえば楕円形または一般的な多角形などの、任意の他の断面形状を選択することもできる。

図９には、図８に示す導波管１００の特定の実施形態が、概略断面図で示されている。シェル１１３によって画定されるような導波管１００の外径を、ＯＤと示す。コア部材１２２は、第１の辺の長さａおよび第２の辺の長さｂを有する。リブ１０８の壁の厚さをｔと示す。たとえば、ａ＝２ｍｍおよびｂ＝１ｍｍの寸法を有する導波管１００は、壁の厚さｔ＝０．２ｍｍおよびシェル１１３の外径ＯＤ＝５．０ｍｍと組み合わせることで有利になりうることが分かった。

さらに、そのような導波管１００の減衰は、外径ＯＤの変化により、大きな影響を受けないことが分かった。これを図１０に示す。図１０は、減衰（ｄＢ／ｍ）を信号周波数（ＧＨｚ）の関数として示す図である。曲線１００１および１００２は、それぞれ５．０ｍｍの外径ＯＤおよび５．５ｍｍの外径ＯＤに属するものである。このグラフから導くことができるように、ほとんど同一の減衰が測定される。１４０ＧＨｚの伝送周波数の場合、ＯＤ＝５．０ｍｍに関する曲線１００１では、３．６７８３４８４ｄＢ／ｍに達し、ＯＤ＝５．５ｍｍに関する曲線１００２では、３．６７２９６２ｄＢ／ｍの減衰値に達する。これは、外径がより大きくなると、周囲への電磁界の漏れがより少なくなり、したがって隣接する導波管同士のクロストークおよび妨害が低減されるため、有利である。
たとえば、ＯＤ＝５．０ｍｍの場合に、電磁界の２．２２％が、シェル１１３の外側で周囲の空気中にあるのに対して、ＯＤ＝５．５ｍｍの場合には、電磁界の１．２９％だけが、シェル１１３の外側で周囲の空気中に分布する。

要約すると、図７〜１０を参照して説明した実施形態において、接触に対する感度を高めることなく、低損失の導波管を実現する可能性をもたらす。導波管は、固体の低損失ポリマーコア（たとえば、円形または矩形）と、大きなエアセル（断面構造）を有するクラッドとを備える。適切なコア寸法を選択することによって（キャリア周波数および材料の誘電定数に応じて）、電磁界の大きな部分が、エアセルクラッド内を伝搬する。空気の損失正接（ｔａｎＤ）はゼロであり、したがってリブのわずかな条片（ｔ＜＜λの幅を有する）だけが、波の伝搬に損失を生じさせる。十分な外径（＞λ）を選択することによって、導波管境界付近の電磁界強度は、接触に対する感度がもはや検出できないほど、十分に低くなる。

上記の説明は、限定的なものではなく例示的なものであると意図されることを理解されたい。たとえば、前述の実施形態（および／またはそれらの態様）は、互いに組み合わせて使用することができる。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの変更を行うことができる。寸法、材料の種類、様々な構成要素の向き、ならびに本明細書に記載する様々な構成要素の数および位置は、特定の実施形態のパラメータを規定するために意図されており、何ら限定的なものではなく、単なる例示的な実施形態である。特許請求の範囲の趣旨及び範囲内の多くの他の実施形態および変形は、上記の説明を読めば、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲に与えられるものと同様な範囲全体とともに判定されるべきである。
添付の特許請求の範囲では、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「ｉｎ ｗｈｉｃｈ」という用語は、それぞれ「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」の通常の英語における同等語として使用される。さらに、以下の特許請求の範囲では、「第１」、「第２」、および「第３」などの用語は、標識としてのみ使用され、それらの対象に数的な要件を課すことを意図しない。さらに、以下の特許請求の範囲における限定は、ミーンズ−プラス−ファンクション（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ）形式で書かれたものではなく、そのような特許請求の範囲における限定が、明示的に「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」という語句を使用し、それに続き、さらなる構造に関する記述なしに、機能に関して記述しない限り、米国特許法第１１２条（ｆ）に基づいて解釈されることを意図しない。

Claims (26)

1. 第１の誘電体材料から構成された本体を有するクラッドであって、前記本体は、前記本体の内部に、前記第１の誘電体材料とは異なる第２の誘電体材料で満たされるコア領域を画定し、前記クラッドが、前記本体の外面から遠位端へ延びる少なくとも２つのリブをさらに含んでいる、クラッドと、
   前記リブの前記遠位端と係合する導電性シールドであって、前記本体の前記外面と前記シールドの内面との間に、放射状にエアギャップが画定されるように、前記クラッドの周囲を取り囲んでいる、導電性シールドと
   を備えている、電磁信号を伝搬する誘電体導波管。
2. 前記シールドは、前記本体の前記外面と直接係合していない、請求項１に記載の誘電体導波管。
3. 前記本体と前記シールドとの間に画定される断面領域の大部分が、空気によって占められている、請求項１に記載の誘電体導波管。
4. 前記コア領域を満たす前記第２の誘電体材料は、空気または固体誘電体ポリマーの少なくとも一方である、請求項１に記載の誘電体導波管。
5. 前記シールドは、ラップ材、熱収縮性チューブ、または事前形成された容器のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の誘電体導波管。
6. 前記リブは、前記本体から放射状に延びている、請求項１に記載の誘電体導波管。
7. 前記クラッドの前記本体は、円形の断面形状を有しており、前記リブは、円周方向に互いに等しく間隔を空けられている、請求項１に記載の誘電体導波管。
8. 前記リブは、前記第１の誘電体材料から構成されるように、単一の部品クラッドとして前記本体と一体化されている、請求項１に記載の誘電体導波管。
9. 前記シールドの前記内面は、空洞を画定しており、前記クラッドの前記本体は、前記空洞の中心に配置されている、請求項１に記載の誘電体導波管。
10. 前記クラッドの前記本体は、４つの角を有する矩形の断面形状を有しており、前記誘電体導波管は、それぞれ前記４つの角のうちの別々の角から延びる、４つのリブを有している、請求項１に記載の誘電体導波管。
11. 前記誘電体導波管は、少なくとも３つのリブを含んでおり、前記シールドは、隣接するリブの前記遠位端の間で直線状に延びる壁を有している、請求項１に記載の誘電体導波管。
12. 前記クラッドの前記本体は、第１の端部と、その反対側の第２の端部との間の長さ全体にわたって延びており、前記リブのそれぞれは、実質的に、前記第１の端部と前記第２の端部との間の前記本体の長さ全体にわたって延びている、請求項１に記載の誘電体導波管。
13. 前記リブは、前記本体に位置するそれぞれの前記遠位端とそれぞれの近位端との間に画定される径方向の高さを有しており、前記リブのうちの少なくともいくつかは、同じ径方向の高さを有している、請求項１に記載の誘電体導波管。
14. 第１の誘電体材料から構成された本体を有するクラッドであって、前記本体は、前記本体の内部に、前記第１の誘電体材料とは異なる第２の誘電体材料で満たされるコア領域を画定し、前記クラッドは、前記本体の外面から遠位端へ延びる少なくとも３つのリブをさらに含んでいる、クラッドと、
    前記リブの前記遠位端と係合する導電性シールドであって、前記クラッドの前記本体の前記外面と前記シールドの内面との間に、放射状に複数のエアギャップが画定されるように、前記クラッドの周囲を取り囲んでおり、かつ、複数の直線状の壁と、隣接する直線状の壁同士の交差部に位置する角とを有する多角形の断面形状を有しており、前記リブの前記遠位端は、前記シールドの前記角と係合している、導電性シールドと
    を備えている、電磁信号を伝搬する誘電体導波管。
15. 前記リブのそれぞれは、第１の側面と、その反対側の第２の側面とを有しており、前記エアギャップは、前記リブの前記第１の側面と前記第２の側面との両方に沿って画定されている、請求項１４に記載の誘電体導波管。
16. 前記シールドは、前記本体の前記外面と直接係合していない、請求項１４に記載の誘電体導波管。
17. 前記エアギャップのうちの少なくとも１つは、２つの隣接するリブの間にある前記本体の前記外面のセグメントと、前記２つの隣接するリブと、前記壁の１つに沿って２つの隣接する角の間に延びる前記シールドの前記内面とによって画定される、囲まれた領域であり、前記２つの隣接する角のそれぞれは、前記２つの隣接するリブのうちの対応するリブと係合している、請求項１４に記載の誘電体導波管。
18. 前記シールドの前記内面は、空洞を画定しており、前記クラッドの前記本体は、前記空洞の中心に配置されている、請求項１４に記載の誘電体導波管。
19. 前記クラッドの前記本体は、円形の断面形状を有しており、前記リブは、円周方向に互いに等しく間隔を空けられている、請求項１４に記載の誘電体導波管。
20. 前記リブは、前記本体から放射状に延びており、かつ、前記第１の誘電体材料から構成されるように、単一の部品クラッドとして前記本体と一体化されている、請求項１４に記載の誘電体導波管。
21. 第１の誘電体材料を含み、コア領域の周りに配置されるクラッドと、
    前記第１の誘電体材料とは異なる第２の誘電体材料を含み、前記コア領域内に配置されるコア部材であって、前記クラッドが、前記コア部材の外面から遠位端へ延びる少なくとも２つのリブをさらに含んでいる、コア部材とを備えており、
    前記クラッドは、前記リブの前記遠位端と係合する外側シェルを備えており、前記外側シェルは、前記コア部材の前記外面と前記シェルの内面との間に、放射状にエアギャップが画定されるように、前記コア部材の周囲を取り囲んでいる、
    電磁信号を伝搬する誘電体導波管。
22. 前記コア部材と前記少なくとも２つのリブと前記シェルは、同じ材料から一体製造されている、請求項２１に記載の誘電体導波管。
23. 前記シェルは、実質的に円形の断面形状を有している、請求項２１に記載の誘電体導波管。
24. 前記コア部材は、矩形、円形、または楕円形の断面形状を有している、請求項２１に記載の誘電体導波管。
25. 前記コア部材は、円形の断面形状を有しており、前記リブは、円周方向に互いに等しく間隔を空けられている、請求項２１に記載の誘電体導波管。
26. 前記コア部材は、多角形の断面形状を有しており、前記リブは、前記多角形の角のそれぞれから前記シェルへ延びている、請求項２１に記載の誘電体導波管。

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