介電波導管的製作方法

2023-06-29 12:25:41 1

本文主題總體涉及介電波導管(dielectric waveguides)。

背景技術：

介電波導管被用於通信應用以沿著兩個端部之間的路徑傳送電磁波。介電波導管可提供用於將天線連接至無線電頻率發送器和接收器的、和其他應用中的通信傳輸線路。例如，雖然波在敞開的空間中沿所有方向傳播，但是介電波導管沿著限定的路徑引導所述波，這允許波導管在相對長的距離上傳輸高頻率信號。

介電波導管包括至少一種介電材料。介電材料是可以由所施加的電場極化的電絕緣材料。介電材料的極化率由被稱為介電常數或相對電容率(permittivity)的值來表示。給定材料的介電常數是其介電的電容率，其表示為相對於限定為1的真空的電容率的比。若第一介電材料具有的介電常數大於第二介電材料的介電常數，則所述第一介電材料能夠藉助於極化而比第二介電材料存儲更多的電荷。

一些已知的介電波導管包括芯部介電材料、以及圍繞芯部介電材料的包覆(cladding)介電材料。所述包覆部可被用於將行進通過芯部的波信號從可能干擾信號傳輸並且降級信號的外部影響中隔離。例如，這樣的外部影響可包括觸摸介電波導管的人手和/或接觸或緊密靠近波導管的另一傳導部件。芯部周圍的包覆層典型地是圓形的。然而，圓形的包覆層可使得將介電波導管連接至電部件或其他波導管變得困難。例如，一些波導管包括長方形的(rectangular)或其他矩形形狀的(oblong-shaped)芯部。對於第一波導管的芯部的取向重要的是，在連接界面處與第二波導管的芯部的取向對準，以便於電磁波跨過兩個波導管之間的界面。如果兩個波導管的芯部和/或包覆部沒有正確地對準，則通過波導管傳送的電能中的至少一些將不橋接波導管之間的界面。例如，芯部和包覆部的形狀取向為通過波導管的極性或電場取向。如果芯部相對於彼此旋轉地偏移，則通過第一波導管的波可與通過第二波導 管的波不同地極化或取向。因此，來自第一波導管的波可能在界面處反射，而不是跨過界面被接收到第二波導管中。由於包覆部是圓形的，所以不存在用於將兩個波導管對準在一起、使得芯部和包覆部二者具有匹配取向的基準部(datum)或參考邊緣。因而，波導管中的一個可能相對於另一個滾動，這會使得波導管不對準，並且可導致跨過波導管之間的界面的被降級的信號傳輸。

仍需要一種介電波導管，其提供用於將波導管連接至其他波導管或電部件的更好的機械對準，以便於增加跨過連接界面的信號傳輸的質量和完整性。

技術實現要素：

根據本發明，一種用於傳播電磁信號的介電波導管包括在兩個端部之間延伸一長度的包覆構件。包覆構件由第一介電材料形成。包覆構件限定以包覆構件的長度延伸通過包覆構件的芯部區域。芯部區域填充有第二介電材料，所述第二介電材料具有的介電常數值不同於第一介電材料的介電常數值。包覆構件具有矩形的橫截面形狀，並且芯部區域具有圓形的橫截面形狀。

附圖說明

圖1是根據一實施例形成的介電波導管的頂部透視圖。

圖2是根據第一實施例的介電波導管的橫截面視圖。

圖3是根據第二實施例的介電波導管的橫截面視圖。

圖4是根據替代實施例的介電波導管的頂部透視圖。

圖5是根據另一替代實施例的介電波導管的橫截面視圖。

具體實施方式

圖1是根據一實施例形成的介電波導管100的頂部透視圖。介電波導管100被配置為沿著波導管100的長度傳送電磁信號用於將波傳輸到天線、無線電頻率發送器和/或接收器、或另一電部件，或從上述部件傳輸波。電磁信號可以是波的形式。介電波導管100可被用於傳輸子太赫茲(sub-terahertz)無線電頻率信號，諸如在120-160GHz的範圍中。信號是毫米波信號，因為在該頻率範圍中的信號具有小於五毫米的波長。介電波導管100可被用於傳 輸調製的無線電頻率(RF)信號。調製的RF信號可在正交數學域(orthogonal mathematical domain)中被調製以增加數據吞吐量。介電波導管100相對於豎直或俯仰軸線191、橫向軸線192、和縱向軸線193取向。軸線191-193是相互垂直的。雖然俯仰軸線191表現為在大致平行於重力的豎直方向上延伸，但是理解的是，軸線191-193不被要求具有相對於重力的任何特定取向。介電波導管100在兩個端部104之間沿著縱向軸線193延伸一長度。

介電波導管100包括延伸介電波導管100的長度的包覆構件102。包覆構件102是由介電材料形成的，在本文中被稱為包覆材料。因而，包覆材料是可通過施加的電場來極化的電絕緣體。包覆構件102具有矩形的橫截面形狀。例如，包覆構件102的橫截面形狀是在一個方向上長於另一方向。包覆構件102的矩形的形狀可將傳播通過介電波導管100的電磁波在水平或豎直的極性上取向。包覆構件102可以是具有直角的角部的長方形、具有彎曲角部的長方形、梯形、橢圓形、卵形等。在圖示的實施例中，包覆構件102具有頂側106、底側108、左側110、和右側112。如本文使用的，諸如「第一」、「第二」、「頂」、「底」、「左」、「右」的相對或空間術語僅用於區分標記的元件，並且不必要地要求在介電波導管100中、或在介電波導管100的周圍環境中的特定位置、順序、或取向。

包覆構件102限定以兩個端部104之間的包覆構件102的長度而延伸通過包覆構件102的芯部區域114。芯部區域114包括在包覆構件102的二個端部104處的開口116。在圖示的實施例中，芯部區域114具有圓形的橫截面形狀。在替代實施例中，芯部區域114可具有矩形的橫截面形狀。芯部區域114填充有介電材料，本文稱為芯部材料。芯部材料具有的介電常數不同於包覆材料的介電常數。

芯部材料和包覆材料的不同的介電常數影響波導管100內的電場的分布。例如，通過波導管100的電場可集中在具有較大介電常數的材料內，至少對於具有0-15範圍中的介電常數的兩種介電材料是這樣。因而，如果包覆材料具有的介電常數大於芯部材料的介電常數，則大部分的電場分布在包覆構件102內(使得電場強度在包覆構件102內最大)，即使一些電場可能分布在芯部區域114內和/或包覆構件102的外部。另一方面，如果芯部材料具有的介電常數大於包覆材料，則大部分的電場可分布在芯部區域114中，並且小部分的場在包覆構件102內和/或芯部區域114的外部。

在一實施例中，介電波導管100的側106-112中的至少一個是平面的或包括至少一個平面的表面。該至少一個平面側可被用作基準面或參考平面，用於在互連中將波導管100與連接波導管(未示出)、連接器、天線、或另一電部件機械地對準。例如，波導管100可被配置為：通過在界面處將波導管100的一個端部104鄰接抵靠連接波導管的一個端部以形成毗連連結部而連接至與波導管100基本相同(可能除了長度之外)的連接波導管。波導管100的一個或多個基準部表面可與連接波導管的互補平面側對準，以確保包覆構件102和芯部區域114與連接波導管的相應的包覆構件和芯部區域對準。在圖示的實施例中，全部四個側106-112是平面的，使得側106-112中的每個可以是用於在互連中將波導管100對準的基準部表面。

圖2是根據第一實施例的介電波導管100的橫截面視圖。在圖示的實施例中，由包覆構件102限定的芯部區域114填充有空氣。空氣限定芯部區域114內的芯部介電材料。因而，芯部區域114不填充有固態的材料。空氣具有大約為1的介電常數。包覆構件102的包覆材料具有的介電常數大於空氣的介電常數。例如，包覆材料可具有2到15之間的介電常數。更具體地，包覆材料可具有3到7之間的介電常數。如本文使用的，在兩個端部值「之間」的範圍意思是包括所述端部值。由於包覆材料的介電常數大於空氣的介電常數，通過波導管100的大部分的電場中被分布在包覆構件102內。在一實施例中，包覆材料的介電常數值可以在3到4之間，使得芯部區域114內的芯部材料與包覆構件102內的包覆材料之間的介電常數值的差在2到3之間。因而，由於相對小的介電常數值的差，電場的場強度分布在包覆構件102和芯部區域114二者內，即使大部分的電場強度是在包覆構件102中。

包覆構件102的包覆材料可以是介電聚合物，諸如塑料或其他合成的聚合物。例如，包覆材料可以是聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯、尼龍、聚醯亞胺等，包括它們的組合。這樣的聚合物減少通過介電波導管100的損失，允許信號傳播得比其他波導管材料更遠。在其他實施例中，包覆介電材料可以是、或可包括紙、雲母、橡膠、鹽、混凝土、氯丁橡膠、耐熱玻璃(Pyrex)、二氧化矽等。包覆構件102可以是柔性的或半剛性的。

在圖示的實施例中，包覆構件102的頂側106和底側108長於包覆構件102的左側110和右側112。如此，包覆構件102具有的寬度(W)大於包覆構件102的高度(H)。由於寬度大於高度，故電磁波可被取向為具有水平 的極性。在圖示的實施例中，包覆構件102是長方形的。例如，頂側106平行於底側108，左側110平行於右側112，並且包覆構件102限定相鄰側106-112之間的直角。側106-112中的每個都是平面的。圖2中的包覆構件102因而包括兩對相對的平面側，其中第一對是頂側和底側106、108，並且第二對是左側和右側110、112。然而，在替代實施例中，包覆構件102可包括僅一對相對的平面側，其將電場取向在包覆構件102內。平面側還用作基準部表面，所述基準部表面用於在互連中將波導管100機械地對準。

包覆構件102可具有各種尺寸。在一實施例中，包覆構件102具有的高度大約是0.8mm、寬度大約是1.2mm。在圖示的實施例中，對於寬度比高度的寬高比(aspect ratio)小於2。在替代實施例中，所述寬高比可至少是2。如上文描述的，包覆構件102在其他實施例中可具有其他的矩形形狀，諸如具有圓角的長方形、梯形、橢圓形、卵形等。

包覆構件102可使用標準的加工工藝和/或技術來製造，諸如通過擠出(extrusion)、拉拔、熔制、模製等。在一個示例中，包覆構件102被擠出以形成包覆構件102，並且限定包覆構件102內部的芯部區域114。芯部區域114可具有相對於包覆構件102的各種尺寸。在一實施例中，圓形的芯部區域114的直徑是包覆構件102的高度的大約一半(諸如0.4mm)，並且芯部區域114沿著包覆構件102的中央區域定位。

圖3是根據第二實施例的介電波導管100的橫截面視圖。在圖3中示出的實施例中，介電波導管100包括在包覆構件102的芯部區域114內的芯部構件118。芯部構件118在兩個端部104(在圖1中示出)之間延伸介電波導管100的長度。芯部構件118填充芯部區域114，使得在芯部構件118的外表面與包覆構件102的內表面之間不存在空隙或間隙。包覆構件102接合、並且沿著芯部構件118的長度而包圍芯部構件118。

芯部構件118是由圖1中提到的芯部介電材料形成的。在一實施例中，芯部構件118的芯部介電材料是固態的介電材料，不是如圖2中示出的空氣。例如，介電波導管100的芯部構件118和包覆構件102二者可由介電聚合物形成，諸如塑料或其他合成的聚合物。芯部構件118可包括聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯等中的一種或多種。芯部構件118的芯部材料不同於形成包覆構件102的包覆材料。

在一個實施例中，芯部材料的介電常數小於包覆材料的介電常數。芯部 材料可具有小於3的介電常數，而包覆材料具有3到12之間的介電常數，或更具體地在3到7之間。在一實施例中，芯部材料的介電常數值與包覆材料的介電常數值的差小於5。例如，相應的介電常數的差可在1.5到3之間。在示例實施例中，芯部構件118的芯部材料可以是PTFE，具有2.1的介電常數，並且包覆構件102的包覆材料可以是尼龍，具有大約是4的介電常數(介電常數之間的差是1.9)。在替代實施例中，芯部材料的介電常數可大於包覆材料的介電常數。

可選地，圖3中示出的介電波導管100可使用標準的加工工藝和/或技術來製造，諸如通過擠出、拉拔、熔制、模製等。在一個示例中，芯部介電材料和包覆介電材料是共同擠出的，使得芯部構件118和包覆構件102同時地形成。可替代地，芯部構件118可預先形成，並且包覆介電材料可在芯部構件118上被擠出、模製、拉拔等，以形成圍繞芯部構件118的包覆構件102。

在圖示的實施例中，芯部構件118具有圓形的橫截面形狀。有益的是，芯部構件118具有圓形的形狀，因為以擠壓或以其他方式形成圓形形狀的芯部構件118會比形成矩形形狀的更容易。由於包覆構件102具有矩形的形狀，所以包覆構件102用於將電場取向在介電波導管100中，而不是在芯部構件118中。雖然在圖示的實施例中芯部構件118是圓形的，但是在替代實施例中芯部構件118可以是矩形的，或具有不同的橫截面形狀。

圖4是根據替代實施例的介電波導管100的頂部透視圖。圖4中示出的介電波導管100的實施例不同於圖1中示出的實施例，因為圖4中的波導管100包括沿著波導管100的長度包圍包覆構件102的外部護套120。外部護套120可被用於將波導管100內的電磁信號從可能干擾和降級信號傳輸的外部影響更好地隔離。例如，外部護套120可由被稱為護套材料的介電材料形成，所述護套材料具有的介電常數值小於包覆材料的介電常數值。由於包覆材料具有的介電常數大於護套材料的介電常數，故電場集中在包覆構件102中，而不是在外部護套120中。因此，大部分的電場從外部護套120與外部環境之間的邊界間隔開，在外部環境中外部影響(諸如人的觸摸)可幹擾沿著邊界的場。護套材料具有的介電常數可大於、小於、或等於包覆構件102的芯部區域114內的芯部材料的介電常數。例如，護套材料可選地可以是與芯部材料相同的材料。

在圖示的實施例中，外部護套120具有矩形的橫截面形狀。例如，外部 護套120是具有兩個相對的較長側122和兩個相對的較短側124的長方形。較長側122與包覆構件102的較長頂部和底部側106、108對準，使得較長側122平行於頂部和底部側106、108。另外，較短側124與包覆構件102的較短的左側和右側110、112對準，使得較短側124平行於左側和右側110、112。雖然外部護套120阻礙外部護套120內的包覆構件102的觀察，但是當將介電波導管100連接至相同或大體上類似的連接波導管時，操作者或機器可通過將波導管100的外部護套120與連接波導管的外部護套對準而將兩個波導管對準。例如，護套可通過布置護套120的較長側122與連接波導管的外部護套的對應的較長側而對準，以提供跨過連接界面延伸的連續平面。護套的這樣的對準還將波導管100內的包覆構件102與連接波導管的包覆對準。因此，介電波導管100內極化的電磁波容易地跨過界面被接收、並且進入連接波導管內、而不被反射回介電波導管100中。

在替代實施例中，外部護套120可具有圓形的或正方形的橫截面形狀來代替具有矩形的形狀。為了將介電波導管100與連接波導管對準，在波導管100的一個或兩個端部104處的護套120的區段可被剝離或以其他方式被移除以將矩形的包覆構件102露出。露出的包覆構件102可被用於將波導管100與連接波導管對準。可選地，在連接完成之後，介電膠帶(tape)或類似物可圍繞露出的包覆構件102施加以便於減少由外部影響所引起的幹擾。

圖5是根據另一替代實施例的介電波導管100的橫截面視圖。在圖5中，芯部區域114由具有矩形的橫截面形狀的包覆構件102限定。在圖示的實施例中，芯部區域114由固態的芯部構件118填充，但是在替代實施例中，芯部區域114可填充有空氣。芯部構件118可由介電常數值小於包覆構件102的包覆材料的介電常數值的介電材料形成。如此，波導管100內的電場可主要地分布在包覆構件102內，而只有較少的場在芯部構件118內。例如，芯部構件118的芯部材料的介電常數可以小於3，並且包覆構件102的包覆材料的介電常數可以在3到7之間。可選地，圖5中示出的波導管100的實施例可由外部護套包圍，諸如圖4中示出的外部護套120。雖然在圖示的實施例中，芯部構件118具有帶有直角的角部的矩形的橫截面形狀，但是在其他實施例中，芯部構件118可具有其他矩形的形狀，諸如橢圓形、卵形、梯形、具有圓角的長方形等。