ПЛАСТИКОВЫЙ ВОЛНОВОД ДЛЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН В ЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ ОТ 1 ГГЦ ДО 10 ТГЦ
PLASTIC WAVEGUIDE FOR PROPAGATION OF WAVES IN FREQUENCY RANGE FROM 1 GHZ TO 10 THZ

Уровень техники
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области пластиковых волноводов для распространения волн с частотами от 1 ГГц до 10 ТГц и, в частности, касается усовершенствованного устройства для распространения волн, содержащего такой пластиковый волновод.
Оно относится также к линии проводной или беспроводной связи для передачи сигналов с высокой скоростью, которая содержат такую систему.
Уровень техники
Волны с частотами от 1 ГГц до 10 ТГц являются неионизирующим излучением, которое может проникать в самые разные непроводящие материалы, такие как дерево, пластик, керамика или бумага.
Эти волны обеспечивают новые и широкие возможности в самых разных областях техники, таких как спектроскопия, физика, связь, получение изображений, медицина и биология, причем этот перечень можно продолжить.
В последние несколько лет были предприняты интенсивные исследования с целью обеспечения распространения таких волн, поскольку существующие волноводы, предназначенные для электромагнитных волн в других частотных диапазонах, для этой цели не подходят. В частности, существующие волноводы не могут быть использованы для передачи терагерцовых волн, частота которых составляет от 0,1 ТГц до 10 ТГц.
Для распространения терагерцовых волн были использованы волноводы из пластикового материала.
Хотя эти волноводы из пластикового материала и являются значительным шагом вперед по сравнению с другими устройствами, выполненными на основе металла для передачи терагерцовых волн, они все же имеют недостатки.
Действительно, было отмечено, что, если одна часть волн хорошо распространяется в пластиковом волноводе, другая часть терагерцовых волн распространяется наружу этого волновода.
Следовательно, эти известные пластиковые волноводы для распространения терагерцовых волн являются чрезвычайно чувствительными к внешним контактам, которые могут привести к значительным потерям интенсивности сигнала.
Например, такие пластиковые волноводы нельзя расположить на столе и нельзя ими манипулировать.
Для устранения этих недостатков было предложено покрывать пластиковые волноводы диэлектрическим материалом с низкой проницаемостью или располагать их в пеноматериале.
Применяют также материалы с низкими потерями, чтобы не увеличивать потери при ослаблениях, связанных с распространением.
Однако это приводит к увеличению стоимости изготовления таких пластиковых волноводов для распространения терагерцовых волн, к тому же их изготовление является более сложным.
Кроме того, использование пеноматериала является источником рисков для механической устойчивости и для надежности таких терагерцовых волноводов.
Защищенные таким образом терагерцовые волноводы имеют более значительный габарит.
Следовательно, существует потребность в устройстве для распространения терагерцовых волн и, в целом, для распространения волн в частотном диапазоне от 1 ГГц до 10 ТГц, оригинальная конструкция которого позволяет устранить вышеупомянутые недостатки известных решений.
Объект изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству для распространения волн с частотами от 1 ГГц до 10 ТГц, которое является простым по конструкции и в работе, надежным и экономичным и одновременно позволяет передавать данные с высокой пропускной способностью.
Другим объектом изобретения является линия проводной или беспроводной связи, содержащая такое устройство для распространения волн с частотами от 1 ГГц до 10 ТГц, при этом указанная линия является недорогой, обеспечивает широкую полосу пропускания и высокую степень механической надежности.
Еще одним объектом изобретения является устройство приема/передачи электромагнитных волн в частотном диапазоне от 1 ГГц до 10 ТГц, содержащее такое устройство для распространения волн.
Краткое описание изобретения
В связи с вышеизложенным, объектом изобретения является устройство для распространения волн с частотами от 1 ГГц до 10 ТГц.
Согласно изобретению, это устройство содержит:
(а) волновод для передачи указанных волн, причем этот волновод выполнен из пластикового материала, при этом одна часть распространяется внутри этого волновода, и другая часть указанных волн распространяется снаружи этого волновода, и
(b) защитный кожух, который охватывает волновод, ограничивая одно или несколько пространств между этим волноводом и этим кожухом, в котором или в которых содержатся волны, распространяющиеся снаружи этого волновода, при этом указанный защитный кожух образует барьер, защищающий их от внешних помех.
Предпочтительно этот защитный кожух изолирует от внешней среды волны, распространяющиеся внутри волновода и за пределами волновода, и, следовательно, позволяет минимизировать влияние на них внешних помех. Образуя барьер, этот защитный кожух препятствует также доступу в пространство или пространства, в которых перемещаются волны, распространяющиеся за пределами волновода. Это позволяет иметь одну или несколько зон контакта устройства с внешней средой без существенной потери интенсивности сигнала.
Предпочтительно этот защитный кожух или оболочка расположена концентрично относительно этого волновода.
Каждый из различных частных вариантов выполнения этого устройства для распространения волн имеет свои преимущества и может быть применен в самых разных технических комбинациях:
- указанное пространство заполнено или указанные пространства заполнены газообразной текучей средой, такой как воздух.
В альтернативном варианте в этом пространстве или в этих пространствах создан вакуум.
Еще в одном альтернативном варианте это пространство или эти пространства могут быть заполнены диэлектрическим материалом, проницаемость которого ниже проницаемости указанного волновода.
Например, диэлектрический материал, проницаемость которого ниже проницаемости указанного волновода, является пеноматериалом.
- этот защитный кожух является удлиненным трубчатым элементом, и по меньшей мере толщину W указанного трубчатого элемента определяют таким образом, чтобы минимизировать влияние указанного защитного кожуха на моды распространения.
Предпочтительно этот защитный кожух выполнен не только для облегчения получения устройства для распространения волн, но также чтобы не возмущать моды распространения волн внутри волновода.
Например, этот удлиненный трубчатый элемент может иметь квадратное, прямоугольное, эллиптическое или другое сечение.
- этот защитный кожух имеет круглое или по существу круглое прямое поперечное сечение.
Предпочтительно такая конфигурация защитного кожуха позволяет ограничить контакты устройства с плоской поверхностью и, следовательно, ограничивает внешние помехи.
Вместе с тем, форму этого поперечного сечения можно выбрать квадратной, прямоугольной, эллиптической и т.д.
В целом, защитный кожух может иметь рельеф поверхности, участвующий в устранении внешних помех. Например, контур защитного кожуха может иметь нервюры или выступы.
- указанный волновод имеет квадратное, прямоугольное или крестовидное поперечное сечение.
Если указанный волновод имеет крестовидное поперечное сечение, оно может быть цельным или может содержать одно или несколько отверстий.
Применение волновода с поперечным сечением крестовидной формы позволяет удвоить число возможных мод распространения по сравнению с волноводом, имеющим прямоугольное сечение, сводя при этом до минимума явления интерференции или перекрестных помех. Этого достигают за счет ортогональности полей, колеблющихся на одинаковой частоте.
Такая конфигурация является предпочтительной в рамках связи в режиме полного дуплекса, то есть связи без интерференций.
Она является также очень полезной для улучшения пропускной способности в модах однонаправленной, полудуплексной или полнодуплексной связи.
Предпочтительно такая конфигурация позволяет улучшить компактность системы связи, включающей в себя такое устройство, по сравнению с полностью мультимодальными устройствами связи.
Присутствие одного или нескольких отверстий позволяет облегчить устройство и уменьшить потери. Это отверстие или эти отверстия могут быть заполнены диэлектрическом материалом, проницаемость которого ниже, чем проницаемость указанного волновода и который участвует в обеспечении жесткости устройства распространения волн.
Например, этот диэлектрический материал, проницаемость которого ниже проницаемости указанного волновода, является пеноматериалом.
- этот защитный кожух является пластиковым кожухом и выполнен из такого же пластикового материала, что и указанный волновод.
Предпочтительно защитный кожух и волновод выполнены из политетрафторэтилена (ПТФЭ - Téflon).
Защитный кожух и волновод могут быть выполнены по меньшей мере из одного материала, выбранного из группы, в которую входят полиуретан (ПУ), политетрафторэтилен, полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полистирол (ПС), поликарбонат (ПК), Майлар (ПЭТ), плексиглас (ПММА), поливинил (ПВХ), полихлориды, поливинилы, Нейлон (ПА), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), полиактическая кислота (PLA) и комбинации этих элементов.
Предпочтительно это устройство для распространения волн выполнено в виде единой детали. Поскольку это устройство не является результатом соединения отдельных исходных элементов, оно предпочтительно имеет повышенную механическую прочность и устойчивость для обеспечения передачи волн в частотном диапазоне от 1 ГГц до 10 ТГц.
Предпочтительно такое устройство можно также получить при помощи любого известного способа изготовления пластических деталей, такого как экструзия или литье под давлением, и, следовательно, является простым в изготовлении. Стоимость его изготовления тоже является невысокой.
Кроме того, поскольку волны, распространяющиеся за пределами волновода, не переносятся защитным кожухом, так как он окружает пространство, в котором они распространяются, для его получения не требуется какой-либо критический фабричный допуск.
В альтернативном варианте этот защитный кожух выполнен из материала, отличного от материала указанного волновода. Его можно выполнить из силикона, смолы, керамики или каучука, но не из металлического материала. Этот защитный кожух может быть выполнен только из одного материала или из смеси материалов.
- указанный волновод является волноводом для волн утечки, при этом волновод содержит одну или несколько неровностей для генерирования электромагнитных волн.
Характер и расположение этих неровностей можно контролировать. Эти неровности могут быть периодическими или непериодическими.
Предпочтительно указанный защитный кожух тоже содержит одну или несколько неровностей для генерирования электромагнитных волн.
Например, такая неровность может представлять собой локальное изменение сечения защитного кожуха.
Предпочтительно устройство для распространения волн может представлять собой направленную антенну для беспроводной связи.
Объектом настоящего изобретения является также линия связи. Согласно изобретению, эта линия связи содержит описанное выше устройство для распространения волн.
Предпочтительно каждый конец указанного устройства соединен с линейным соединителем, чтобы обеспечивать соединение двух элементов оборудования с указанным устройством.
Эта линия связи, предназначенная для передачи сигналов, может быть проводной или беспроводной.
Например, это устройство для распространения волн содержит первый и второй концы и соединено каждым из своих концов с линейным соединителем, выбранным из группы в которую входят соединитель USB, соединитель HDMI, соединитель DisplayPort (DP) и соединитель Thunderbolt. Альтернативно, речь может идти, например, о соединителе, обеспечивающем соединение с бортовыми системами.
Этот линейный соединитель может быть охватываемым или охватывающим.
В случае линии беспроводной связи концы устройства для распространения волн может быть соединены с беспроводными передающими/принимающими устройствами для передачи или приема беспроводных сигналов.
Объектом настоящего изобретения является также устройство приема/передачи электромагнитных волн в частотном диапазоне от 1 ГГц до 10 ТГц.
Согласно изобретению, это устройство содержит описанное выше устройство для распространения волн.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества, задачи и конкретные отличительные признаки настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве пояснительного и не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид устройства для распространения волн согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 2 - вид в поперечном разрезе устройства, показанного на фиг. 1.
Фиг. 3 - вид в поперечном разрезе устройства для распространения волн согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 4 - схематичный вид линий поля устройства, показанного на фиг. 1, в отсутствие внешней помехи, действующей на это устройство, для трех мод распространения волн, обозначенных соответственно А (1-я мода), В (2-я мода) и С (3-я мода), для частоты 80 ГГц.
Фиг. 5 иллюстрирует тест на прочность устройства, показанного на фиг. 1, в котором два блока, заполненные водным раствором, локально охватывают наружную поверхность защитного кожуха этого устройства, чтобы моделировать эффект удержания в руке этого устройства.
Фиг. 6 - вычисленное пространственное распределение электрического поля для первой моды распространения волны для частоты 80 ГГц, то есть первой моды распространения волны в прямоугольном сечении, расположенном вдоль оси ординат (ось у), для устройства, показанного на фиг. 5.
Фиг. 7 - вычисленное пространственное распределение электрического поля для второй моды распространения волны для частоты 80 ГГц, то есть первой моды распространения волны в прямоугольном сечении, расположенном вдоль оси абсцисс (ось х), для устройства, показанного на фиг. 5.
Фиг. 8 - вычисленное пространственное распределение электрического поля для третьей моды распространения волны для частоты 80 ГГц, то есть второй моды распространения волны в прямоугольном сечении, расположенном вдоль оси ординат (ось у), для устройства, показанного на фиг. 5.
Подробное описание вариантов изобретения
Прежде всего необходимо отметить, что фигуры представлены не в масштабе.
На фиг. 1 и 2 схематично показано устройство 10 для распространения волн согласно частному варианту выполнения настоящего изобретения.
Устройство 10 содержит волновод 11 для направления волн с частотами от 1 ГГц до 10 ТГц, выполненный из пластикового материала, такого как политетрафторэтилен.
В данном случае волновод 11 является удлиненной твердой деталью, имеющей поперечное сечение в виде креста, что позволяет удвоить число мод распространения волны по сравнению с волноводом прямоугольного сечения. Ось распространения волн является продольной осью этой удлиненной твердой детали.
Это устройство 10 содержит также защитный кожух 12 или оболочку, которая охватывает этот пластиковый волновод 11, ограничивая несколько пространств 13-16. Каждое из этих пространств 13-16 в данном случае ограничено с одной стороны внутренней стенкой защитного кожуха 12, а с другой стороны - наружными поверхностями волновода 11 с сечением крестовидной формы.
Эти пространства 13-16 заполнены газообразной текучей средой, в данном случае воздухом.
В варианте выполнения эти пространства могут быть заполнены материалом, проницаемость которого ниже, чем проницаемость волновода.
Защитный кожух 12 в данном случае выполнен из такого же пластикового материала, что и пластиковый волновод 11, при этом устройство 10 для распространения волн выполнено в виде единой детали. Это устройство получают при помощи способа литья под давлением.
Часть волн распространяется в этом пластиковом волноводе 11, тогда как другая часть этих волн распространяется снаружи этого волновода 11 в образованных пространствах 13-14.
Следовательно, волны, распространяющиеся снаружи пластикового волновода 11, содержатся в этих пространствах, будучи окруженными защитным кожухом 12, который образует, таким образом, барьер, защищающий их от внешней помехи.
Для частоты 80 ГГц этот защитный кожух 12 имеет толщину W порядка 0,5 мм, достаточную, чтобы эффективно защищать от внешних воздействий волны, распространяющиеся снаружи волновода 11.
В целом, этот кожух выполнен таким образом, чтобы, с одной стороны, быть достаточно толстым для защиты волн, распространяющихся в указанных пространствах, и волн, распространяющихся внутри волновода, от внешних помех, и, с другой стороны, не слишком толстым, чтобы не превращать сам кожух в среду распространения для волн, которые могли бы помешать работе волновода.
Определение этой толщины является результатом компромисса, который в значительной мере зависит от частоты волн и от используемого материала.
На фиг. 3 показано устройство 20 для распространения волн согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения.
Элементы на фиг. 3, имеющие такие же обозначения, что и на фиг. 1 и 2, представляют собой одни и те же объекты, и их повторное описание опускается.
Устройство 20 для распространения волн содержит волновод 21 для передачи волн с частотами от 1 ГГц до 10 ТГц.
Этот волновод 21 в данном случае является удлиненной твердой деталью с поперечным сечением в виде креста, имеющим центральное отверстие 22. Предпочтительно эта конфигурация позволяет увеличить число мод распространения волны и минимизировать потери.
На фиг. 4 показано вычисленное пространственное распределение электрического поля для трех первых мод распространения волны при частоте 80 ГГц и для устройства 10 распространения волн, описанного со ссылками на фиг. 1 и 2, в отсутствие действующей на устройство внешней помехи.
На фиг. 5 представлен тест на прочность устройства 10 для распространения волн, показанного на фиг. 1, в котором два блока 30, 31, заполненные водным раствором, локально охватывают наружную поверхность защитного кожуха 12, чтобы моделировать эффект его удержания в руке.
Элементы на фиг. 5, имеющие такие же обозначения, что и на фиг. 1 и 2, представляют собой одни и те же объекты, и их повторное описание опускается.
Эти диэлектрические блоки 30, 31 имеют электрическую проницаемость со значением восемьдесят (80), которая представляет собой основную помеху для распространения волн в указанном устройстве 10 распространения волн.
На фиг. 6-8 показано вычисленное пространственное распределение электрического поля для трех первых мод распространения волны при частоте 80 ГГц и для устройства 10 распространения волн, описанного со ссылками на фиг. 1 и 2, когда на это устройство действует внешний контакт через два диэлектрических блока 30, 31. Эти результаты получены при помощи программы моделирования, разработанной компанией ANSYS Inc., Canonsburg, PA 15317 USA.
На них наглядно показано преимущество, обеспечиваемое заявленным устройством для распространения волн. Действительно, сравнение между линиями поля, генерируемыми в устройстве для распространения волн на фиг. 4, и линиями поля, генерируемыми в устройстве для распространения волн в присутствии внешней помехи, представленных на фиг. 6-8, показывает, что присутствие блоков 30, 31 не существенно изменяет линии поля.
Нижеследующая таблица позволяет количественно проиллюстрировать эффективность заявленного устройства для распространения волн.
Передача сигнала вычислена, с одной стороны, для устройства, содержащего волновод с крестовидным сечением, показанного на фиг. 1, для первых трех мод распространения волны и, с другой стороны, для отдельного волновода прямоугольного сечения. Эта передача вычислена в присутствии блоков 30, 31 и в отсутствие блоков 30, 31. Устройство и волновод прямоугольного сечения имеют продольный размер L порядка 15 мм вдоль оси Z. Защитный кожух имеет толщину W, равную 0,5 мм.
Таблица
Передача в отсутствие блоков 30, 31
Передача в присутствии блоков 30, 31
Дополнительные потери
Размер (е) каждого блока вдоль оси z
Устройство с волноводом с крестовидным сечением[1-я мода]
-0,09 дБ
-0,25 дБ
< 0,2 дБ
2,5 мм
Устройство с волноводом с крестовидным сечением[2-я мода]
-0,09 дБ
-0,25 дБ
< 0,2 дБ
2,5 мм
Волновод прямоугольного сечения
-0,09 дБ
-11,1 дБ
11 дБ
1,25 мм
Таблица наглядно показывает незначительные потери сигнала, отмечаемые в заявленном устройстве для распространения волн, если сравнить полученные результаты с волноводом, не охваченным защитным кожухом.
Вычисленные потери, связанные с присутствием блоков 30, 31, составляют всего лишь около нескольких десятых децибела (дБ).
Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить прочное и надежное устройство для распространения волн при исключительно умеренной стоимости.
Это устройство можно включать в системы бортовой электроники или в центры обработки данных с целью замены существующих кабелей передачи данных, таких как кабели из меди или оптические волокна.