ВОЛНОВОД
WAVEGUIDE

Настоящее изобретение относится к волноводу. Более конкретно, настоящее изобретение относится к волноводу, имеющему удлиненную диэлектрическую внутреннюю область, и электропроводящую внешнюю область, отделенную от диэлектрической внутренней области.
Волноводы обычно используются в широком диапазоне применений для направления волн по желаемому пути. Например, в спутниках связи необходимым может являться прохождение полученного микроволнового сигнала через несколько компонентов (например, усилителей, фильтров, мультиплексоров) перед ретрансляцией обработанного сигнала. В этом случае электромагнитный волновод можно использовать для передачи сигнала от одного компонента к другому.
Фиг. 1 иллюстрирует стандартный прямоугольный волновод 100 для направления электромагнитной волны. Волновод 100 включает в себя полую металлическую трубку 101 некоторой длины с концевыми фланцами 102, 103 для прикрепления волновода 100 к соответствующим входным/выходным портам. Электромагнитная волна распространяется от одного конца волновода 100 к другому за счет полного внутреннего отражения от стенок трубки волновода 101. Однако из-за протекания тока в стенках трубки волновода («скин-эффекта») возникают энергетические потери, которые обычно составляют 0,13 дБ/м в Ku-диапазоне и 0,37 дБ/м в Ka-диапазоне. При использовании длинных участков волновода результирующие потери могут достигать 50%. Эти потери могут быть снижены до определенной степени за счет повышения поперечных размеров волновода. Однако это значительно повышает общую массу волновода и, таким образом, не является технически реализуемым решением для применений, где масса должна быть минимизирована, например в спутниках и других космических приложениях.
Волновод 100 по Фиг. 1a является прямым волноводом для использования в ситуациях, когда входные/выходные порты, которые должны быть соединены, расположены на одной линии друг с другом. В отличных от этого случаях секции более сложного волновода должны изготавливаться специально, поскольку трубка волновода 101 является жесткой и не может изгибаться. Примеры таких сложных секций показаны на Фиг. 1b, на которой проиллюстрирован Т-образный волновод, скрученный волновод 120 и искривленный волновод 130. Такие секции требуют длительного времени и больших затрат на изготовление, поскольку они должны изготавливаться специально, чтобы соответствовать размерам каждого отдельного устройства.
В качестве альтернативы был разработан гибкий волновод, который имеет тонкие (~0,1 мм) гофрированные стенки, позволяющие трубке изгибаться и скручиваться. Однако этот тип волновода страдает от даже более высоких потерь, чем обычный волновод, с типичными потерями 0,8 дБ/м в Ku-диапазоне и 2 дБ/м в Ka-диапазоне.
Настоящее изобретение имеет своей целью решение недостатков, присущих известным устройствам.
Согласно настоящему изобретению обеспечен волновод, содержащий удлиненную диэлектрическую внутреннюю область и электропроводящую внешнюю область, отделенную от диэлектрической внутренней области.
Диэлектрическая внутренняя область может быть выполнена таким образом, чтобы она была гибкой.
Диэлектрическая внутренняя область может содержать либо порошковый диэлектрик, содержащийся в гибкой трубке, либо гибкий композит диэлектрических частиц в полимерной матрице.
Диэлектрическая внутренняя область может содержать множество сегментов.
Каждый сегмент из множества сегментов может быть сформирован таким образом, чтобы он имел линзообразные торцевые поверхности.
Каждый сегмент из множества сегментов может быть сформирован таким образом, чтобы он был по существу круглым в поперечном сечении, перпендикулярном продольной оси волновода.
Каждый сегмент из множества сегментов может быть сформирован из спеченного керамического материала.
Множество сегментов может содержаться в гибкой полимерной трубке.
Каждый сегмент из множества сегментов может быть сформирован таким образом, чтобы он имел центральное сквозное отверстие, и волновод может дополнительно содержать нить, проходящую через центральное отверстие каждого сегмента.
4
9
Диэлектрическая внутренняя область может содержать тетратитанат бария BaTiO.
Волновод может дополнительно содержать средство разделения для поддержания разделения между внутренней областью и внешней областью, причем средство разделения содержит электроизолятор.
Средство разделения может содержать пеноматериал, расположенный таким образом, чтобы он окружал диэлектрическую внутреннюю область, или множество жестких кольцевых дисков, причем упомянутые диски расположены с интервалами друг от друга вдоль длины диэлектрической внутренней области, или множество жестких радиальных спиц, прикрепленных к гибкой ленте, причем упомянутая лента спиралеобразно намотана вокруг диэлектрической внутренней области, или множество распорок, каждая из которых содержит множество жестких радиальных спиц, прикрепленных к центральному кольцу, причем упомянутые распорки расположены с интервалами вдоль длины диэлектрической внутренней области.
Внешняя область может содержать тонкостенную металлическую трубку или трубку из сплетенной металлической проволоки.
В поперечном сечении, перпендикулярном продольной оси волновода, внешняя область может быть сформирована, чтобы иметь форму, по существу аналогичную форме диэлектрической внутренней области, или она может иметь форму, отличную от формы диэлектрической внутренней области.
Волновод может быть выполнен для направления электромагнитного излучения с микроволновой длиной волны.
Далее будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения, для примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. la и lb иллюстрируют прямоугольные волноводы согласно предшествующему уровню техники;
Фиг. 2a и 2b схематично иллюстрируют секцию волновода согласно примеру настоящего изобретения;
Фиг. 3 иллюстрирует внутреннюю структуру кабеля гибкого волновода, согласно примеру настоящего изобретения;
Фиг. 4 иллюстрирует структуру сердечника кабеля, показанную на Фиг. 3;
Фиг. 5 иллюстрирует то, как соседние диски в сердечнике, показанном на Фиг. 3, способны поворачиваться друг относительно друга;
Фиг. 6 иллюстрирует искривленную секцию кабеля гибкого волновода, показанного на Фиг. 3;
Фиг. 7a-7d иллюстрируют различные альтернативные структуры сердечника кабеля гибкого волновода согласно примерам настоящего изобретения;
Фиг. 8a-8d иллюстрируют различные формы распорок, предназначенные для использования в волноводе согласно примерам настоящего изобретения; и
Фиг. 9a-9c иллюстрируют различные формы электропроводящей внешней области волновода согласно примерам настоящего изобретения.
На Фиг. 2a и 2b схематично проиллюстрирована секция волновода 200 согласно примеру настоящего изобретения. Волновод 200 показан в виде перспективного изображения на Фиг. 2a, и в поперечном сечении на Фиг. 2b. Волновод 200 содержит диэлектрическую внутреннюю область 201, которая окружена электропроводящей внешней областью 202. Как внутренняя область 201, так и внешняя область 202 удлинены вдоль продольной оси волновода, и если смотреть в поперечном сечении, перпендикулярном этой оси (см. Фиг. 2b), внешняя область 202 окружает внутреннюю область 201. Как показано на Фиг. 2b, внутренняя область 201 и внешняя область 202 отделены друг от друга воздушным зазором 203. В настоящем примере внешняя область 202 сформирована в виде тонкостенного цилиндра, который окружает диэлектрическую внутреннюю область 201.
01
В стандартном волноводе энергетические потери в первую очередь связаны с током, текущим по поверхности металлической трубки волновода. В настоящем примере, поскольку сердечник обладает относительно высокой диэлектрической постоянной и окружен материалом, обладающим относительно низкой диэлектрической постоянной, поля концентрируются в основном в диэлектрическом сердечнике 201, и ток, текущий во внешней области 202, сильно снижен. Также в настоящем примере диэлектрический сердечник 201 сформирован так, что он круглый в поперечном сечении, для поддержания передачи моды TE. Внешняя область 202 обеспечивает экранирование и гарантирует, что линии поля будут ограниченными диэлектрическим сердечником 201.
4
9
2
4
9
r
r
r
Предпочтительно, чтобы для минимизации потерь сердечник содержал материал с высокой диэлектрической постоянной и низким тангенсом угла потерь, например тетратитанат бария (BaTiO) или рутил (TiO). BaTiO обладает диэлектрической постоянной (также называемой относительной статической диэлектрической проницаемостью ε), равной 39, а рутил может обладать высокой диэлектрической постоянной, такой как 200. Зазор 203 между диэлектрическим сердечником 201 и внешней областью 202 заполняют материалом, или материалами, обладающими относительно низкой диэлектрической постоянной, такими как воздух (ε~1,0) или PTFE (политетрафторэтилен, ПТФЭ) (ε~2,1).
4
9
Сравнение между потерями в волноводе, таком как волновод, показанный на Фиг. 2a и 2b, и потерями в стандартном волноводе сделано на основе коэффициентов добротности (Q) аналогичных полуволновых резонаторов. Например, полуволновой резонатор, сформированный из такого волновода, как показанный на Фиг. 2a и 2b, и имеющий диэлектрический сердечник, содержащий BaTiO, может демонстрировать добротность более 13000 в Ku-диапазоне. В сравнении с этим полуволновой резонатор, сформированный из стандартного прямоугольного волновода, такого как WR75 (для Ku-диапазона), обычно обладает коэффициентом добротности лишь 4500. Поэтому потери в таком волноводе, как показанный на Фиг. 2a и 2b, могут приблизительно составлять 1/3 от потерь в стандартном волноводе. В более общем смысле снижение потерь может быть достигнуто за счет использования любого диэлектрического материала, который предлагает коэффициент добротности более 4500.
Дополнительно, такой волновод, как показанный на Фиг. 2a и 2b, может быть меньше, чем стандартный прямоугольный волновод, для любой заданной частоты. Например, когда волновод 200 по Фиг. 2a и 2b выполнен для направления микроволнового излучения на 12 Гц (т.е. Ku-диапазон), диэлектрический сердечник 201 может быть сформирован таким образом, чтобы он обладал диаметром приблизительно 0,8 см. В отличие от этого стандартный прямоугольный волновод, предназначенный для работы на 12 Гц, обладает размерами приблизительно 2 см x 1 см.
В одном примере настоящего изобретения волновод может быть снабжен соединителями SMA-типа на любом конце, для обеспечения согласованных соединений с входными или выходными портами. Однако в других примерах альтернативные концевые соединители могут быть поставлены взамен этого в зависимости от конкретного типа соединения, обеспечиваемого на входных или выходных портах.
4
9
4
9
Фиг. 3 иллюстрирует внутреннюю структуру секции кабеля гибкого волновода 300 согласно примеру настоящего изобретения. В настоящем примере диэлектрическая внутренняя область 301 содержит комплект керамических дисков, содержащихся в гибкой трубке 302 из ПТФЭ («Тефлона»), причем диски упакованы встык друг к другу вдоль продольной оси кабеля 300. Диски сформированы из спеченного BaTiO и имеют линзообразные поверхности, что позволяет дискам вращаться друг относительно друга. Этот признак позволяет кабелю 300 быть гибким, и он будет описан более подробно позже, со ссылкой на Фиг. 4-6. Хотя в настоящем примере диски сформированы из BaTiO, в других примерах можно использовать альтернативные диэлектрические материалы.
Для поддержания разделения между диэлектрической внутренней областью и внешней областью 303 кабель волновода 300 снабжают распорками 304, 305, 306. Распорки 304, 305, 306 содержат тонкие кольцевые диски, которые установлены вокруг диэлектрического сердечника 301 кабеля 300, и расположены с постоянными интервалами друг от друга вдоль кабеля 300. В настоящем примере распорки сформированы из ПТФЭ, но в других примерах можно использовать альтернативные материалы, например нейлон. Является предпочтительным, чтобы распорки были сформированы из электроизолирующего материала с низкой диэлектрической постоянной для обеспечения того, чтобы линии поля были сосредоточены во внутренней диэлектрической области 301. В некоторых примерах распорки можно вообще исключить, например при прокладке короткого, прямого кабеля или в жестких секциях волновода.
Фиг. 4 иллюстрирует упаковку дисков 401, 402, 403 в диэлектрическом сердечнике 301 кабеля, показанного на Фиг. 3. В настоящем примере все диски полностью идентичны по форме и имеют одну выпуклую поверхность и одну вогнутую поверхность (вогнутая поверхность не видна на Фиг. 4). Выпуклая и вогнутая поверхности имеют сходную кривизну, что позволяет выпуклой поверхности диска 401 согласованно помещаться в вогнутую поверхность соседнего диска 402. Однако условие того, чтобы все диски в сердечнике были идентичными, не является существенным. Например, в других примерах в сердечнике 400 в качестве альтернативы может быть упаковано два типов дисков, где один тип имеет две выпуклые поверхности, а другой тип имеет две вогнутые поверхности.
Диэлектрический сердечник 301, сформированный из упакованных линзообразных дисков, позволяет кабелю быть гибким, как будет описано далее со ссылкой на Фиг. 5 и 6. Как показано на Фиг. 5, в настоящем примере каждый диск 403 в диэлектрическом сердечнике 301 имеет вогнутую поверхность 501 и выпуклую поверхность 502. При изгибе кабеля каждый диск 403 поворачивается относительно соседнего диска 402 из-за того, что вогнутая и выпуклая поверхности двух дисков скользят друг по другу, как показано стрелками на Фиг. 5.
Фиг. 6 иллюстрирует поперечное сечение искривленной секции кабеля гибкого волновода 300, показанного на Фиг. 3. То есть Фиг. 6 иллюстрирует секцию кабеля 300, который был исходно прямым, и был изогнут под определенным радиусом кривизны r. В настоящем примере электропроводящая внешняя область 303 содержит тонкостенную медную трубку, аналогичную трубке, используемой в стандартных полужестких кабелях. Как показано на Фиг. 6, распорки из ПТФЭ 304, 305, 306 поддерживают разделение между диэлектрическим сердечником 301 и электропроводящей внешней областью 303, даже когда кабель изогнут.
На Фиг. 7a-7d проиллюстрированы альтернативные структуры сердечника кабеля гибкого волновода согласно примерам настоящего изобретения. Различные структуры, проиллюстрированные на Фиг. 7a-7d, все являются по существу круглыми в поперечном сечении, аналогично кабелю гибкого волновода, показанного на Фиг. 3. Различные структуры по Фиг. 7a-7d сконструированы, чтобы обеспечить диэлектрическому сердечнику и, следовательно, самому кабелю возможность быть гибким. Однако в случаях, когда гибкий кабель не требуется, диэлектрический сердечник можно создать просто из жесткого керамического стержня.
4
9
На Фиг. 7a диэлектрический сердечник содержит тонкостенную гибкую полимерную трубку 701, заполненную порошковым диэлектриком 702. В настоящем примере полимерная трубка, сформированная из ПТФЭ и диэлектрика, представляет собой BaTiO, но в других примерах взамен этого могут использоваться альтернативные материалы. Такая структура может быть относительно простой и дешевой в изготовлении и может быть пригодной для использования в кабеле гибкого волновода, так как порошок может свободно перемещаться в полимерной трубке, позволяя сердечнику изгибаться и скручиваться, если потребуется.
4
9
На Фиг. 7b диэлектрический сердечник 711 сформирован из гибкого полимерного диэлектрического композита, который содержит частицы диэлектрического материала, взвешенного в полимерной матрице. Диэлектрические частицы придают композиту относительно высокую диэлектрическую постоянную, которая может быть подобрана путем регулирования объемной доли частиц. В настоящем примере диэлектрик представляет собой BaTiO, а полимер представляет собой ПТФЭ, но в других примерах можно использовать альтернативные материалы. Это устройство может обеспечить преимущество по сравнению с трубкой, заполненной порошком согласно Фиг. 7a, в которой любые трещины, развивающиеся в трубке (например, в результате износа, возникающего вследствие повторяющегося изгибания и выпрямления кабеля), могут привести к утечке порошкового диэлектрика из сердечника. При использовании твердого композита, как на Фиг. 7b, сердечник 711 может быть более стойким к повреждениям этого типа.
На Фиг. 7c диэлектрический сердечник содержит множество упакованных линзообразных дисков, которые по существу аналогичны дискам, показанным на Фиг. 3-6, но отличаются тем, что каждый диск 721 имеет центральное сквозное отверстие 722. Диски удерживаются вместе с помощью нити 723, которая проходит сквозь центральное отверстие каждого диска. В настоящем примере нет необходимости в помещении упакованных дисков в гибкую трубку (по сравнению с Фиг. 3), поскольку нить 723 уже удерживает диски на месте.
На Фиг. 7d диэлектрический сердечник тоже содержит множество линзообразных дисков 731, и в данном примере диски удерживаются на месте сетчатой трубкой 732 из ПТФЭ. Сетчатая трубка 731 может обеспечивать большую гибкость, чем трубка, имеющая непрерывную стенку (по сравнению с трубкой из ПТФЭ 302 на Фиг. 3), которая может быть более чувствительной к перегибу (перелому).
Использование сегментированного керамического сердечника, такого как в примерах, представленных выше, в которых диэлектрический сердечник сформирован из линзообразных дисков, может обеспечивать ряд преимуществ перед порошковым или композитным диэлектрическим сердечником (по сравнению с Фиг. 7a и 7b). Поскольку каждый сегмент сердечника (т.е. каждый линзообразный диск) может не быть гибким, сегменты могут быть сформированы из твердой керамики. Поэтому диэлектрический сердечник, сформированный из множества таких сегментов, может обладать большей диэлектрической постоянной, чем диэлектрический сердечник, сформированный из диэлектрического порошка или композита. Кроме того, сегментированный диэлектрический сердечник не чувствителен к перегибанию и, таким образом, может сохранять по существу постоянную площадь поперечного сечения при изгибе кабеля.
На Фиг. 8a-8d проиллюстрированы различные формы распорок для использования в волноводе согласно примерам настоящего изобретения. Распорки обеспечивают средство для отделения диэлектрической внутренней области от электропроводящей внешней области. На Фиг. 8a-8d для ясности структурные подробности диэлектрического сердечника опущены. Распорки, показанные на любой из Фиг. 8a-8d, можно комбинировать с различными структурами диэлектрического сердечника, включая структуры, проиллюстрированные на Фиг. 7a-7d, но не ограничиваясь ими.
На Фиг. 8a зазор между диэлектрической внутренней областью и электропроводящей внешней областью заполнена пеной ПТФЭ 801, которая может защитить диэлектрический сердечник от механического удара. На Фиг. 8b распорки содержат кольцевые диски 811, 812, 813, аналогичные кольцевым дискам, показанным в кабеле на Фиг. 3. Однако в настоящем примере каждый диск 812 сформирован таким образом, что он имеет центральное кольцо 814, более широкое, чем толщина диска. Это может способствовать поддержанию распорки 812 в положении, по существу перпендикулярном диэлектрическому сердечнику при изгибе кабеля. На Фиг. 8c распорка содержит множество спиц 821, прикрепленных к гибкой ленте 822. Лента 822 спиралеобразно намотана вокруг диэлектрического сердечника таким образом, чтобы спицы 821 расходились от сердечника и соприкасались с внешней стенкой кабеля. На Фиг. 8d проиллюстрированы распорки 831, 832, 833, каждая из которых содержит множество спиц, расходящихся от центрального кольца 834. Они могут обеспечивать снижение общей массы кабеля по сравнению с монолитными распорками, используемыми на Фиг. 8b.
На Фиг. 9a-9c проиллюстрированы различные формы электропроводящей внешней области волновода согласно примерам настоящего изобретения. На Фиг. 9a-9c для ясности детали диэлектрического сердечника, а также любые распорки были опущены.
На Фиг. 9a проиллюстрирован гибкий кабель, в котором электропроводящая внешняя область сформирована из тонкостенной медной трубки 901. Медь пластична, что позволяет кабелю изгибаться, если потребуется. На Фиг. 9b проиллюстрирован гибкий кабель, в котором электропроводящая внешняя область сформирована из сплетенного медного провода 911.
Хотя в вышеописанных примерах электропроводящая внешняя область проиллюстрирована как круглая в поперечном сечении и концентрическая с внутренней диэлектрической областью, этот случай не является обязательным. Например, как проиллюстрировано на Фиг. 9c, электропроводящая внешняя область 922 может иметь поперечное сечение, отличное от поперечного сечения диэлектрического сердечника 921.
Хотя выше описаны конкретные примеры изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны многие варианты и модификации, которые также попадают в объем изобретения, определяемый формулой изобретения.
Например, описаны примеры настоящего изобретения, в которых диэлектрический сердечник сформирован из множества керамических дисков с линзообразными поверхностями (например, Фиг. 7c и 7d). Однако в других примерах сердечник может содержать удлиненные цилиндрические сегменты с линзообразными торцевыми поверхностями. Такие примеры могут быть подходящими для случаев, когда кабель волновода не должен изгибаться ровно с определенным радиусом кривизны, и поскольку количество отдельных деталей в сердечнике может быть снижено, это позволяет упростить изготовление кабеля.
Дополнительно, хотя раскрыты примеры настоящего изобретения, в которых внешняя область содержит металлический проводник, не обязательно, чтобы это была самая внешняя область кабеля. Например, в некоторых примерах металлическая внешняя область может содержаться в защитной пластмассовой или резиновой оболочке для защиты кабеля от повреждения или для обеспечения термической и электрической изоляции от соседних компонентов.