波导组件、波导通道和波导组件的用途的制作方法

本发明涉及一种波导组件，其包括第一波导、被实现为电介质多模波导的第二波导和用于在第一波导和第二波导之间传输电磁波的波导过渡。

本发明还涉及一种用于在第一波导和第二波导之间传输电磁波的波导过渡，该波导过渡被实现为电介质多模波导。

此外，本发明涉及波导组件的用途。

背景技术：

根据当前的现有技术，基于电缆的数据传输从根本上可以分为两种不同的技术。在这种情况下，一方面通过金属导体的数据传输是已知的，另一方面通过玻璃纤维的光学数据传输是已知的。

众所周知，在高频情况下，经由常规电导体(例如像电缆中的铜电缆)的信号传输受到强烈的信号衰减。因此，如果可能的话，为了实现规范，有时需要巨大的支出，特别是在对传输带宽有很高要求的情况下。

相反，光学数据传输是一种极低损耗的过程，可以实现高数据速率。然而，光学数据传输总是需要将电信号转换为光信号，反之，这使得在这种类型的信号传输中需要复杂的发送和接收结构。

除了两种常规的数据传输技术之外，人们对试图建立一种替代技术的兴趣也日益浓厚。本发明涉及通过所谓的电介质波导(电介质波导、dwg或“聚合物微波纤维”、pmf)的数据传输。

在该技术的情况下，载波频率的电信号被调制，特别是在上千兆赫兹范围内(例如80ghz)，并作为电磁波沿着电介质波导传输。与光学方法相反，该方法不需要电光转换。与金属波导相比，该概念的优点是，可以至少在平均距离上(例如在10m范围内)传输极高的数据速率，例如在50gb/s的范围内。因此，电介质波导显得尤为有吸引力，由于越来越多的所需半导体技术现已变得可用于高千兆赫范围，并且使成本效益和高度集成成为可能，例如在rf、cmos技术中。

沿电介质波导传播的电磁波可取决于波导在不同场配置中的特性而发生。这些不同的场配置称为“模式”。如果在电介质波导中只运行基本模式，这被称为“单模”波导，其方式与玻璃纤维类似。而如果电介质波导有可能同时运行多种模式，则将其称为“多模”波导。电介质波导能够运行的模式数目基本上取决于波导的工作频率和几何形状，尤其取决于其横截面积的大小(例如圆形波导的直径)和其介电常数(也称为介质电导率)。

与常规数据传输技术中的情况一样，设计传输介质时的关键组件是由所述传输介质引起的色散。色散被称为波导的特征，根据该特征，具有不同频率的信号或信号的部分在波导中以不同的速度传播。因此，色散除了减弱重要的参数外，还可能限制最大可达到的数据速率。在电介质波导的情况下，色散可以分为两种不同的类型：波导色散和模态色散。

波导色散描述了通常传输数据的基本模式的色散，并且在单模波导和多模波导中均会发生。

相反，模态色散与各个模式的不同传播速度有关。如果在过渡到电介质波导时或由于沿着导体不连续性而激发更高的模式，则在数据传输情况下可能发生可用功率的减小，并且信号可能变得失真，结果可能限制最大可实现数据速率。

多模波导可以具有比单模波导更低的波导色散，但是由于可能的模态色散，它们可能失去这一优势。如果通过从发射器或接收器到电介质波导的过渡或通过沿着波导的不连续性将不希望的模式激发到过高的程度，则这尤其成问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种改进的波导组件，特别是提供一种具有减少的模态色散的波导组件。

本发明的目的还在于提供一种改进的波导过渡，其中，特别是在过渡到电介质多模波导的情况下可以避免激发更高的模式。

此外，本发明的目的是提供波导组件的有利用途。

该目的是通过权利要求1的特征针对的波导组件、权利要求16的特征针对的波导过渡和权利要求17的特征针对的波导组件的用途实现的。

从属权利要求涉及本发明的有利的实施方式和变形。

根据本发明，提出了一种波导组件，其包括第一波导，第二电介质多模波导和用于在第一波导和第二波导之间传输电磁波的波导过渡。

在本发明范围内的电磁波旨在表示不位于用于光信号传输的光谱内的电磁波。

本发明特别适合于传输毫米范围(30ghz至300ghz)和亚毫米范围(300ghz至3thz)的电磁波。

在本发明的范围内，电磁波的传输方向并不重要。因此，电磁波可以从第一波导开始经由波导过渡被馈送到第二波导中，或者相反地从第二波导开始经由波导过渡被馈送到第一波导中。在本发明范围内的双向传输也是可能的。就下文中参考电磁波从第一波导到第二波导的传输而言，这仅应归因于本发明的简化描述，而不应理解为是限制性的。

优选地，第二波导被实施为电介质空心导体。第二波导尤其可以具有圆形的横截面。优选地，第二波导被实施为圆形电介质空心导体。

根据本发明的波导组件的波导过渡包括电介质波导件，该电介质波导件设置在第一波导和第二波导之间，以便通过电介质波导件在第一波导和第二波导之间传输电磁波。

优选地，电介质波导件是与第一波导和/或与第二波导分开实施的部件。

根据本发明实施电介质波导件，为了至少在面向第一波导的前部中运行的模式数目少于第二波导能够运行的模式数目。

因此，本发明涉及从任何期望的波导(例如同轴电缆、单线波导、金属或电介质空心导体或带状导体)到电介质多模波导的改进过渡。

在第二波导包括沿其纵轴的不同场配置的情况下，例如在第一区域中，其能够运行第一最大数目的模式，并且在第二区域中，其能够运行与所述第一最大数目的模式不同的第二最大数目的模式，在本发明的范围内提供了，电介质波导件被实施为在其前部中运行的模式数目少于第二波导在面向电介质波导件的前部区域中能够运行的模式数目。

由于电介质波导件在其前部只能运行比第二波导少的模式数目，可以避免或至少极大地减少不希望的模式的激发，这发生在任何所需的波导过渡到能够运行多种模式的波导的情况下，其结果是所产生的模态色散及其对数据传输的负面影响实际上可以忽略不计。根据本发明，在电磁波从第一波导过渡到第二波导的情况下，可以通过布置在它们之间的波导过渡来抑制更高模式的激发。

在本发明的一种有利的改进方案中，可以提供的是，电介质波导件是纯电介质波导件，特别是没有金属或另一个其它导电边界。

因此，在常规技术定义的范围内，电介质波导件可以优选地是这样一种波导，其中仅通过两个电介质的介电常数的差异(特别是形成电介质波导件的电介质固体和包围该固体的空气或其他气体的介电常数的差异)来引导电磁波。

就本发明而言，优选不将电介质波导件设计为金属边界内的电介质固体，因为在本发明范围内符合常规技术定义的这种结构优选地被理解为介质填充的空心导体。

本发明的一种改进方案可能提供，电介质波导件的前部被实现为单模波导。

因此，优选地，电介质波导件的前部仅体现为传输基本模式。这使得可以完全避免在从第一波导过渡到电介质波导件的情况下以更高的模式馈给。然而，如果电介质波导件的前部能够运行对于给定应用而言不重要的任何其他少量模式，例如两种模式、三种模式、四种模式、五种模式或六种模式，则在本发明的范围内已经是有利的。

由于避免了不希望的更高模式的激发，可以大大降低多模波导中的模态色散。此外，可以增加馈入为实际传输提供的模式的功率，并且在波导过渡的两个输入端实现几乎相同的定制。

在这种情况下，术语“更高模式”应被理解为是指其各自的极限频率高于要在其中传输数据的模式的极限频率的所有模式。优选以基本模式传输数据，在适当的情况下以不同的极化传输数据。

根据本发明，通过使用波导过渡，第一次有利地是有可能使用多模波导或具有多模光纤的传输系统来传输电磁波，所述传输系统具有基本上优于具有单模光纤的传输系统的传输特性，因为根据本发明，模态色散可以被充分抑制。

本发明的一种改进方案可能提供，电介质波导件的前部具有相对于第二波导减小的横截面、相对于第二波导减小的电介质芯材料的介电常数和/或相对于第二波导增大的包围电介质芯材料的护套的介电常数。

术语“芯材料”在当前情况下是指被护套包围的电介质波导件的材料。

通过上述可能性，可以有利地在电介质波导件的前部中，特别是相对于第二波导，提供最大数目的可传输模式。

减少可运行的电介质波导件的模式数目的合适可能性，尤其是相对于第二波导的几何形状的修改。特别地，可以相对于第二波导的横截面面积减小电介质波导件的横截面面积，其结果是，该电介质波导件能够运行比该第二波导更小数目的模式。

特别地，还可以提供不同几何形状的任何期望的组合，从而改变电介质波导件的介电常数和/或包围电介质波导件的材料(护套)的介电常数。这使得可以在设计过程中增加机械稳定性、可生产性以及材料选择方面的自由度。

电介质波导件的芯可以整体上或至少在其前部具有例如1.8至6.0的相对介电常数，优选为2.0至3.0的相对介电常数。

电介质波导件的护套可以具有例如1.0至3.0的相对介电常数，优选1.0至2.0的相对介电常数。

电介质波导件可以例如从根本上由聚乙烯或聚四氟乙烯来实施。电介质波导件也可以基本上由聚苯乙烯实施，这尤其由于其良好的加工特性而具有优势。

电介质波导件可以基本上仅从被称为“前部”的部分来实施。然而，还可以提供的是，电介质波导件包括后部。优选地，后部可以被实施为比电介质波导件的前部运行更多数目的模式。

在这种情况下，电介质波导件的后部可以优选地设计成这样的方式，即在电介质波导件的后部到第二波导之间的过渡的情况下，更高模式的激发尽可能低。

可以提供电介质波导件的直径的大小在第二波导的方向上增大，特别是从电介质波导件的前部到电介质波导件的后部。

本发明的一种改进方案，可以特别提供电介质波导件的后部在电介质波导件的前部的(芯或护套的)不同几何形状和/或介电常数和第二波导的(芯或护套的)不同几何形状和/或介电常数之间形成过渡。

通过相应的过渡，可以实现用于在第一波导和第二波导之间传输电磁波的电介质波导件的适当定制。

在电磁波在第二波导中传输的情况下，通过相应地定制电介质波导件，可以提供有目的地激发第二波导中的期望模式。

电介质波导件的护套在其后部中可以具有例如1.0至3.0的相对介电常数，优选1.0至2.0的相对介电常数。

也可以通过与波导件分离并且设置在波导件与第二波导之间的过渡件，可替代地或除了该波导件的后部之外，在电介质波导件的前部和第二波导之间提供合适的过渡。下文和上文描述的与波导件的后部相关的特征也可以相应地关于单独的过渡件来理解。

电介质波导件的前部和后部的轴向长度或电介质波导件的前部和单独的过渡件的轴向长度可以不同。

此外，本发明的一种改进方案可能提供，后部(和/或单独的过渡件)可以形成连续的、部分连续或离散阶梯形的过渡。

在部分连续过渡的范围内，特别可以提供，例如在电介质波导的后部中间区域中引入几何类型和/或物理材料特性的一个或多个交错过渡。

此外，本发明的一种改进方案可能提供，后部(和/或单独的过渡件)形成线性过渡、指数过渡和/或根据余弦函数的单调部分的过渡。

线性过渡、指数过渡和/或根据余弦函数的单调部分的过渡特别适合作为连续过渡或在不同几何形状之间的部分连续的过渡，例如，电介质波导的前部和后部的不同横截面面积。

例如，波导件的后部或单独的波导件可以具有沿纵轴延伸的外半径的变化，遵循余弦函数的单调部分或者是线性的，因此可以形成从波导件的前部的较小外半径到第二波导的较大半径的过渡。

此外，在一种改进方案中可以提供，后部(和/或单独的过渡件)形成阶梯形式的阶梯过渡，阶梯的步长为在要传输的信号的中心频率的情况下的电磁波的导波波长的四分之一到一半的整数倍。

这种阶梯过渡尤其适合作为不同几何形状之间的过渡，例如电介质波导件的前部和后部的不同横截面面积。

例如，波导件的后部或单独的波导件可以具有沿着纵轴延伸的外半径的阶梯式变化，因此可以形成从波导件的前部的较小的外半径到第二波导的较大半径的过渡。

本发明的一种改进方案可能提供，通过复合过程、改变材料的密度和/或在电介质波导件(和/或单独的过渡片)的后部中结合不同的材料，在不同的介电常数之间形成过渡。

因此，芯和/或护套的介电常数或它们之间的关系有可能连续地、部分连续地或离散地从波导件的前部到波导件的后端(和/或到单独的过渡件)彼此融合。

在复合过程(混合不同的材料)的范围内，例如可以使用聚合物合金、复合高聚物或对材料进行掺杂。例如可以通过压缩，发泡或不同的结晶过程来改变电介质波导件的密度。

最后，还可以几何地组装或结合在每种情况下具有不同介电常数的多种材料，并最终整体上形成电介质波导件、电介质波导件的部分之一和/或单独的过渡件。在这种情况下，尤其可以在电介质波导件的前部和后部的介电常数之间提供离散阶梯形的过渡。

此外，本发明的一种改进方案可能提供，电介质波导件的后部和第二波导的前部区域被实施为使它们的介质芯和/或包围介质芯的护套在几何上彼此融合。

在电磁波传输的情况下，以上述方式可以实现特别合适的定制。

尤其可以提供，允许在每种情况下具有不同介电常数的电介质波导件和第二波导在几何上彼此融合。在这种情况下，特别可以提供，允许介质芯和/或包围电介质波导件和第二波导的介质芯的护套在几何上彼此融合。

本发明的一种改进方案可以规定，电介质波导件被实施为矩形或圆形的电介质空心导体。

电介质波导件尤其可以具有圆形的横截面。优选地，电介质波导件被实施为圆形电介质空心导体。

此外，本发明的一种改进方案可以提供，在第一波导和电介质波导件之间设置部分过渡。

如果第一波导不是电介质波导，则相应的部分过渡尤其有利。在这种情况下，可以实现部分过渡，以便将从第一波导开始的电磁波引入电介质波导件中或引入电介质波导件的前部、后部和/或单独的过渡件中。

在一种改进方案中尤其可以提供，部分过渡被实施为印刷电路板的空心导体喇叭或贴片天线。

部分过渡可以从根本上体现为一个单独的部件。然而，在本发明的一种改进方案中也可以提供，部分过渡被实施为与电介质波导件是一体的。

由于通过部分过渡，尤其是空心导体喇叭对第二波导的直接激发将导致对第二波导中的较高模式的强烈激发，所以根据本发明的电介质波导件特别有利，特别是如果电介质波导件被实施为电介质单模波导件，则在从第一波导过渡的情况下，可以防止更高模式的激发。从电介质波导件到第二波导的后续过渡因此仅激发非常少量的更高模式。

就其功能而言，部分过渡可以与波导件的前部重叠(并且在适当的情况下至少部分地还与其后部重叠)。

在本发明的一种配置中可以提供，例如电介质波导件的模式除了介电引导装置之外还具有例如通过电介质导体的导电边界的从属导电引导装置。以这种方式，在电介质波导件仍然通过部分过渡或通过第一波导来激发时，波导件的后部可以将电介质波导件的模式转换为第二波导的模式。以这种方式可以形成上述的重叠区域。一个例子可以是从被实施为空心导体的第一波导到电介质多模波导的过渡，其中，空心导体喇叭形成部分过渡，并且电介质波导件的后部仍然从空心导体喇叭开始。

在一种改进方案中可以提供，第一波导被实施为同轴电缆、单线波导、金属或电介质空心导体或带状导体。

第一波导例如可以被实施为矩形空心导体，其通过布置在第一波导和电介质波导件之间的任选的部分过渡激发电介质波导件中的基本模式。

然而，根本上可以将第一波导实施为用于传输电磁波的任何期望的波导。

第二波导的护套在其后部中可以具有例如1.0至3.0的相对介电常数，优选1.0至2.0的相对介电常数。第二波导例如可以由聚乙烯、聚四氟乙烯或聚苯乙烯来实施。

第二波导可以具有例如圆形的横截面。只要所述电介质波导包括最小的波导色散，则这种电介质波导基本上能够运行更高的模式。然而，本发明不应被理解为限于电介质多模波导的特定横截面或特定几何形状的使用。例如也可以提供矩形或椭圆形的波导。

电介质波导件和第二波导优选地是不相同的并且具有不同的几何形状。然而，电介质波导件和第二波导也可以至少部分地具有相同的几何形状。

第一波导和电介质波导件之间的任选的部分过渡、电介质波导件或其前部和/或后部或单独过渡件可以具有任何期望的长度，并且可以以任何期望的组合实施为一体式或多件式。

本发明还涉及上文和下文描述的用于在第一波导和第二波导之间传输电磁波的波导组件的波导过渡，该波导过渡体现为电介质多模波导。波导过渡包括设置在第一波导和第二波导之间的电介质波导件。因此，电介质波导件被实施为至少在面向第一波导的前部中运行的模式数目少于第二波导能够运行的模式数目。

根据本发明，输入信号因此可以不直接从第一波导引入到电介质多模波导中，而是最初可以通过根据本发明的波导过渡来传输。在这种情况下，电磁波最初被引入到改进的电介质波导中，在本发明的范围内被称为“电介质波导件”，其仅能够运行减少数量的模式。

电介质波导件优选地选择应使较高的模式不在电介质波导内运行，特别是不在电介质波导管件的前部中运行。为此目的，可以提供单模波导件。

根据本发明，通过波导过渡可以通过从第一波导到第二波导的过渡来避免或至少大大减少更高模式的激发，由此可以使用通过第二波导的多模传输而不存在模态色散的缺点。

除了在根据本发明的波导组件的范围内已经提到的优点之外，本发明的另一个优点是，由于避免了在过渡到电介质波导时激发更高模式，因此相对于波导的设计可以实现更高的自由度，因为考虑模态色散只是次要的。

此外，本发明涉及根据上文和下文陈述的波导组件的用途，其用于通过电磁波传输数据或用于测量技术，特别是用于太赫兹谱测量。

使用波导过渡来避免更高模式的激发在数据传输的情况下不是唯一有利的，而是还可以用于其它领域，例如在测量技术中。因此，本发明不应被理解为用于传输数据的电介质波导的特殊且排他的解决方案，而是还可以有利地用于电介质波导的其他应用领域，例如用于太赫兹谱测量。

可以提供仅从电介质波导件实施波导过渡，并且任选地从过渡件和/或部分过渡实施波导过渡。优选的是，波导过渡不包括至少一个空心导体，特别是不包括介质填充的空心导体。

已经结合根据本发明的波导组件描述的特征自然也可以有利地用于根据本发明或所述应用的波导过渡，反之亦然。此外，结合根据本发明的波导组件已经提到的优点也可以自然地关于根据本发明的波导过渡或应用来理解，反之亦然。

另外，对诸如“包括”、“包含”或“具有”的术语不排除任何其他特征或步骤的事实进行了参考。此外，诸如“一个”或“该”之类的术语指的是单个步骤或特征，不排除多个特征或步骤，反之亦然。

附图说明

下面参照附图详细说明本发明的示例性实施例。

在每种情况下，附图示出了优选的示例性实施例，其中本发明的各个特征彼此结合地表示。示例性实施例的特征还可以与同一示例性实施例的其他特征分开使用，并且因此可以被本领域技术人员容易地组合以形成具有其他示例性实施例的特征的其他有利的组合和子组合。

功能相似的元件已经在附图中提供了相同的附图标记。

在图中，示意性地：

图1示出了根据本发明的具有第一波导、波导过渡和第二波导的波导组件；

图2示出了根据本发明的具有根据第一变形的波导过渡的波导组件；

图3示出了根据本发明的具有根据第二变形的波导过渡的波导组件；

图4示出了根据本发明的具有根据第三变形的波导过渡的波导组件；

图5示出了根据本发明的具有根据第四变形的波导过渡的波导组件；

图6示出了根据本发明的具有根据第五变形的波导过渡的波导组件；

图7示出了根据本发明的具有根据第六变形的波导过渡的波导组件；以及

图8示出了根据本发明的具有根据第七变形的波导过渡的波导组件。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的波导组件1。波导组件1包括第一波导2、第二波导3和用于在第一波导2和第二波导3之间传输电磁波5的波导过渡4。

第一波导2可以被实施为任何期望的波导。因此，第一波导2可以被实施为例如同轴电缆、单线波导、金属或电介质空心导体或带状导体。

第二波导3被实施为电介质多模波导，并且优选地被实施为电介质空心导体。

波导过渡4包括设置在第一波导2与第二波导3之间的电介质波导件6，其中，电介质波导件6被实施为在面向第一波导2的前部7中运行的模式数目少于第二波导3能够运行的模式数目。

优选地，波导件6的前部7被实施为单模波导。

为了在示例性实施例中在第一波导2与电介质波导件6之间传输电磁波5，在第一波导2与电介质波导件6之间设置了部分过渡8。在示例性实施例中，部分过渡8可以用电介质波导件6实施为一体式或多件式，并且仅示意性地指示为黑匣子。部分过渡8例如可以实施为印刷电路板的空心导体喇叭或贴片天线。部分过渡8在功能上也可与电介质波导件6的前部7和/或后部9重叠，所述后部仍将在下文中描述。

为了使第二波导3或第二波导3的面向电介质波导件6的至少前部区域中运行更小数目的模式，波导件6的前部7具有相对于第二波导3减小的横截面(参见图1和图2)。替代地或附加地，波导件6具有相对于第二波导3减小的介质芯材料的介电常数(由图3中的阴影表示)和/或相对于第二波导3增大的包围介质芯材料的护套的介电常数(参见图6)。

为了方便概述，图1至图5仅示出了在每种情况下的电介质波导3和电介质波导件6的芯。未示出护套(参见图6至8)。

电介质波导件6也可以被实施为矩形或圆形的电介质空心导体。

电介质波导件6可包括面向第二波导3的后部9，该后部9在波导件6的前部7和第二波导3的不同几何形状和/或介电常数之间形成过渡。或者，可以提供与波导件6分离的过渡件10。为此目的，图1以简化的方式最初仅示出了一个黑匣子，进一步的图示出了波导件6的后部9的不同变形。

图2示出了具有波导过渡4的波导组件1，波导过渡4的电介质波导件6在其前部7具有与第二波导3相比减小的横截面，所述波导过渡的后部9形成到第二波导3的扩大的横截面的过渡。在这种情况下，后部9的过渡从前部7开始在第二波导3的方向上以线性方式连续地延伸。过渡基本上可以以线性、指数和/或余弦形状的方式(换句话说，遵循余弦函数的单调部分)或以任何其他方式在后部9中延伸。如图所示，由后部9形成的过渡可以以连续的方式实施，但是也可以仅以部分连续或离散阶梯形的方式实施。

此时，应当进一步强调的是，电介质波导件6和部分过渡8也可以被实施为第一波导2和电介质波导件6之间的一体件，并且可以彼此融合。如果部分过渡例如被实施为金属空心导体喇叭，则在图2中被实施为变化的芯横截面的波导件6也可以是所述部分过渡8的一部分。

图3示出了波导件6的一种变形，其中，与第二波导3相比，前部7的介电常数减小。不同的介电常数在图3中用不同的交叉阴影表示。后部9在前部7的减小的介电常数与第二波导3的介电常数之间形成过渡。这可以例如通过复合过程、改变材料的密度和/或在波导件6的后部9中结合不同的材料产生。在当前情况下，例如由于将不同的材料结合在一起，在波导件6的后部9中示出了阶梯过渡。

还可以提供，波导件6的后部9和第二波导3的前部区域被实施为使得它们的介质芯在几何上彼此融合。这通过图4和图5中的示例表示。尤其是如果电介质波导件6的介电常数、至少电介质波导件6的后部9的介电常数和第二波导3的介电常数也彼此不同，则这种类型的几何过渡是有利的。

在本发明的范围内，与第二波导3相比，还可以减少介质波导件6能够运行的模式的数目，其中，包围波导件6的介质芯的护套11的介电常数相对于第二波导3的护套增大。这在图6中示出，但是其中不同的介电常数由不同的交叉阴影表示。第二波导3包括护套12，该护套的介电常数比电介质波导件6的后部9中的护套11的介电常数低。

还可以提供，波导件6的后部9和第二波导3的前部区域被实施为允许它们的包围介质芯的护套在几何上彼此融合。这在图7和8中示出。

所描述的波导组件1可以有利地至少在平均距离上用于以非常高的数据速率进行数据传输。但是，所示的波导组件1也适合用于测量技术，例如用于太赫兹谱测量。