多模波导的制作方法

本公开涉及波导。

背景技术：

微波天线可发射具有包括主瓣和旁瓣的辐射图案的能量。旁瓣能量可能是不期望的。例如，旁瓣能量可从主瓣汲取能量并且可使得发射器的检测更容易。可通过减小孔径天线或波导的口处的纵向边缘电流来减小旁瓣能量。可通过以包括主传播模式和高阶传播模式的混合传播模式传播能量以消除纵向电流来减小纵向边缘电流。混合传播模式可通过将以主传播模式传播的能量转换为以高阶传播模式传播的能量来获得。波导的尺寸(例如，内部区域的横截面积)可沿其长度变化，以便呈现边界值摄动(perturbation)，其导致将以主传播模式传播的能量转换为以高阶传播模式传播的能量。例如，波导壁可包括耀斑(flare)、虹膜(iris)、凹槽或台阶以将能量转换为高阶传播模式。然而，使波导壁的横截面积变化可能是不可取的。例如，许多系统包括具有大致恒定的横截面积的波导，更换这些系统中的波导的成本高。

技术实现要素：

在特定实现方式中，一种设备包括波导。该波导包括具有与主传播模式关联的形状的波导壁。该波导包括第一介电材料，该第一介电材料具有沿着波导的至少一部分的长度变化的横截面积。

在另一特定实现方式中，一种波导包括供给部分、模式组合器部分、模式转变部分和折射率(index)匹配器。模式转变部分包括介电材料并且被设置在供给部分和模式组合器部分之间。折射率匹配器包括介电材料。模式组合器部分被设置在折射率匹配器和模式转变部分之间。

在另一特定实现方式中，一种方法包括在波导处接收信号。该波导包括波导壁和介电材料，所述介电材料具有沿着波导的一部分的长度变化的横截面积。波导壁的形状与主传播模式关联。该方法还包括通过使信号穿过包括介电材料的波导的所述一部分传播来将信号的一部分从主传播模式转换为次传播模式。

本文所描述的特征、功能和优点可在各种实施方式中独立地实现，或者可在其它实施方式中被组合，其进一步的细节参照以下描述和附图来公开。

附图说明

图1a例示了包括模式转变部分的波导的立体图，其中，部分106例如是模式转变部分；

图1b例示了图1a的波导的供给部分的横截面图；

图1c例示了图1a的波导的模式转变部分的横截面图；

图1d例示了图1a的波导的模式组合器部分的横截面图；

图1e例示了图1a的波导的侧面横截面图，其中，部分106例如是模式转变部分；

图2例示了具有圆锥渐缩器的(波导的模式转变部分的)介电材料的立体图；

图3例示了具有椭圆渐缩器的(波导的模式转变部分的)介电材料的侧视图；

图4例示了具有对数渐缩器的(波导的模式转变部分的)介电材料的侧视图；

图5例示了不包括图1a的模式转变部分的圆形波导的表面电流的示例；

图6例示了包括图1a的模式转变部分的圆形波导的表面电流的示例；

图7是例示使信号穿过包括介电材料的波导传播的方法的特定示例的流程图，所述介电材料具有沿着波导的一部分的长度变化的横截面积；

图8是例示包括波导的飞行器的生命周期的流程图，该波导包括模式转变部分；以及

图9是包括波导的飞行器的例示性实施方式的框图，该波导包括模式转变部分。

具体实施方式

下面参照附图来描述本公开的特定实施方式。在说明书中，贯穿附图，共同的特征由共同的标号来指代。

附图和以下描述例示了具体示例性实施方式。将理解，本领域技术人员将能够想到各种布置方式，这些布置方式尽管未在本文中明确地描述或示出，仍具体实现了本文所描述的原理并且包括在说明书后的权利要求书的范围内。另外，本文所描述的任何示例旨在帮助理解本公开的原理，将被解释为非限制性的。结果，本公开不限于下面所描述的具体实施方式或示例，而是由权利要求书及其等同物限定。

图1a例示了包括模式转变部分(例如，部分106)的波导100的立体图。图1b例示了沿着图1a的线b的图1a的波导100的横截面图，图1c例示了沿着图1a的线c的图1a的波导100的横截面图，图1d例示了图沿着1a的线d的图1a的波导100的横截面图。图1e例示了沿着图1a的线a-a的图1a的波导100的横截面图。如图1e所示，波导100包括介电材料110，该介电材料110具有沿着波导100的部分106(例如，模式转变部分)的长度变化的尺寸(例如，横截面的半径、直径或长度)。波导100包括具有第一端114和第二端116的波导壁102。波导壁102可具有与主传播模式关联的横截面形状(例如，几何形状)。例如，波导壁102可为圆形(例如，波导100可为圆形波导)，主传播模式可对应于横电11(te11)模式。另选地，波导壁102可为正方形或矩形(例如，波导100可为正方形波导或矩形波导)，主传播模式可对应于te11模式。

波导100包括支持以主传播模式传播能量的供给部分104。使用圆形波导来例示，供给部分104接收信号103，信号103完全或主要以主传播模式(例如，te11)朝着部分106传播。

如图1b所示，波导100的供给部分104可包括由沿着波导100的供给部分104的波导壁102的内表面197限定或界定的内部区域195。在例示的实现方式中(例如，对于圆形波导)，内部区域195沿着供给部分104的长度具有与a＝πr²(式1)对应的横截面积(a)，其中r对应于内部区域195的横截面的半径r。在其它实现方式中(例如，对于正方形或矩形波导)，波导100的内部区域195具有圆形以外的横截面形状。在这些示例中，由波导壁102限定的供给部分104的内部区域195具有使用与式1的关系式不同的关系式来限定的横截面积。例如，如上所述，波导壁102可为正方形或矩形(例如，波导壁102的内表面197可限定正方形或矩形)。为了例示，沿着供给部分104的内表面197可限定正方形，并且内部区域195可具有与(由沿着供给部分104的内表面197限定的横截面形状的)长度的平方对应的横截面积。作为另一示例，沿着供给部分104的内表面197可限定矩形，并且内部区域195可具有与由沿着供给部分104的内表面197限定的横截面形状的长度乘以横截面形状的宽度对应的横截面积。

供给部分104的内部区域195可具有比部分106的内部区域的低的介电常数。例如，如下面更详细描述的，供给部分104的内部区域195可填充有空气，其介电常数低于部分106的介电材料110。

信号103从供给部分104向部分106传播。从供给部分104接近或进入部分106的信号103主要或完全以主传播模式传播。部分106的介电材料110用于将在部分106的入口处(即，在第一端187处)以主传播模式传播的信号103的一些部分转换为在部分106的第二端188处以次模式传播的能量。

如图1c所示，波导100的部分106可包括由沿着波导100的部分106的波导壁102的内表面197限定或界定的内部区域196。在一些实现方式中(例如，对于圆形波导)，内部区域196沿着部分106的长度具有与a＝πr²(式2)对应的横截面积(a)，其中r对应于内部区域196的横截面的半径r。在其它实现方式中(例如，对于正方形或矩形波导)，波导100的内部区域196具有圆形以外的横截面形状。在这些示例中，部分106的内部区域196具有使用与式2的关系式不同的关系式来限定的横截面积。例如，如上所述，波导壁102可为正方形或矩形(例如，波导壁102的内表面197可限定正方形或矩形)。为了例示，沿着部分106的内表面197可限定正方形，并且内部区域196可具有与(由沿着部分106的内表面197限定的横截面形状的)长度的平方对应的横截面积。作为另一示例，沿着部分106的内表面197可限定矩形，并且内部区域196可具有与由沿着部分106的内表面197限定的横截面形状的长度乘以横截面形状的宽度对应的横截面积。

在例示性实现方式中，部分106的内部区域196沿着长度具有大致恒定的横截面积，并且具有与供给部分104的内部区域195相同的横截面积。在此实现方式中，部分106不包括任何波导壁摄动。

在例示性实现方式中，介电材料110使得信号103表现得好像内部区域196的横截面积沿着部分106的长度不断增大一样，而无需实际上使内部区域196的横截面积变化。介电材料110可使得信号103表现得好像内部区域196的横截面积大于内部区域195的横截面积一样，这是因为(例如，基于介电材料110具有比供给部分104的内部区域195的材料大的介电常数)部分106的内部区域196具有高于供给部分104的内部区域195的介电常数。例如，供给部分的内部区域195可填充有空气(例如，介电常数为一(1))，介电材料110可具有大于一(1)的介电常数。在一些示例中，介电材料110可由聚合物形成。

在圆形波导的一些实现方式中，介电材料110被配置为模仿(emulate)具有内表面的波导壁，所述内表面(在部分106的第二端188处)限定半径为供给部分104的半径r的大约两倍的横截面形状。在这些示例中，介电材料110的介电常数可为供给部分104的内部区域195的材料或填充的介电常数的大约四倍。例如，供给部分104的内部区域195可填充有空气(例如，介电常数为一(1))，介电材料110可由介电常数约为四(4)的介电材料形成。

尽管介电材料110被例示为具有圆形横截面，在其它实现方式中，介电材料110可具有圆形以外的横截面形状。例如，如上所述，波导100可为正方形或矩形波导。在这些示例中，介电材料110具有正方形或矩形横截面形状。在正方形波导100的一些示例中，当介电材料110线性渐缩时，介电材料110具有大致金字塔形状。在这些示例中，介电材料110可被配置为模仿具有内表面的波导壁，所述内表面在部分106的第二端188处限定半径以外的尺寸(例如，长度或宽度)为供给部分104的内部区域195的横截面形状的对应尺寸的值的大约或至少两倍的横截面形状(例如，正方形或矩形横截面形状)。

这样，部分106(包括介电材料110)可模仿波导壁102中的摄动，并且用于在不使用波导壁102中的摄动的情况下将能量从主传播模式转换为次传播模式。因此，部分106可在具有与供给部分104相同(或大致相同)的横截面积的同时转换传播模式，从而通过向波导增加介电材料110来使得恒定横截面积波导能够被改造以执行模式转换。

在一些示例中，介电材料110的横截面积沿着部分106的长度在从第一端114至第二端116的方向上(例如，在图1e中的方向d上)增大。在一些示例中，介电材料110具有沿着部分106的长度线性地变化的尺寸(例如，半径)。例如，图2例示了横截面积沿着部分106的长度在方向d上增大的图1e的介电材料110的示例，并且介电材料110具有圆锥形状(例如，圆锥几何形状)。在此示例中，介电材料110的e处的横截面积对应于圆圈e的面积，介电材料110的f处的横截面积对应于圆圈f的面积。在此示例中，f处的横截面积大于e处的横截面积，介电材料110的横截面积沿着长度在方向d上增大。

尽管在图2中介电材料110被例示为具有圆锥形状，在其它示例中，介电材料110可具有不同的渐缩形状。例如，介电材料110可具有椭圆或对数渐缩。例如，图3例示了沿着长度具有椭圆渐缩的图1e的介电材料110，图4例示了沿着长度具有对数渐缩的图1e的介电材料110。

再参照图1e，波导100包括在部分106和第二端116之间的模式组合器部分108。模式组合器部分108包括由沿着波导100的模式组合器部分108的长度的波导壁102的内表面197限定或界定的内部区域198(参见图1d)。在一些实现方式中(例如，对于圆形波导)，内部区域198沿着模式组合器部分108的长度具有与a＝πr²(式3)对应的横截面积(a)，其中r对应于内部区域198的横截面的半径r。在其它实现方式中(例如，对于正方形或矩形波导)，波导100的内部区域198具有圆形以外的横截面形状。在这些示例中，模式组合器部分108的内部区域198具有使用与式3的关系式不同的关系式来限定的横截面积。例如，如上所述，波导壁102可为正方形或矩形(例如，波导壁102的内表面197可限定正方形或矩形)。为了例示，沿着模式组合器部分108的内表面197可限定正方形，并且内部区域198可具有与(由沿着模式组合器部分108的内表面197限定的横截面形状的)长度的平方对应的横截面积。作为另一示例，沿着模式组合器部分108的内表面197可限定矩形，并且内部区域198可具有与由沿着模式组合器部分108的内表面197限定的横截面形状的长度乘以横截面形状的宽度对应的横截面积。

模式组合器部分108的内部区域198具有低于部分106的内部区域的介电常数。在一些示例中，模式组合器部分108的内部区域填充有空气，空气具有低于介电材料110的介电常数。

内部区域198沿着模式组合器部分108的长度的横截面积可大致与内部区域196沿着部分106的长度的横截面积相同。模式组合器部分108可与主传播模式关联，使得次传播模式的能量随着其在方向d上沿着模式组合器部分108传播而消灭。另外，模式组合器部分108具有长度，该长度使得以主传播模式传播的能量和以次传播模式传播的能量在第二端116处具有特定相位差。该特定相位差可导致纵向边缘电流的消除。纵向边缘电流的消除可减小在第二端116处发送的信号的辐射图案的旁瓣能量。

因此，波导100包括三部分，这三部分包括第一低介电常数部分(例如，供给部分104)、高介电常数部分(模式转变部分106)和第二低介电常数部分(模式组合器部分108)。在图1a至图1e所示的示例中，波导100具有内部区域，该内部区域沿着波导100的整个长度具有大致恒定的横截面积。高介电常数部分用于在不改变波导100的内部区域的横截面积并且不包括波导壁102中的摄动的情况下转换传播模式。与进入高介电常数部分的能量相比，离开高介电常数部分的能量包括更多的以次传播模式传播的能量。离开高介电常数部分的能量进入低介电常数部分，在那里两种模式的能量之间的相位差导致纵向边缘电流的消除。

波导100包括折射率匹配器(indexmatcher)112。折射率匹配器112靠近第二端116设置并且可由介电材料形成。折射率匹配器112可支持信号103以次传播模式的传播。如上所述，随着信号103传播穿过模式组合器部分108，信号103中的次传播模式的部分可被消灭。折射率匹配器112可用于控制由波导100发送的处于次传播模式的信号的量。

图5例示了不包括图1a和图1e的介电材料110和折射率匹配器的圆形波导中的表面电流的仿真。在图5中，信号在第一端514处进入波导500并且沿着波导的整个长度以te11模式传播。波导500的第二端516处的表面电流包括约为零(0)dba/m的纵向电流分量。

图6例示了图1a和图1e的波导100中的表面电流的仿真。在图6中，信号在第一端114处进入并且沿着供给部分104以te11模式传播。信号从供给部分104传播至部分106。随着信号进入并沿着部分106朝着第二端116传播，图1e的介电材料110使得信号中的部分将传播模式从te11模式改变为tm11模式，从而导致混合或多模信号(具有处于te11模式和tm11模式二者的部分的信号)。信号从部分106传播至模式组合器部分108。如上所述，模式组合器部分108具有使得以主模式(te11模式)传播的能量与以次模式(tm11模式)传播的能量在第二端116处具有特定相位差的长度。该特定相位差可导致第二端116处的纵向边缘电流的消除。因此，第二端116处的表面电流(例如，约-9dba/m)低于图5的第二端516处的表面电流。

图7例示了使信号穿过波导传播的方法700，所述波导包括具有沿着波导的一部分的长度变化的横截面积的介电材料。图7的方法700可由图1a和图1e的波导100执行。

图7的方法700包括：在702，在包括波导壁和介电材料的波导处接收信号，所述介电材料具有沿着波导的一部分的长度变化的横截面积。所述信号可对应于图1e的信号103。所述波导可对应于图1a和图1e的波导100，所述波导壁可对应于图1a、图1b、图1c、图1d和图1e的波导壁102，所述介电材料可对应于图1c、图1e、图2、图3和/或图4的介电材料110。所述部分可对应于图1a和图1e的部分106。如上面参照图1a所述，波导壁的形状与主传播模式关联。

图7的方法700包括：在704，通过使信号穿过波导的包括介电材料的部分传播来将信号中的一部分从主传播模式转换为次传播模式。例如，如上面参照图1a的波导100所述，所述波导可以是圆形波导，所述部分可将部分信号从te11模式转换为tm11模式。

图7的方法700还包括提供以主传播模式传播的部分信号与通过在706使信号穿过波导的模式组合器部分传播而以次传播模式传播的部分信号之间的特定相位差。所述模式组合器部分可对应于模式组合器部分108，所述模式组合器部分可如上所述基于模式组合器部分的长度提供特定相位差。如上所述，所述特定相位差可导致纵向边缘电流的消除。

如上所述，波导的内部区域的横截面积可以是恒定的(或大致是恒定的)。在此实现方式中，波导(例如，(包括介电材料110)的部分106)模仿波导壁102中的摄动将能量从主传播模式转换为次传播模式，而不依赖于波导壁102中的摄动。因此，部分106可使用具有与供给部分104的内部区域195相同(或大致相同)的横截面积的内部区域196来转换传播模式，从而通过向波导增加介电材料110来使得恒定横截面积波导能够被改造以执行模式转换。

参照图8，示出并用800指代例示包括在没有波导壁摄动的情况下执行模式转换的波导的平台(例如，载具(例如，陆地载具、航空载具或船舶)或者基于地面的设施(例如，建筑物或结构))的生命周期的流程图。在预生产期间，示例性方法800包括：在802处平台(例如，参照图9描述的飞行器902)的规格和设计。在平台的规格和设计期间，方法800可包括：在820处具有波导的信号接收器或信号发送器的规格和设计。信号接收器或信号发送器可以是通信系统(例如，图9的通信系统960)的一部分，并且可采用天线(例如，图9的天线903(包括波导))来发送或接收信号(例如，图1e的信号103)。所述波导可对应于图1a和图1e的波导100。在804处，方法800包括材料采购。在830处，方法800包括采购用于波导的材料(例如，图1c和图1e的介电材料110)。

在生产期间，方法800包括平台在806处的部件和分总成制造以及在808处的系统集成。方法800可包括波导在840处的部件和分总成制造(例如，制造波导100或者向现有的恒定横截面积波导添加介电材料110和/或折射率匹配器112)以及在850处的系统集成。例如，波导可被集成到天线(例如，图9的天线903)中或与该天线结合使用。在810处，方法800包括平台的认证和配送，在812处将平台投入服务。认证和配送可包括在860处认证波导。在870处，方法800包括将波导投入服务。在顾客使用的同时，可为平台安排例行维护和服务(也可包括修改、重新配置、改造等)。在814处，方法800包括对平台执行维护和服务。在880处，方法800包括执行波导的维护和服务。例如，波导的维护和服务可包括更换波导100或介电材料110。

方法800的各个处理可由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，顾客)来执行或完成。为了本说明书，系统集成商可包括(但不限于)任何数量的制造商和主系统分包商；第三方可包括(但不限于)任何数量的卖方、分包商和供应商；运营商可以是航空公司、租赁公司、军方实体、服务组织等。

参照图9，示出并用900指代包括被配置为执行模式转换的波导100的飞行器(例如，飞机或无人机)902的例示性实施方式的框图。如图9所示，通过方法800制造的飞行器902可包括机身918、内部922、一个或更多个引擎944、天线903以及多个系统920。系统920可包括推进系统924、电气系统926、液压系统928、环境系统930、显示系统950和通信系统960中的一个或更多个。可包括任何数量的其它系统。天线903包括波导100以及附加天线部件905(例如，反射盘)。天线903可以是通信系统960的一部分，一个或更多个引擎944可以是推进系统924的一部分。

可在方法800的任一个或更多个阶段期间采用本文中具体实现的设备和方法。例如，与生产工艺808对应的部件或分总成可按照与例如在812处飞行器802投入服务的同时生产的部件或分总成相似的方式来加工或制造。另外，设备实施方式、方法实施方式或其组合中的一个或更多个可在812处飞行器902投入服务的同时(例如但不限于，在814处的维护和服务)使用。例如，图1a和1e的波导100可以是用于在飞行器902投入服务的同时发送信号(例如，图1e的信号103)的天线(例如，图9的天线903)的一部分或者与该天线结合使用。

本文所描述的示例的例示旨在提供各种实施方式的结构的一般理解。所述例示并非旨在用作使用本文所述的结构或方法的设备和系统的所有元件和特征的完整描述。对于本领域技术人员而言在审阅本公开时，许多其它实施方式可能显而易见。可使用并从本公开推导其它实施方式，使得在不脱离本公开的范围的情况下，可进行结构和逻辑替代和改变。例如，方法步骤可按照与图中所示不同的顺序来执行，或者一个或更多个方法步骤可被省略。因此，本公开和附图将被视为例示性的，而非限制性的。

此外，尽管本文中示出并描述了特定示例，应该理解，被设计为实现相同或相似的结果的任何后续布置方式可代替所示的特定实施方式。本公开旨在涵盖各种实施方式的所有后续修改或变化。对于本领域技术人员而言在审阅本说明书时，上述实施方式以及本文没有具体地描述的其它实施方式的组合将显而易见。

在将不用于解释或限制权利要求书的范围或含义的理解下提交本公开的摘要。另外，在前面的具体实施方式中，为了精简本公开，各种特征可被组合在一起或在单个实施方式中描述。如下面的权利要求书所反映的，要求的保护的主题可被引向少于所公开的任何示例的所有特征。

另外，本公开包括根据以下条款的实施方式：

条款1.一种设备，该设备包括：

波导，该波导包括：

波导壁，该波导壁具有与主传播模式关联的形状；以及

第一介电材料，该第一介电材料具有沿着波导的一部分的长度变化的横截面积。

条款2.根据条款1所述的设备，其中，波导壁具有圆形横截面，主传播模式包括横电te11模式。

条款3.根据条款2所述的设备，其中，第一介电材料具有渐缩形状。

条款4.根据条款3所述的设备，其中，渐缩形状包括圆锥形状、椭圆形状或对数形状。

条款5.根据条款2至4中的任一项所述的设备，其中，第一介电材料具有沿着波导的所述一部分的长度线性地变化的尺寸。

条款6.根据条款1至5中的任一项所述的设备，其中，波导还包括折射率匹配器，该折射率匹配器包括第二介电材料，该折射率匹配器靠近波导的第二端设置。

条款7.根据条款6所述的设备，其中，所述一部分包括模式转变部分，并且其中，波导还包括在模式转变部分和第二端之间的模式组合器部分。

条款8.根据条款7所述的设备，其中，模式组合器部分的内部区域具有低于模式转变部分的内部区域的介电常数。

条款9.根据条款7至8中的任一项所述的设备，其中，波导还包括在模式转变部分和波导的第一端之间的供给部分，并且其中，供给部分的内部区域具有低于模式转变部分的内部区域的介电常数。

条款10.根据条款9所述的设备，其中，波导的内部区域的横截面积沿着模式转变部分的长度大致恒定。

条款11.根据条款10所述的设备，其中，波导的内部区域的横截面积沿着供给部分大致恒定，并且其中，沿着模式转变部分的长度的内部区域的横截面积与沿着供给部分的内部区域的横截面积大致相等。

条款12.一种波导，该波导包括：

供给部分；

模式组合器部分；

模式转变部分，该模式转变部分包括介电材料，该模式转变部分被设置在供给部分和模式组合器部分之间；以及

折射率匹配器，该折射率匹配器包括介电材料，其中，模式组合器部分被设置在折射率匹配器和模式转变部分之间。

条款13.根据条款12所述的波导，其中，介电材料具有沿着模式转变部分的长度变化的横截面积。

条款14.根据条款13所述的波导，其中，介电材料具有渐缩形状。

条款15.根据条款12至14中的任一项所述的波导，其中，沿着供给部分的内部区域的横截面积、沿着模式组合器部分的内部区域的横截面积、以及沿着模式转变部分的内部区域的横截面积大致相等。

条款16.一种方法，该方法包括以下步骤：

在波导处接收信号，该波导包括波导壁和介电材料，该介电材料具有沿着波导的一部分的长度变化的横截面积，其中，波导壁的形状与主传播模式关联；以及

通过使信号穿过波导的包括介电材料的所述一部分传播来将信号的一部分从主传播模式转换为次传播模式。

条款17.根据条款16所述的方法，其中，波导壁具有圆形横截面，并且主传播模式包括横电te11模式。

条款18.根据条款16至17中的任一项所述的方法，其中，次传播模式包括横磁tm11模式。

条款19.根据条款16至18中的任一项所述的方法，其中，所述一部分包括模式转变部分，并且所述方法还包括使信号穿过波导的模式组合器部分传播。

条款20.根据条款19所述的方法，其中，模式组合器部分的内部区域的介电常数低于模式转变部分的内部区域的介电常数。

上面所描述的示例例示而非限制本公开。还应该理解，可根据本公开的原理进行众多修改和变化。因此，本公开的范围由以下权利要求书及其等同物限定。