介电波导电缆的制作方法

本发明涉及传输电磁波以在千兆赫范围内、在两个设备之间进行高速数据传输的介电波导电缆。
背景技术：
：2018年4月代表rosenbergerhochfrequenztechnikgmbh首次公开的ep3306740a1(wo18068914a1)涉及一种介电波导电缆。该介电波导电缆具有管状或实心形状的第一电介质芯和包含空气的第二电介质。第一电介质被设计用于限制传输的电磁波并具有第一介电常数。第二电介质至少部分地围绕第一电介质并且被设计用于在空间上限制电磁波。它具有低于第一介电常数的第二介电常数。本发明还涉及一种针对信号的传输方法。从us4463329可知一般原理，us4463329还描述了一种具有实心电介质芯的介电波导，该实心电介质芯被包含空气的电介质包围。ep3389133a1(w018188838a1)于2018年10月以rosenbergerhochfrequenztechnikgmbh的名义首次公开。它涉及一种(特别是用于汽车领域的)介电波导电缆。介电波导电缆具有第一电介质和第二电介质，以及形成在第一电介质与第二电介质之间的分离层。us4463329a于1984年7月以junkoshaco.ltd.的名义首次公开。它描述了一种由聚四氟乙烯制成的电缆形式的介电波导。电缆是部分烧结的ptfe以及烧结和未烧结的膨胀ptfe的复合物，其按照使得电缆的比重从芯向外表面递减的方式来布置。介电波导使用阶跃变化或连续变化的介电常数ptfe材料。us2017170539a1于2017年6月以teconnectivityltd.的名义首次公开。它涉及一种用于传播电磁信号的介电波导。该波导包括包层和导电屏蔽。所述包层具有由第一介电材料构成的主体。该主体限定芯区域，该芯区域填充有不同于第一介电材料的第二介电材料。所述包层还包括从主体的外表面延伸到远端的至少两个肋。屏蔽与肋的远端接合并在外周围绕包层，以在主体的外表面与屏蔽的内表面之间径向地限定气隙。wo2015180850a1(us2017077581a)于2015年12月以spinnergmbh的名义首次公开。该公开涉及一种柔性且可扭转的太赫兹波导组件，其在端部具有带有波导法兰连接器的柔性波导。该柔性波导包括相互连接的多个管段的分段管。该管封闭了通过管中心的螺纹固定的介电波导。单独的段可以相对于彼此倾斜和/或枢转，从而允许波导电缆的弯曲和扭曲。wo2018063342a1于2018年4月以aleksandaraleksov的名义首次公开，并且涉及一种制造波导的方法，所述方法包括挤压出第一介电材料作为包括空气的中空波导芯。外层与波导芯被共挤出(coextrude)，其中外层围绕波导芯来布置。us4216449于1978年7月代表bbcbrownboveri和cie首次公开。它涉及一种用于传输电磁能量的波导，该波导即使在具有小的线截面时也具有低衰减。该波导包括由具有低介电常数的物质构成的电磁屏蔽中空圆柱体，其中在内部设置具有高介电常数的物质的介电线。e0m波(m＝1，2，3...，圆形h场)在介电线中被激发，并且介电线的尺寸(取决于两种物质的介电常数和特定的工作频率)使得tem波基本上至少在介电中空圆柱体的空间中产生。在最简单的情况下，电磁屏蔽可以由金属管组成，而介电中空圆柱体可以主要由空气组成。此外，在介电线中激发的e0m波优选地是e01波(tm01模式)。ep0304141(us4875026a)于1989年2月以wlgoreandassociatesing.的名义首次公开。它涉及一种用于传输电磁波的介电波导。该介电波导包括聚四氟乙烯(ptfe)芯、一层或更多层包裹在芯周围的ptfe包层、覆盖包层的电磁损耗材料的模式抑制层和覆盖模式抑制层的电磁屏蔽层。模式抑制层优选地是碳填充的ptfe带。另一个电磁损耗材料层可以被放置在屏蔽周围以吸收任何外来能量。技术实现要素：对于在通过网络电缆互连的设备之间提供高速数据传输的更经济解决方案的需求在不断增加，这促使工程师寻找昂贵的玻璃光纤(fo)传输的替代方案。通常对于较短的电缆长度，基于铜的电缆是主要选择。然而，随着数据速率向100gbit/s及以上的方向发展，此类系统的复杂性、功耗和成本已接近光纤级别。半导体技术的进步，尤其是硅cmos(互补金属氧化物半导体)的小型化，如今已允许构建在具有毫米(mm)及以上波长范围内信号传输的完全集成收发器。在这些频率下，使用以下介电波导电缆变得受到关注：例如通过与周围的空气相比具有更高的介电常数来限制并因此引导辐射的电磁信号的介电波导电缆。此类波导中以及此类波导周围的场能量分布可以使用贝塞尔函数来描述，所述贝塞尔函数示出了在芯半径外上的场能量衰减。不幸的是，当周围的空气消失时(例如通过接触任何实心材料)，这种电缆传输会受到显著干扰或失真。为避免这种情况，可以使用介电常数较高的芯材料，该芯材料周围是具有较低介电常数的较大外包层，因此主要的场部分将在芯中传播，并且包层材料中的场能量将随着直径以理想方式终结(ending)而减小，其中包层外传输的场能量几乎为零百分比。为了确保所期望的传播不受周围材料或场的干扰，包层材料的直径必须设计得足够大。在1550nm波长下工作的典型单模光纤(smf)通常具有t9μm的芯，该芯被直径约为125μm且具有较低介电常数的包层包围。在毫米波范围内(例如130ghz等于2.3mm)的波长与光纤波长(例如1550nm)相比大约大1000倍，因此希望芯的介电常数与周围材料之间存在较大差异，因为在这种情况下场将衰减得更快，并且可以实现更小的电缆。此外，芯中的场限制提高了电缆在电缆弯曲条件下引导电磁波的能力。减小电缆直径并仍然避免在电缆外部传输信号的相关场能量部分的另一种方法是使用外部导电屏蔽层。如果该导电屏蔽层是具有良好导电性的金属，则其他不期望的更高波导模式可以传播，从而导致信号的严重多模干扰失真。因此，更好的选择是导电性差的屏蔽层，从而通过电阻衰减来抑制不期望的波导模式。但是，来自所期望模式的场能量到达外部耗散层越多，从信号传输中撤离的能量就越多，从而导致损耗增加。介电波导电缆的弯曲始终是一个关键主题，因为携带信号的传播电磁场倾向于沿直线传播，一些电磁场能量会在弯曲处离开电缆，从而导致高损耗。介电波导电缆可接受的弯曲半径与传输信号的最大波长密切相关(例如，在110ghz至140ghz传输频带内，110ghz的低频带边缘的自由空间波长为2.7mm)。在文献中(例如，amulti-gigabitcpfskpolymermicrowavefibercommunicationlinkin40nmcmos，nielsvanthienen，ieee学生会员，woutervolkaerts，ieee会员，以及patrickreynaert，ieee高级会员，ieeejournalofsolid-statecircuits，第51卷，第8期，2016年8月)表明，通过将曲率半径限制为波长的至少15倍至20倍，可以避免电磁场的过度泄漏。具有良好引导特性的细电缆可以获得更好的结果，高达7.5个至10个波长的弯曲半径，例如在110ghz至140ghz频带中允许2cm至3cm的半径而不是4cm至6cm的半径。当可用空间很关键时这可能是相关的，并且因此变得与以较小的半径来弯曲电缆相关。与衰减值约为1db/km的光纤电缆相比，毫米波的衰减是一个严重的问题。取决于引导传输信号的相关电磁能量部分的材料的耗散因数，它通常在2db/m至5db/m之间变化，并且甚至可能达到50db/m以上。后面的值是在尝试通过使用更高介电常数的芯材料的更高电磁场限制来减小电缆直径时出现的。聚合物材料表现出耗散因数随着介电常数的增加而不成比例地增加。毫米波和亚毫米波dwg传输的第二个关键参数(在更高的数据速率下甚至是最关键的)是由材料色散和波导色散产生的信号色散。与之相比，低损耗聚合物材料的材料色散通常可以忽略不计。本发明的一个目的是设计一种用于传输亚毫米波长(例如，在110ghz至140ghz的范围内)的介电波导电缆，从而提供4mm或更小范围内的小外径与全频带中相当低的衰减(例如小于5db/m)和相当低的色散(例如群延迟变化小于4皮秒/米)相结合的可能性。在文献中，研究工作主要集中在基本上具有两种类型的芯的聚合物波导上，即实心芯或中空管芯，所述实心芯或中空管芯由具有更高介电常数的聚合物材料构成，被至少一个外包层环绕，所述外包层由与该聚合物材料相比具有更低介电常数的材料制成。两种芯类型都可以具有将更好地支持线性偏振传输的矩形截面，或者具有为圆偏振传输提供良好结果的圆形截面。除非另有说明，本文所用的术语介电常数通常是指绝对介电常数，即在特定介质中形成电场时遇到的电容的量度。更具体地，介电常数描述了在特定介质中产生一个单位电通量所需的电荷量。因此，电荷在低介电常数的介质中比在高介电常数的介质中会产生更多的电通量。介电常数是材料在介质的偏振中存储电场的能力的量度。最低可能的介电常数是真空的介电常数。电介质的介电常数通常由该电介质的绝对介电常数与真空的绝对介电常数之比来表示。这个无量纲量被称为介质的相对介电常数，有时也被称为“介电常数”。相对介电常数通常也被称为介电常数，该术语在物理学和工程学以及化学中已被弃用。与根据现有技术已知的介电波导相比，下文更详细描述的管状芯提供了显著更低损耗的优点，因为电磁场能量的较低部分在具有高耗散因数(dissipationfactor)的较高介电常数聚合物材料中行进。中空管的缺点通常是显著更高的波导色散和显著减少的场限制，从而增加了所需的电缆外径。受在太赫兹频率处工作(其中由电子带隙结构实现的改变高介电常数材料和低介电常数材料的圆柱形周期结构(ebg波导)来限制场)的启发，本发明的一个方面是提供一种具有显著更小尺寸的带隙结构，以仅利用在高介电常数(和高耗散因数)聚合物中传播的相对小的场部分来限制场。介电波导电缆的一个实施方式包括由低损耗材料制成的管状芯，所述低损耗材料例如是聚四氟乙烯(ptfe)、聚乙烯(pe)、聚苯乙烯(ps)等，所述管状芯被包层包围，该包层与管状芯相比具有更低的介电常数。发泡pe和/或膨胀ptfe或是例如us4216449中提出的具有空气通道的型材(profile)可以获得良好的结果。在随后的表中，以示例方式提供了低损耗(聚合物)材料的选择，包括它们的介电常数和耗散因数的典型值。这些材料和其他具有类似特性的材料起着重要的作用，这将在下文中更详细地变得显而易见。低损耗(聚合物)材料介电常数耗散因数发泡聚乙烯(pe发泡)1.410e-05膨胀聚四氟乙烯(e-ptfe)1.612e-05聚四氟乙烯(ptfe)2.115e-05聚乙烯(pe)2.315e-05聚丙烯(pp)2.235e-05聚苯乙烯(ps)2.550e-05聚醚醚酮(peek)3.2200e-05聚酰亚胺(pi)3.5360e-05液态水晶聚合物(lcp)3.1410e-05聚苯硫醚(pps)4.2830e-05为了实现针对管内更多场限制的带隙结构，与管状芯相比具有更高介电常数的内层可以应用在管状芯的内壁上。取决于该内部材料的介电常数、管孔和层尺寸，可以如下文所述控制场限制。根据本发明的电缆设计的优化过程通常可以包括以下方法步骤：(a)定义管状芯的外径d2outer(优化的起点)：为避免多模操作造成的负面信号衰减，第一高模(tm01)的截止频率的位置应靠近操作频段的上频率。外径可以按以下公式计算(+/-10％)：(b)定义管状芯的内径d2inner(优化的起点)：为了即使在工作频段的较低频率下也能提供良好的波引导，管状芯的内径半径与波长相比应当小。内径可以按以下公式计算(+/-10％)：(c)定义薄的高介电常数层的层厚度δ3(优化的起点)：该层应当是薄的，不携带太多的场能量。层厚度可以由下式计算(+/-10％)：(d)群延迟优化：理想情况下选择包层直径r3为2*r2(更小的直径是可能的，但更多的场将会从电缆中泄漏出来)。运行参数优化使得电磁场求解器中的群延迟变化平坦化。因此，电缆的外径可以根据所需应用的传输特性进行调整。令人惊讶的是，模拟表明这种类型的波导提供了显著更好的波引导，从而允许电缆的弯曲半径更收紧。使用根据本发明的电缆设计，高介电常数薄内层的可比高耗散因数变得几乎与衰减无关，从而允许缩小电缆尺寸而不会因耗散因数以高于ptfe、pe等值的大小的数量级增加而造成显著衰减增加的代价。令人惊讶的是发现通过对内层的厚度和中空低损耗介电管的厚度进行平衡，可以降低波导色散，并因此可以在大带宽上使群延迟变化平坦化：例如在110ghz至140ghz范围中，延迟可以保持在4皮秒/米以下，这与常规实心芯设计的约60皮秒/米或常规中空波导设计的约80皮秒/米形成对比。与现有技术不同的是，本发明的优选变型基于管状芯而不是低密度ptfe的全截面以引导电磁波，从而导致介电常数值(从芯向外)上升和下降。使用薄的高介电常数层在管状芯的内侧上进行场限制。管状芯的内侧上的层越薄，电缆的行为就越少取决于所述材料的耗散因数，因为大部分场被限制在管状芯中并在管状芯中传播，而只有一小部分场在高耗散因数层中传播。因此，允许自由选择专注于所需介电常数的材料，而不必担心在该频率范围内(在该频率范围内测量是昂贵、不精确且不可靠的)通常未指定/未知的高耗散因数。现有技术中已知的电缆通常具有在9毫米至15毫米范围内的直径。与它们不同的是，根据本发明的改进电缆提供3.5毫米至5毫米范围内的直径，从而将损耗保持在可接受的值内，例如3分贝/米至8分贝/米，这取决于应用领域。结合更小的弯曲半径，在电缆体积是关键因素的环境中使用根据本发明的介电波导电缆变得可能。随着电缆尺寸的缩小，电缆的最小弯曲半径将以类似的倍数减小。由于群延迟变化可能成为可达到的传输长度的限制因素，根据本发明的电缆设计可以显著改善群延迟变化达例如20％带宽，例如在100ghz下从每米电缆长度几百皮秒到低于每米电缆长度两皮秒的值。取决于应用领域，可以在电缆内侧上使用发泡的包层材料代替空气或其他气体，例如：ep0304141中提出的挤压型材和/或包裹的ptfe箔。另选地或附加地，导电护套可以有助于阻止场强从电缆中泄漏出去。另选地或附加地，由电阻材料(例如碳填充聚合物)制成的护套等可用作护套材料。对更高介电常数和更低介电常数进行改变的层的数量可能会进一步增加，从而可能导致更好的性能(增加带宽、更多场限制、更平坦的群延迟)。介电常数的逐渐变化而不是分阶段变化也可以非常奏效。代替圆形横截面，可以应用任何其他形式(例如矩形、多边形等)。高介电常数层可以是例如通过聚合物材料与管状芯的共挤出、通过涂覆工艺或任何其他最先进的内层构建方法来实现。适用的材料可以是例如作为包裹箔的玻璃或陶瓷、编织材料、或带有或不带有热塑性塑料、硬质塑料、糊状填料或液体的研磨粉末。在优选的变型中，根据本发明的介电波导电缆通常包括由具有第一介电常数的第一材料制成的管状芯。管状芯被包层直接或间接包围，所述包层与管状芯相比具有低于第一介电常数的第二介电常数。此外，管状芯在内侧上包括内层，所述内层具有高于第一介电常数的第三介电常数。内层优选地是以沿内壁的涂层的形式来布置。当管状芯、内层和/或包层共挤出时，可以获得良好的结果。如果第一材料具有5e-05至40e-05范围内的损耗因数，可以获得良好的结果。包层可以由第二材料制成，所述第二材料与第一材料相比具有更低的介电常数。内层可以由第三材料制成，所述第三材料与第一材料相比具有更高的介电常数。当包层由发泡的第一材料制成时，可以获得良好的结果。包层可以由发泡聚乙烯和/或膨胀聚四氟乙烯制成。内层可以由第一材料制成并且包括填料，所述填料与第一材料相比具有更高的介电常数。填充材料可以例如是以下组中的至少一种：矾土(alumina)(氧化铝(aluminumoxide))、熔融石英、熔融二氧化硅、氮化硼、蓝宝石、氧化镁。当以粉末形式、以0.1％至40％的体积量添加至少一种填料材料时，该化合物的熔化温度与第一材料的熔化温度没有显著差异。这是生产过程(例如通过共挤出)中的一个显著优势。当管状芯的内径相对于自由行波的波长在0.5倍至2.0倍、或0.7倍至1.5倍、或1倍的范围内时，可以获得良好的结果。取决于应用领域，包层可以由保护护套包围。如果合适，包层可以在外侧上涂覆有由导电材料制成的涂层。应当理解，前述一般描述和以下详细描述两者呈现了实施方式，并且旨在提供用于理解本公开的性质和特征的概览或框架。附图被包括以提供进一步的理解，并且被并入并构成本说明书的一部分。附图例示了各种实施方式，并且与描述一起用于解释所公开的概念的原理和操作。附图说明从下文给出的详细描述和附图中将更充分地理解本文所述的发明，所述附图不应被认为是对所附权利要求中描述的本发明的限制。所述附图示出：图1是根据现有技术的介电波导电缆；图2是根据本发明的介电波导电缆的立体截面图；图3是图3的细节a；图4是示出了根据图1的电缆的传输行为的图；图5是示出了根据图2的电缆的传输行为的图。具体实施方式现在将详细参考某些实施方式，这些实施方式的示例在附图中例示出，其中示出了一些但不是所有特征。实际上，本文公开的实施方式可以以许多不同的形式实施并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将满足适用的法律要求。只要可能，相同的附图标记将用于指代相同的部件或部分。图1示出了根据现有技术的介电波导电缆10。该电缆包括芯11和围绕芯11的护套12。图4示出了根据现有技术的电缆10以40mm的半径弯曲时的传输行为。可以看出，信号以不受控制的方式偏离芯11的中心轴。图2示出了根据本发明的介电波导电缆1在弯曲方式下的截面。图3以放大的视图示出图2的细节a。介电波导电缆1包括由第一材料(低损耗材料)制成的管状芯2，所述第一材料例如具有一定的介电常数，如以上所述。管状芯2具有由外壁17限定的外径14以及由内壁18限定的内径15。内壁17和外壁18优选地被布置成彼此同心。管状芯被包层3包围，包层3与管状芯2相比具有较低的介电常数(例如由于材料和/或几何形状)。包层3优选地被布置成与管状芯同心。包层3可以由发泡聚乙烯和/或膨胀聚四氟乙烯或类似物制成。根据应用领域，管状芯2在圆形横截面的情况下优选地具有在范围内的内径以及在范围内的外径。虽然圆形横截面最适合用于优选的圆偏振传输，但是出于生产原因，可以选择其他功能相似的多边形横截面(例如方形或六边形)，以例如将多个波导芯组合在一根电缆中。在这种情况下，应该按照以下方式选择尺寸，即，横截面的面积与圆形面积在相似的范围内。包层4的外径优选地在范围内。如果合适，包层4可以是被保护护套5直接或间接地包裹。此外，包层4可以由包含导电材料(如金属颗粒或碳)的聚合物制成。管状芯2通常在内侧上包括内层3，内层3例如是涂层和/或共挤出层的形式，与管状芯2的第一材料相比具有更高的介电常数。当内层3的厚度在范围内时，可以获得良好的结果。在下表中提供了对介电波导电缆的实施方式的选择：图4示意性地表示如图1所示的介电波导10中电场13的分布。介电波导10以半径r1弯曲，该半径r1在所示图片中为40mm。图5示意性地表示如图2所示的根据本发明的介电波导1中电场13的分布场。介电波导1以半径r1弯曲，该半径r1在所示图片中为40mm。相反，本说明书中使用的词语是描述性的而非限制性的词语，并且可以理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变。命名列表1电缆(介电波导电缆)2管状芯3涂层(内层)4包层5护套10电缆11芯12护套13电场14外径管状芯(d2outer)15内径管状芯(d2inner)16外径包层(d4outer)17外表面(管状芯)18内表面(管状芯)当前第1页12