JP6612992B2 - ミリ波信号伝送用の低損失誘電体導波路および低損失誘電体導波路を含むケーブル - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波通信リンク用の誘電体導波路に関し、より詳細には、ミリ波周波数で動作する通信リンクに低伝送損失を加える誘電特性を有する誘電体導波路に関する。

光ファイバに基づく通信リンクを、例えば２００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲の伝送信号波長での高速データ伝送用の完全電線リンク（電線だけのリンク）の代わりとして使用することが多くなっている。（データ転送速度）帯域幅を常に拡大する必要があることに鑑みて、電線リンクの長さは伝送損失によって制限されるが、光リンクは実用性が高く、長いリンク長さに広く使用されている。他方、従来の光リンクの解決策は、非ケイ素半導体技術、ファイバ位置合わせ、および表面精度に伴うコストによりリンク長さが短くなるにつれて関心が薄れる。

誘電体導波路／ファイバは、低損失でミリ波信号を伝送するのに有用であることがわかっており、８５ＧＨｚおよび１４０ＧＨｚ前後のキャリア周波数を使用する新しい通信システムの候補となることが期待されている。しかしながら、高周波数範囲内で動作する集積回路の伝送電力は制限されており、それぞれの受信機は最小の信号入力電力レベルを必要とするため、十分なリンク長さを得るためには非常に低い減衰レベルの導波路が必要となる。純粋な誘電体から構成され金属部分を含まない誘電体導波路では、進行波の電磁場分布が、誘電体コア内で伝搬する部分と、ファイバを取り囲む媒質内、通常は空気内を伝搬する部分とに細分される。しかしながら、最も入手しやすい誘電体の誘電損失正接ｔａｎδにより、そのような誘電体導波路は通信リンクに非常に高い伝送損失を加える。

調査研究によれば、非常に低い伝送損失を有する従来の誘電体導波路は、主に取り囲む空気内で伝搬場を導くようである。このため、ファイバの長さに沿ってより低い損失を得るために、従来の誘電ファイバは、通常、電磁場のかなりの部分がファイバを取り囲む媒質内を確実に伝搬するように構成される。しかしながら、そのような従来の構成は、ファイバを取り囲む媒質内を伝搬する電磁場と誘電体導波路に触れる指または手などの外部作用物（外部要因）との相互作用により、伝送信号の品位が低下する、またはさらには妨げられることがあるという欠点を有する。例えば、１メートルにわたる１２０ＧＨｚの１２．７Ｇｂｐｓリンクを、従来のポリマー材料に基づく誘電体導波路によって実現できることがわかっている。しかしながら、ユーザがファイバに触れると、ファイバに沿った信号伝送が妨げられることがある。

米国特許出願公開第２０１４／０３６８３０１（Ａ１）号は、伝送信号と外部物体との電磁妨害を減らす手段として、誘電ファイバのコアおよびクラッディング層の周りに金属シールドを加えることを記載している。しかしながら、銅またはアルミニウムシールドなどの金属シールドを含む誘電体導波路には、かなりのコストがかかる。さらに、ポリマーと金属材料とを組み込んだ導波路の製造プロセスは、ポリマー材料のみから作られる導波路よりも複雑で時間がかかる。加えて、入手可能な誘電体導波路は、伝搬電磁場のほとんどが誘電コアを取り囲む媒質（空気／発泡体）内を進行するように構成されるため、そのような導波路はかなり大きい断面を示し、それによりコンパクトな設計を必要とする適用において使用が制限されるおそれがある。

したがって、通信リンクに低伝送損失を加え、誘電体導波路に沿って信号品位を維持することができ、簡単かつコスト効率の高い方法で製造することができ、既存の先行技術よりも直径の小さい、ミリ波信号伝送用の誘電体導波路の解決策が依然として必要である。

本発明は、先行技術の短所および欠点を考慮してなされたものであり、その目的は、低伝送損失を加え、通信リンクに沿って信号品位を維持し、かつ金属部分を有する導波路構成よりも製造コストが低いミリ波信号伝送用の誘電体導波路、および誘電体導波路を含む低損失ケーブルを提供することである。

この目的は、添付の独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な実施形態は、添付の従属請求項の主題である。

本発明は、ミリ波信号伝送用の誘電体導波路を提供する。この誘電体導波路は、電磁場を誘電体導波路に沿って通すことによりミリ波信号を伝送するように構成された誘電体媒質を含む内部コアを含む。誘電体媒質は誘電体を含み、誘電体は、伝搬電磁場を内部コアに閉じ込めるように構成された誘電特性を有し、かつミリ波周波数範囲の信号周波数で低伝送損失を加える。

さらなる発展において、前記誘電体媒質は、前記ミリ波周波数範囲の信号周波数で３．０よりも高い比誘電率および０．００１よりも低い損失正接を特徴とする。

さらなる発展において、前記ミリ波周波数範囲は、５０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲の周波数を含む。

さらなる発展において、誘電体導波路は、内部コアを取り囲むクラッディングをさらに含む。クラッディングは、前記ミリ波周波数範囲の周波数で電磁場を内部コアにさらに閉じ込めるように構成される。

さらなる発展において、前記クラッディングは、前記内部コアに直接隣接し、非金属材料から作られている。

さらなる発展において、前記クラッディング層は、前記ミリ波周波数範囲の周波数で０．００１よりも低い損失正接を有するポリマー材料から作られている。

さらなる発展において、前記誘電体は、３．０よりも高い比誘電率および０．０００１よりも低い損失正接を有する石英および／またはアルミナを含む。

さらなる発展によれば、前記誘電体媒質は前記誘電体の固体である。

さらなる発展によれば、前記誘電体媒質は、内部コアの容積を満たす前記誘電体の粉末および／または粒子を含む。

さらなる発展によれば、前記誘電体媒質は、前記誘電体から作られている複数のファイバの１つまたは複数の束を含む。

さらなる発展によれば、少なくとも１つの束の複数のファイバの各々は、内部コアに沿って延びる。

さらなる発展によれば、少なくとも１つの束の複数のファイバは、内部コアに沿って延びる糸を形成し、糸の各ファイバの長さは内部コアの長さよりも短い。

さらなる発展によれば、前記ミリ波周波数範囲の信号周波数で、伝搬電磁場の３％未満が誘電体導波路を取り囲む媒質によって通される。

取り囲む媒質は空気であってよい。

本発明はまた、本発明の誘電体導波路を含む、ミリ波周波数で信号を伝送するためのケーブルを提供する。

添付図面が本明細書に組み込まれ、明細書の一部を形成して本発明のいくつかの実施形態を示す。これらの図面は、明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。図面は、本発明を製造および使用し得る方法についての好ましい例および代替例を示すためのものに過ぎず、本発明を図示し記載する実施形態に限定するものと解釈すべきではない。さらに、実施形態のいくつかの態様は、個々にまたは異なる組合せで本発明による解決策を形成することができる。したがって、以下に記載する実施形態を単独または任意の組合せで考察することができる。

さらなる特徴および利点が、添付図面に示す本発明の様々な実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになろう。図中、同一の参照符号は同一の要素を示す。

本発明の実施形態による誘電体導波路の概略図である。 本発明のさらなる実施形態による誘電体導波路の概略図である。 本発明のさらなる実施形態による誘電体導波路の概略図である。

以下で、本発明の例示的な実施形態を示す図面を参照しながら、本発明についてより完全に説明する。しかしながら、本発明は多くの異なる形で具体化することができ、本明細書で説明する実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。それどころか、これらの実施形態は、開示が網羅的かつ完全であるように提示され、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるものである。

以下で、図１を参照しながら、ミリ波信号伝送用の誘電体導波路１００について説明する。誘電体導波路１００は、誘電体導波路の長さＬに沿って延びる内部コア１１０を含む。内部コア１１０は、ミリ波信号に関連する電磁場を通すことによってミリ波信号を誘電体導波路１００に沿って伝送するための誘電体媒質１２０を含む。誘電体媒質１２０は、伝搬電磁場を内部コア１１０に閉じ込めるように選択される誘電特性を有し、かつミリ波周波数範囲、例えば５０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数範囲の信号周波数で低伝送損失を導入する誘電体を含む、または誘電体から作られる。

低伝送損失および低減衰特性を達成するために、誘電体媒質１２０の誘電体は、ミリ波周波数範囲の信号周波数で３．０よりも高い比誘電率ε_ｒおよび０．００１よりも低い損失正接ｔａｎδを示すように選択される。誘電体媒質１２０に高比誘電率値（ε_ｒ＞３．０）を有する誘電体を使用することにより、電磁場のかなりの部分が誘電体媒質１２０内に閉じ込められ、電磁場の小さい部分のみが、内部コア１１０を取り囲む媒質内を伝搬する。その結果、誘電体導波路１００に沿った信号伝搬は、取り囲む物体との接触または電磁結合の影響を比較的受けにくく、かつ導波路１００に沿って低伝送損失を加える。例えば、誘電体媒質１２０に選択される誘電体は石英であってよく、石英は、ミリ波周波数で４．０よりも高い比誘電率ε_ｒおよび０．０００１よりも低い損失正接ｔａｎδを示すことができる。石英の比誘電率の公表値は、５０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの考えられる周波数範囲内において、材料の純度に応じて３．５〜４．３で変動する。内部コア１１０の誘電体媒質１２０に使用可能な低損失低減衰誘電体の別の例は、アルミナである。アルミナは、約１００ＧＨｚの周波数で、（純度に応じて）約９．０の高比誘電率ε_ｒおよび低損失正接ｔａｎδ＜０．０００７を示すことができる。

誘電体媒質１２０の誘電特性は、ミリ波周波数で所望の低伝送損失および周囲環境による影響の少なさをもたらすのに十分であり得る。但し、誘電体導波路１００は、内部コア１１０の周りに配置されたクラッディング１３０を含んで、伝搬電磁場を内部コア１１０にさらに閉じ込めることもできる。図１に示すように、クラッディング１３０を誘電体媒質１２０に直接隣接して誘電体媒質１２０を取り囲んで設け、高誘電低損失の内部コア１１０によってもたらされる波閉じ込めの効果を強化することができる。図１に示すように、クラッディング１３０を誘電体の単層として設けることができる。しかしながら、クラッディング１３０を複数の誘電層を含む多層構造として実施し、これらの誘電層のそれぞれの比誘電率が、誘電体導波路１００の中心から外方へと低下してもよい。クラッディング１３０は、好ましくは、誘電体導波路１００の組成に金属の使用を避けるように、非金属材料から作られる。特に、クラッディング１３０は、好ましくは、誘電体媒質１２０の比誘電率よりも低い比誘電率を有するポリマー材料などの誘電体から作られる。クラッディング１３０に選択される材料も、クラッディング１３０自体により導入される伝送損失を最小化するように、誘電体媒質１２０の損失正接に相当する値を有する低損失正接（ｔａｎδ）を示すことができる。しかしながら、誘電体媒質１２０の誘電特性により、内部コア１１０の外側で伝搬する電磁場の部分がすでに小さくなっているため、クラッディング１３０はミリ波周波数で大きい伝送損失を導入すべきでない。例えば、誘電体導波路１００が石英の内部コア１１０およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から作られたクラッディング層１３０を有し、１０ＧＨｚで約２．１の比誘電率ε_ｒおよび約０．０００１５の損失正接ｔａｎδを示す構成について、非常に低い減衰（＜２ｄＢ／ｍ）を達成することができる。クラッディング層１３０の別の適切な材料は、ＰＴＦＥとポリエチレン（ＰＥ）との組合せである。

石英の内部コア１１０（２×１．５ｍｍ^２）およびＰＴＦＥベースの円形のクラッディング層１３０（外径ｄ＝４ｍｍ）を有し、取り囲む媒質として空気を使用する、１４０ＧＨｚのキャリア周波数用に設計された誘電体導波路１００の信号減衰のシミュレーション結果は、金属シールドを使用することなく、伝搬電磁場の３％未満が取り囲む媒質（空気）内に通されることを示す。これに対して、それぞれ約２．４および２．１５の比誘電率ε_ｒを示す、低密度ポリエチレン（ＬＰＤＥ）から作られたコアおよびポリプロピレン（ＰＰ）のクラッディングを有する従来の誘電体導波路ファイバについて得られたシミュレーション結果は、約０．４８ｍｍのファイバ外径および０．４ｍｍ×０．２ｍｍの矩形断面を有するコアについて、１４０ＧＨｚで約３．８ｄＢ／ｍの伝送損失を達成できることを示す。しかしながら、この場合、１メートル当たりの低伝送損失は、ファイバを取り囲む空気中を伝搬する電磁場成分のかなりの部分によるものであり、伝送波が接触および／または取り囲む成分との結合による強い影響を受けやすくなる。

図１に示す誘電体導波路１００の構成では、誘電体媒質１２０は、アルミナまたは石英などの高誘電率低損失誘電体の固体コアとして設けられる。しかしながら、固体状でのこれらの材料の剛性により、誘電体導波路１００はかなり堅く曲げにくくなる。

図２および図３は、前述した固体コア１１０を有する誘電体導波路１００と比べて可撓性を改善した、低損失誘電体導波路の代替構成を示す。

図２を参照すると、誘電体導波路２００は内部コア２１０を含み、内部コア２１０内で、伝送信号に関連する電磁場を通すための誘電体媒質２２０は、高誘電率低損失誘電体から作られた複数のファイバ２２５を含む。各単一ファイバ２２５は、固体コア１１０と同様の誘電特性をもたらすように、石英またはアルミナなどの前述した内部コア１１０の固体誘電体媒質１２０に使用されるものと同じ誘電体から作ることができる。しかしながら、各単一ファイバ２２５の断面がより小さいことにより、直径がより大きい固体コアと比べて可撓性が向上するため、可撓性を有する誘電体媒質２２０を提供することができる。ファイバ２２５は、好ましくは、束状に配置され、ほとんどのミリ波信号の適用に適した数ミリメートルの断面を有する誘電体媒質２２０を提供するのに十分な数だけ設けられる。ミリ波信号の比較的大きい波長により、固体コア１１０の代わりにファイバの束を誘電体媒質２２０として使用しても、誘電体導波路２００に沿った波信号の伝搬に大きく影響しない。

図２に示すように、束の各単一ファイバ２２５は、誘電体導波路２００の全長Ｌにわたって連続して延びることができる。加えて、単一ファイバ２２５を互いに略平行に延びるように配置して、コンパクトな配置とし、単一ファイバフィラメントの断線を避けることができる。

ファイバ束のフィラメントの断線は、光リンクで使用される光導波路にとって重大な問題である。断線によって、光が光導波路の外で結合するからである。ミリ波周波数では、伝送信号の波長がより大きいため、ファイバ束の長さに沿ったフィラメントの途切れは、重大なものではない。したがって、低損失な誘電体導波路２００の代替構成を実現することができ、この構成では、内部コアの誘電体媒質が、前述した高誘電率および低損失正接を有する同じ誘電体から作られた、より短いファイバの１つまたは複数の束を含み、より短いファイバは誘電体導波路の全長Ｌを有していない。より短いファイバの束の誘電特性を向上させるために、これらのファイバを紡いで、織編用糸のような糸またはより糸を形成することができる。これにより、より短いフィラメントを束にして必要な直径の可撓性糸にし、誘電体導波路２００の内部コアのための可撓性誘電体媒質を提供することが可能となる。

図２に示す誘電体導波路２００の内部コア２１０は略矩形形状の断面を有するが、内部コアの誘電体媒質を形成するファイバ２２５または短いフィラメントを、正方形、円形、または楕円形などの別の形状の断面を有する束に配置してもよい。

加えて、図１を参照して説明した導波路構成と同様に、内部コア２１０を取り囲むクラッディング２３０を施すことにより、可撓性のコア２１０をさらに加工してもよい。好ましくは、クラッディング２３０は、前述したクラッディング１３０と同様に、可撓性のコア２１０に直接隣接して配置され、非金属材料から作ることができる。

以下で、図３を参照しながら、可撓性かつ低減衰低損失なミリ波信号伝送用の誘電体導波路３００を実現するための代替構成について説明する。図示した構成では、誘電体導波路３００は内部コア３１０を含み、内部コア３１０内で、伝搬波を通すための誘電体媒質３２０が、内部コア３１０の容積を満たす、高比誘電率および低損失正接、すなわちε_ｒ＞３．０およびｔａｎδ＜０．００１の誘電体の粉末および／または粒子から作られる。例えば、誘電体媒質３２０は石英粉末またはアルミナ粒子のコアであってよい。粒子状の誘電体媒質３２０の一部が、ε_ｒ＝１．０およびｔａｎδ＝０．０を示す空気などの別の媒質で満たされるため、誘電体媒質３２０の有効比誘電率および損失正接は、同じ誘電体から作られた固体コアの有効比誘電率および損失正接よりも低くてよい。それにもかかわらず、アルミナまたは石英などの高誘電率を特徴とする誘電体の粉末を使用することにより、３．０よりも高い有効比誘電率ε_ｒおよび低伝送損失を達成することができる。例えば、アルミナの内部コアの場合、有効比誘電率ε_ｒが、固体コアにより示される約９．０から粒子コアの場合の約４．０〜５．０まで低下することが予想される。したがって、ミリ波信号周波数で低損失特性を有し、かつ同じ固体誘電体のコアを有する誘電体導波路と比べて高い可撓性を有する誘電体導波路を実現することが可能である。

先の実施形態と同様に、誘電体導波路３００も、伝搬場と外部作用物との相互作用をさらに減らすように、内部コア３１０を取り囲むクラッディング層３３０を含むことができる。前述したように、クラッディング層３３０は内部コア３１０に直接隣接することができ、好ましくは、非金属材料、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＥ、または当技術分野で公知の他のポリマーを含むポリマー材料から作られる。

ジャケット（図示せず）を、前述した誘電体導波路の内部コアおよびクラッディングの周りに設けてもよい。

したがって、ミリ波信号の比較的大きい波長により、同じ高誘電低損失誘電体の固体コアと比べて、内部コアのキャリア媒質が、導波路の全長を有する単一ファイバの束、より短いファイバフィラメントの糸、および／または粉末／粒子として実施されることによって、波の伝搬が大きな影響を受けることがなくなる。加えて、粉末材料、および／または純粋な固体材料のコアよりも直径が小さいファイバの束から作られたコアの可撓性が向上することにより、固体材料が前述した高誘電低損失誘電体に関連する低損失特性を損なうことなく、誘電体導波路の曲げ特性を大きく向上させることが可能となる。

加えて、前述した構成のいずれかによる１つまたは複数の誘電体導波路を単一ケーブルに組み込むことにより、高速通信用の低損失ケーブルを提供することができる。

１００ 誘電体導波路
１１０ 内部コア
１２０ 誘電体媒質
１３０ クラッディング層
２００ 誘電体導波路
２１０ 内部コア
２２０ 誘電体媒質
２２５ 複数のファイバ
２３０ クラッディング層
３００ 誘電体導波路
３１０ 内部コア
３２０ 誘電体媒質
３３０ クラッディング層
Ｌ 誘電体導波路の長さ

Claims (12)

1. ミリ波信号伝送用の誘電体導波路であって、
   前記誘電体導波路は、電磁場を前記誘電体導波路に沿って通すことによりミリ波信号を伝送するように構成された誘電体媒質を含む内部コア（２１０）を含み、
   前記誘電体媒質（２２０）は誘電体を含み、
   前記誘電体は、伝搬する前記電磁場を前記内部コア（２１０）に閉じ込めるように構成された誘電特性を有し、かつミリ波周波数範囲の信号周波数で低伝送損失を加え、
   前記誘電体媒質（２２０）は、複数のファイバ（２２５）の１つまたは複数の束を含み、前記複数のファイバのそれぞれは、前記ミリ波周波数範囲の信号周波数で３．０よりも高い比誘電率および０．００１よりも低い損失正接を示す、前記誘電体から作られている、
   ことを特徴とする誘電体導波路。
2. 前記ミリ波周波数範囲は、５０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲の周波数を含む、
   請求項１に記載の誘電体導波路。
3. 前記内部コア（２１０）を取り囲むクラッディング（２３０）をさらに含み、前記クラッディング（２３０）は、前記ミリ波周波数範囲の周波数で前記電磁場を前記内部コア（２１０）にさらに閉じ込めるように構成された、
   請求項１または２に記載の誘電体導波路。
4. 前記クラッディング（２３０）は、前記内部コア（２１０）に直接隣接し、非金属材料から作られている、
   請求項３に記載の誘電体導波路。
5. 前記クラッディング（２３０）は、前記ミリ波周波数範囲の周波数で０．００１よりも低い損失正接を有するポリマー材料から作られている、
   請求項３または４に記載の誘電体導波路。
6. 前記誘電体は、
   ３．０よりも高い比誘電率および０．０００１よりも低い損失正接を有する石英、および／または、
   アルミナを含む、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の誘電体導波路。
7. 前記誘電体媒質は、前記内部コアの容積を満たす前記誘電体の粉末および／または粒子を含む、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の誘電体導波路。
8. 少なくとも１つの束の前記複数のファイバ（２２５）の各々は、前記内部コア（２１０）に沿って延びる、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の誘電体導波路。
9. 少なくとも１つの束の前記複数のファイバは、前記内部コアに沿って延びる糸を形成し、前記糸の各ファイバの長さは前記内部コアの長さよりも短い、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の誘電体導波路。
10. 前記ミリ波周波数範囲の信号周波数で、伝搬する前記電磁場の電力の約３％未満が前記誘電体導波路を取り囲む媒質によって通される、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の誘電体導波路。
11. 前記取り囲む媒質は空気である、請求項１０に記載の誘電体導波路。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の誘電体導波路（２００）を含む、ミリ波周波数で信号を伝送するためのケーブル。
    
    

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