CN103201896A

CN103201896A - 同轴导体结构

Info

Publication number: CN103201896A
Application number: CN201180044324XA
Authority: CN
Inventors: M·洛伦茨; K·努姆森; C·诺伊迈尔; N·施佩特
Original assignee: Spinner GmbH
Current assignee: Spinner GmbH
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: DE102010027251B4; AU2011278711B2; DE102010027251A1; KR20130091315A; US20130112477A1; EP2593987A1; CN103201896B; WO2012007148A1; US9312051B2; AU2011278711A1

Abstract

本发明描述了一种同轴导体结构，用于在分散关系框架内构成的频带中的至少一个频带之内无干扰地传递HF信号波的TEM模，具有内导体（IL）和与内导体径向间隔的外导体（AL）以及内导体和外导体的轴向延伸的共同导体段，沿着该共同的导体段，数量n个导电的、环状构造的结构（R）以空间上的周期性顺序各以在两个沿导体段相邻的、环状结构（R）之间的等距间隔（P）布置，这些环状结构分别径向间隔地安置在内导体与外导体之间并且各具有一完全围住内导体（IL）的电路径。

Description

同轴导体结构

技术领域

本发明涉及一种同轴导体结构，用于无干扰地传递HF信号波的TEM基模。

背景技术

用于HF信号波的TEM基模的同轴导体的传递质量随着信号频率的增加而降低，特别在较高频率的情况下，不期望的较高阶的模如TE11模、TE21模等变得具有传播能力，这些不期望的模能够以模转换过程的方式在干扰部位处被激励并且然后以与TEM基模叠加的方式出现。

尤其对于在联邦德国频率使用计划中规定的HF信号现有传递范围的向较高频率的未来拓宽或者说改变方面而言，要寻找一些措施，利用这些措施，能够通过尽可能大直径的同轴导线实现HF信号的TEM基模的尽可能无干扰的、高频的信号传递，从而使得在只很小损失的情况下可以传递尽可能大的传递功率。

在Konoplev,I.V.等人的文章“Wave interference and band gap control inmulticonductor one-dimensoinal Bragg structures”,Journal of Applied Physics,vo.97,no.7.S.073101-073101-7,Apr2005,DOI:10.1063/1.1863425中描述了一种一维同轴布拉格结构（Braggstruktur），该布拉格结构用于通过结构上的和破环性的干预来有目的地影响电磁波的传播特性。为此，同轴波导体结构在其内导体壁和外导体壁上周期性结构化地设有槽形的加深部，这些槽形加深部的几何形状设计对于穿过波浪状的同轴导体结构来导引的HF波的反射性能具有不同的影响。

发明内容

在权利要求1中给出所提出的任务的解决方案。按照解决方案的同轴导体结构的有利构造方案和改进方案在从属权利要求中给出以及由参考实施例的进一步说明来描述。

按照解决方案的同轴导体结构源自如下认知，即，如果在外导体与内导体之间以周期性等距的间隔纵向于同轴导线置入导电的、环状构造的结构、简称环结构，则显著改变同轴导线对于HF信号波的传递表现，这些环结构各设置完全围住的、即在环周边方向上闭合的电流路径。环状构造的结构构造为分开的结构并且分别在径向上不仅与内导体而且与外导体间隔地布置。

如果在分散曲线图的框架内观察TEM基模沿常规同轴导线的传播特性，即外导体与内导体通过中置的电介质电绝缘，那么可以确认，在具有形式为e^j(aπ-βz)的HF信号波的频率f或圆频率ω与传播常数β之间存在线性相关，即ω=cβ。该线性相关在分散曲线图ω(β)中，见图2a，表示为所谓的光速直线（TEM）。从下边界频率（所谓的用于TE₁₁模的截止频率（f_co））开始，随着频率的增加沿常规的同轴导线形成不期望的较高阶的传播模TE₁₁、TE₂₁、TE₃₁、TE₄₁、TM₀₁、TM₁₁等，从而使得在f_co以上的频率的情况下TEM基模总是与较高激励阶的模叠加。

与之相反，如果按照图1a、b中的视图各径向间隔地在同轴导线的外导体AL与内导体IL之间设置导电的环结构R，那么这以在图2b中所示的方式作用于在图2a中图解的用于TE₁₁和TE₂₁模的传播模。通过规则地沿同轴导体结构***环而产生具有长度p的周期性（见图1b）。在分散曲线图中不再观察到如图2a的情况那样的ω(β)，而是

其中，

是对应的波沿具有长度p的基础单元的相位差。与在其中TE11模向较高频率去地接近光速直线（TEM）的图2a中的状况不同，见图2b，TE₁₁模的传播特性则剧烈地变平，并且向较高的频率通过上边界频率f_co,上来限界。

在更准确地观察分散曲线图时能够看出，对于对应的传播模而言形成两个沿按照解决方案构造的同轴导线的传播通道；一个在内导体IL与环R之间的内传播通道（ic=内核）以及一个在环R与外导体AL之间的外传播通道（oc=外核）。在适合地选择含有环结构的同轴导体的几何形状的情况下形成在沿内传播通道传播的TE_11,ic模和两个沿外传播通道传播的TE_21,oc模和TE_11,oc模之间的频带窗口Δf。由此一方面得到，在低频时TE₁₁模在外传播通道中传播，即是TE_11,oc模，并且向着较高的频率变平，另一方面在较高频率时不仅形成沿内传播通道的具有传播能力的TE_11,ic模，而且形成沿外传播通道的具有传播能力的TE_21,oc模。

通过该涉及TE_11,oc模的变平，形成频带窗口Δf，该频带窗口向较高频率地通过TE_21,oc模的下边界频率f_co,下或TE_11,ic模的下边界频率f_co,下中的较低的下边界频率加盖，并且在该频带窗口中可以无干扰地传播TEM模，即，不受干扰性的较高模的不利影响。

利用按照解决方案的措施，在适合地设计环和同轴参数的情况下例如能够提供并使用在约6.8GHz和10.6GHz之间的频带窗口，用于无干扰地传播TEM模。该认知能够借助于基础单元上的理论试验，所述基础单元包括布置在内导体与外导体之间的环和以周期性p在同轴导体结构的纵向方向上重复，以布洛赫-弗洛奎定理（Bloch-Floquet-Theorem）为基础结合周期性边缘条件推导出。由此能够与几何形状大小相关地确定上和下边界频率，通过这些几何形状大小能表征同轴导体结构。

频率窗口的上边界频率f_co,下能够近似通过TE_21,oc模的下边界频率f_co,TE21,oc或TE_11,ic模的下边界频率f_co,TE11,ic（视两个膜中的哪个具有较小的下边界频率而定）以下面的方式确定：

其中：c=光速

d₁=内导体直径

d₂=环的内直径

d₃=环的外直径

d₄=外导体的内直径

其中d₁＜d₂＜d₃＜d₄

与之相反，频率窗口的下边界频率f_co,下能够通过环谐振频率f_co,TE11环以下面的方式表征：

此外，对图2b中图解的分散曲线图的更准确观察与TEM模在高频时的传播特性有关地显示出变平，其中TEM模同样地屈服于上边界频率f_co,TEM，对该上边界频率近似地适用：

f_{co, TEM} \approx c / 2 p

在上面的近似中，c相当于光速，并且p相当于基础单元的轴向长度，也见图1a。为了引起TEM模在所阐释的频带窗口Δf以内无阻碍地具有传播能力，要满足下面的要求：f_co,下＜f_co,TEM＜2f_co,下。对于f_co,下可以根据形成的TE₂₁模或TE₁₁膜的下边界频率的位置的不同而选择对应较低的边界频率。

以该按照解决方案的认知为基础来执行大量试验，以便验证前面阐释的效应的稳固性，即，有目的地产生带隙，在这些带隙中，无干扰地传播TEM模变得可能。下面的实施方式展示出可能性，在这些可能性中各可以观察到在通过按照解决方案的措施构造的频率窗口Δf内部无干扰地传播TEM模，并且通过这些可能性可以取得对参与的模的传播特性的有目的的影响。

利用同轴导线的按照解决方案的设计方案能够在适合地设计选择和几何形状选择在同轴导线的内导体与外导体之间置入的、环状构造的结构的情况下实现用于HF信号的低通滤波器功能，通过如下方式，即，环状构造的结构各通过至少一个电连接接片、优选通过两个、三个或更多的电连接接片与外导体连接，其中，导电的连接接片在设置两个或更多个连接接片的情况下，相同分布地在沿环状构造的结构的周向上布置在这些结构与外导体之间。连接接片形成环结构与外导体之间的局部电连接并且是局部电感、所谓的分流电感。再次地如前所述，对于内和外传播通道获得不同的传播特性，但是现在针对TEM模的传播特性。借助于在基础单元上的理论试验可以以布洛赫-弗洛奎定理为基础结合周期性边缘条件获知在其中TEM模不具有传播能力的带隙，其中，所述基础单元包括布置在内导体与外导体之间的环，该环通过至少一个导电的连接接片、下面称为辐条与外导体连接，并且以周期性p在同轴导体结构的纵向方向上重复。该带隙通过上边界频率f_o和下边界频率f_u限界，所述上边界频率f_o和下边界频率f_u能够与同轴导体结构的几何形状大小相关地以下面的形式确定：

其中：

在假设在环与外导体之间仅仅一个辐条的条件下；在两个或更多个辐条的情况下能够发展出类似的经验公式；

C_{ic} = \frac{2 πϵp}{1 n \frac{d_{2}}{d_{1}}}

C_{oc} = \frac{2 πϵp}{1 n \frac{d_{4}}{d_{3}}}

L_分流：导电的连接接片、所谓的辐条的总电感

C_ic：环与内导体之间的电容

C_oc：环与外导体之间的电容

c：光速

μ：导磁率

ε：介电常数

p：单元长度

a：环间隔

l：辐条长度[在AL-环辐条的情况下l=(d4-d3)/2]

r：有效的辐条半径

d₁、d₂、d₃、d₄ 见前述。

在此情况下，带隙的上边界频率f_o能够典型地近似通过三个下边界频率（视三个下边界频率中的哪个具有最小值而定）确定，即对于沿外传播通道具有传播能力的TEM模的f_TEM,oc，对于沿内传播通道具有传播能力的TE_11,ic模的f_TE11,ic，以及对于在两个传播通道中分别以反平行的E场定向地具有传播能力的TEM模的f_TEM,mix。

用于按照解决方案的同轴导体结构的另一优选实施方式设置，在内导体与外导体之间使用环结构，这些环结构能够在它们的形状和/或大小方面分成两组，其中，在每组中含有结构相同的环结构。

环结构沿同轴导体的布置以如下方式选择，即，环结构的组归属性在内导体与外导体之间沿着轴向顺序双周期性地交替。通过该措施能够显著改善HF信号沿同轴导体结构的传递质量的品质。

附图说明

下面，不限发明构思的一般性借助实施例参考附图来示例地描述本发明。其中示出：

图1a、b 穿过具有环结构的同轴导体结构的纵向剖面；具有多个布置在内导体与外导体之间的环的同轴导体结构的立体图；

图2a、b 常规的同轴导线的分散曲线图以及按照解决方案构造的同轴导体结构的分散曲线图；

图3 穿过同轴导体结构的纵向剖面，该同轴导体结构具有用于环结构的固定装置；

图4 穿过改变的同轴导体结构的示意横剖面；

图5a、b、c 穿过同轴导体结构的剖面序列，该同轴导体结构具有在内导体、环结构与外导体之间的电连接装置；

图6 环结构的盘状构造；

图7 低通滤波器布置；

图8 穿过具有单向通断元件的同轴导体结构的纵向剖面；

图9a、b、c 替换的实施方式，具有较强地电容性耦合的环结构；

图10 具有三个辐条的、用于实现低通滤波器的基础单元；

图11 用于图解低通滤波器的分散曲线图；和

图12 穿过具有双周期性环结构布置的同轴导体结构的纵向剖面。

具体实施方式

第一实施方式设置，沿着同轴导线周期性布置大于3个的数量n个的单个环R，见图1a和图1b，其中，两个相邻环R的轴向间隔分别选择得相同大小。由导电材料制成的环R具有径向和轴向的延伸，其中，环宽度、即这些环的轴向延伸大于环厚度、即这些环的径向延伸。导电的环理想地自由悬浮地安置在同轴导线的内导体IL与外导体AL之间，从而使每个单个的环R可以具有任意的不变的电位。为了技术上的实现，将这些单个的环R借助于呈环、衬垫、垫、辐条等形式的、在同轴导线内部的、介电的间隔保持件DA（见图3）支撑并固定在内导体与外导体之间。

与传统构造的环R不同，按照解决方案的效应也能在如下同轴导体结构中观察：这些同轴导体结构具有本身偏离传统的圆形同轴对称性的内导体IL’和外导体AL’。在图4中示意性示出这种布置，它示出各具有任意选择的导体横截面的内导体IL’和外导体AL’，在它们之间没有接触地、即没有与内导体IL’和外导体AL’的电连接地置入有同样具有任意环结构的、环状构造的结构R’。必需满足的主要要求除了环状构造的结构R’的在轴向方向上周期性重复的布置以外，涉及绕内置的内导体IL’沿着每个单个的环状构造的结构R’的完全闭合的电流路径。该要求同样适用于所有其它的实施方式，因此也适用于按照图1的那个实施方式。

进一步的实施方式由按照在图1a、b中图解的实施方式的环布置出发，并且各设置在内导体IL与环R之间的至少一个局部电连接装置EV，见图5a，或者在环R与外导体AL之间的至少一个局部电连接装置EV，见图5b，或者不仅在内导体IL与环R之间而且在环R与外导体AL之间的至少一个局部电连接装置EV，见图5c。电连接装置EV优选构造成销状金属的导体结构并且基于它们的导热特性也用作单个部件之间的局部排热桥。这些电连接部位在所有环R在轴向上顺序布置的情况下以相同的位态和取向布置，或者沿着轴向的环顺序以在环周边方向上可预先给定的扭转从一个环到另一个环分别转动90°或180°地布置。

图6示出具有盘形构造的环状结构R的实施方式，这些环状结构的轴向延伸小于它们的径向延伸。在这里图解的内导体IL在纵向方向上具有直径跃变，即，在每个环结构R的区域中，内导体IL的直径与位于两个环结构R之间的内导体段相比减小地构造，如同由图6中看到的那样。内导体IL的半径上的这类跃变有助于更好地适配于HF信号传递。同样可以设想，在外导体AL上设置内横截面的相应的但是在这里未示出的跃变。在两个环结构R之间，为了内导体与外导体的同轴定心，置入介电的间隔保持盘ST。

图7示出按照解决方案构造的同轴导体结构的实施方式，该同轴导体结构具有内导体IL和外导体AL的共同导体段LA，沿着该共同导体段布置有数量n=5的导电的、环状构造的结构R1至R5，它们各径向安置在内导体IL与外导体AL之间并且各具有完全围住内导体IL的电路径，其中，环结构R1至R5以空间上周期性的顺序各以在两个沿导体段LA相邻的环结构之间的等距的间隔布置。在所示情况下，同轴导线的内导体IL在没有环结构的区域中与在前面所述的沿着它布置有环结构R1至R5的共同导体段LA中相比在直径上较大地构造。各个的环结构R1至R5在这里相对内导体IL各通过两个导电的连接结构、所谓的辐条支撑并且与内导体IL连接。这类布置在无干扰地在高频率情况下在频率窗口内部传播TEM模方面具有开头阐释的特性，并且此外具有带高边沿陡度（Flankensteilheit）的、例如呈带阻滤波器或低通滤波器形式的滤波器特性。高的边沿陡度与传输零位在截止范围中的构造有关，这些传输零位通过辐条电感与中间环电容CL的共同作用产生。为了在具有滤波器特性的导体段LA的入口和出口上更好地适配，即为了减少在第一和最后的环结构R1和R5的区域中的反射，该第一和最后的环结构相对于此外一致地构造的环结构R2、R3、R4改型地构造，例如，环结构R1和R5具有较小的环直径。当然也可以进行与用作适配环节的环结构R1和R5的其它适配措施，例如通过专门的材料选择、环宽度、环厚度等。

为了影响按照解决方案构造的同轴导体结构的分散特性，按照在图8中所示的另一实施方式设置，应用例如呈PIN二极管或可变电抗器形式的可通断的结构元件WS。假设在环结构R与外导体AL之间各置入一个可通断的结构元件WS，该可通断的结构元件可以与施加在该可通断的结构元件WS上的电压相关地转移到导通的或截止的状态中。因此，根据通断状态的不同能够实现环结构R与外导体AL之间的空载或短路。由此，可以在两个不同的分散关系之间往复切换。例如在给定频率的情况下可以使TEM模在具有传播能力与瞬失之间转换。与现有技术的PIN二极管开关相比，在按照解决方案构造的同轴导体结构中的二极管只需接通少得多的功率，因为基于电容性分压器不是全部电压施加在它们上面。替换或组合地，也可以在内导体IL与各个环结构R之间设置可通断的结构元件。在图8中图解的实施例中，环结构R通过局部电连接装置EV与内导体IL连接，其中，销形的电连接装置EV的空间定向在两个相邻的环结构R之间改变90°。也可以替换或组合地在两个在纵向方向上相邻的环R之间设有优选呈串联方向上的二极管形式的、与用WS表示的分流二极管相反的可通断的元件WS’。

可以通过两个相邻布置的环结构的电容性耦合来取得对于按照解决方案构造的同轴导体结构的分散特性在TEM模的变化或者说传播特性方面的另一影响。与此相关的试验已经证实，两个相邻环结构之间的电容越高，越有利地形成在至少关于TEM基模的尽可能无干扰传播方面的效应。

为了尽可能大地选择耦合电容CL，在图9a、b、c中示出三个替换的用于构造环结构R的措施，这些环结构各置入到同轴导体结构的内导体IL与外导体AL之间。在情况a）中，构造为常规环的环结构R具有尽可能大地选择的环厚度，从而使得轴向对置的环端面是尽可能大面积的。在情况b）中设置有两组环结构RG1、RG2，它们各在其环直径上是不同的。两个组的环结构RG1和RG2布置得分别带有在图9b中能得知的形式的轴向搭接。在该情况下，在两个相邻的环结构之间（见箭头标志）的电容性有效的面积也加大。在情况c）中同样利用两个相邻环结构R的轴向搭接。在该情况下，环结构R具有轴向阶梯形构造的环纵向截面，从而使得轴向相互搭接成为可能。

图10以立体图示出按照解决方案构造的同轴导体结构的基础单元，该同轴导体结构具有在内导体IL与外导体AL之间间隔布置的环结构R，该环结构的与内导体IL的径向间隔确定得小于与外导体AL的径向间隔。环结构R在所示实施例中通过三个导电连接接片EV、所谓辐条与外导体AL连接。辐条EV布置得绕内导体IL在周向上相同分布。辐条EV中的每个是一分流电感并且以决定性的程度影响TEM模沿同轴导线的传播特性，该同轴导线的特征在于如在图10中示出那样的轴向一个接一个布置的基础单元的多重布置。

由在图11中图解的分散曲线图得出对于TEM模的传播特性的影响方式，该分散曲线图与在图2b中的分散曲线图相同地图解关系

，其中，是对应的波沿具有长度p的基础单元的相位差。在该情况下也假设，基础单元长度是p。

可以看出，TEM模与在图2a、b中的光速直线不同，分开成三个模，其中一个模相应于基本在内导体IL与环结构R之间在内传播通道之内传播的TEM模分量TEM_ic，另一个模相应于基本在环结构R与外导体AL之间在外传播通道之内传播的TEM模分量TEM_oc，以及第三个传播分支相应于在两个传播通道中各以反平行的E场定向传播的TEM模TEM_mix。

该分开的结果导致带隙BL，在该带隙内部TEM模分量TEM_ic、TEM_oc以及TEM_mix都不具有传播能力。因此，带隙BL在所示情况下通过上和下边界频率f_o和f_u限界，下面的关系式适用于上和下边界频率：

其中：

C_{ic} = \frac{2 πϵp}{1 n \frac{d_{2}}{d_{1}}}

C_{oc} = \frac{2 πϵp}{1 n \frac{d_{4}}{d_{3}}}

L_分流：导电的连接接片、所谓辐条的总电感，用于三辐条布置

C_ic：环与内导体之间的电容

C_oc：环与外导体之间的电容

c：光速

μ：导磁率

ε：介电常数

p：单元长度

a：环间隔

l：辐条长度[在AL-环-辐条的情况下l=(d4-d3)/2]

r：有效的辐条半径

对于TEM模的传播特性而言是截止区域类型的、通过在环R与外导体AL之间设置导电辐条EV带来的这类带隙BL的出现可以以低通滤波器布置的形式被利用。当然，带隙的频谱位置以及其频谱宽度可以通过相应地选择辐条EV的数量、布置、形状和大小以及相应地选择内导体与外导体之间的环布置以优化的形式适配于相应的技术要求。

在图12中示出用于具有布置在内导体IL与外导体AL之间的环结构R_A、R_B的同轴导体结构的实施方式，这些环结构R_A、R_B能够在它们的形状和大小方面分成两组。分别彼此结构相同的环结构R_A在所示示例中具有分别彼此结构相同构造的环结构R_B的一半轴向长度。通过这些环结构的轴向沿同轴导体结构的双周期性的布置，即，R_A，R_B，R_A，R_B，R_A，R_B等，能够改善HF信号沿同轴导体结构的传递质量的品质。

附图标记列表

AL 外导体

DA 介电的间隔保持件

EV 电连接装置

IL 内导体

LA 共同导体段

R 环状构造的结构、环结构

R1、R2、R3、R4、R5 环

R_u、R_o 环扇段

ST 间隔保持盘

VL 连接导线

WS 可通断的结构元件

WS’ 可通断的结构元件

BL 带隙

Claims

1.同轴导体结构，用于在分散关系框架内构成的频带中的至少一个频带之内无干扰地传递HF信号波的TEM模，具有内导体和与所述内导体径向间隔的外导体以及内导体和外导体的轴向延伸的共同导体段，沿着所述共同导体段，数量n个导电的、环状构造的结构以空间上的周期性顺序各以在两个沿所述导体段相邻的环状结构之间的等距间隔布置，这些结构分别径向间隔地安置在所述内导体与所述外导体之间并且各具有一完全围住所述内导体的电路径。

2.按权利要求1所述的同轴导体结构，其特征在于，所述环状结构相对于所述内导体和外导体电绝缘地安置。

3.按权利要求1所述的同轴导体结构，其特征在于，至少一个环状结构与所述内导体和/或外导体电连接。

4.按权利要求1至3中任一项所述的同轴导体结构，其特征在于，n大于等于3。

5.按权利要求1至4中任一项所述的同轴导体结构，其特征在于，所述环状结构以同中心地布置在同轴导体的所述内导体与外导体之间的环的形式分别构造有比在所述共同导体段的径向方向上的延伸更大的纵向延伸，或者以盘的形式分别构造有比在所述共同导体段的纵向方向上的延伸更大的径向延伸。

6.按权利要求1至5中任一项所述的同轴导体结构，其特征在于，在所述环状结构与所述内导体和/或所述外导体之间和/或在两个在纵向方向上相邻的环状结构之间，置入优选呈二极管或可变电抗器形式的能通断的结构元件。

7.按权利要求1至6中任一项所述的同轴导体结构，其特征在于，至少两个在纵向方向上相邻布置的环状结构部分地在纵向方向上搭接。

8.按权利要求1至7中任一项所述的同轴导体结构，其特征在于，所述环状结构构造为与所述内导体和外导体分开的组件。

9.按权利要求1至8中任一项所述的同轴导体结构，其特征在于，所述环状结构分成两个组，每组的环状结构一致地构造，但是两组之间在形状和/或大小上是不同的，并且，所述环状结构以分别交替的组归属性轴向地沿轴向延伸的所述共同导体段布置。

10.按权利要求6所述的同轴导体结构的应用，用于接通HF功率。

11.按权利要求1至9中任一项所述的同轴导体结构的应用，用于过滤频率，尤其作为低通滤波器。

12.按权利要求11所述的应用，其特征在于，在每一个环状构造的结构与所述外导体之间布置有至少一个导电的连接接片，所述连接接片使所述环状构造的结构与所述外导体局部电短路。

13.按权利要求12所述的应用，其特征在于，在设置两个或更多个导电连接接片的情况下，这些导电连接接片以相同分布的布置方式绕所述内导体布置。