JP2016019282A - 高周波アンテナ装置及びこれを有する温度検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の一実施例は、高周波アンテナ装置を有する温度検出システムに関する。【解決手段】本発明の一具現例による温度検出装置は、接地基板、第１導線及び第２導線を有するアンテナ部、一端が上記第１導線と連結され、他端が上記接地基板と連結される第１給電線、及び上記第２導線と連結され、上記第１給電線と第１間隔ほど離れて配置され、上記接地基板と第２間隔ほど離れて配置される第２給電線を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、高周波アンテナ装置及びこれを有する温度検出システムに関する。

一般に、半導体オーブンのような高温の熱工程装備には、温度を精密に調節するために、内部で温度を直接測定する温度検出システムが切実に求められる。

従来は、測定が困難な構造物または設備に適用できる無電源、無線センサであるＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）センサを用いて温度を検出したが、ＳＡＷセンサから高周波信号を受信する高周波アンテナを構成するＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）及び同軸ケーブルの場合、被覆または誘電体材料の特性によって１６０℃以下の環境においてのみ使用することができた。

このため、半導体オーブンのような高温の熱工程装備などの場合、高温（５００℃以上）の厳しい環境では温度などの検出のためのＳＡＷセンサ及びアンテナを用いた無線通信が制限されるという問題があった。

下記特許文献１は、同軸ダイポールアンテナに関するものであるが、上述の問題に対する解決策は提示できていない。

韓国公開特許第１０−２００５−０１０８８７９号公報

本発明は、上述の従来技術の問題点を解決するためのもので、接地基板と連結される第１給電線、及び第１間隔ほど離れて配置されて高周波信号を伝達する第２給電線を形成することにより、高温の環境においても高周波信号を伝達することができる高周波アンテナ装置を提供する。

本発明の第１の技術的な側面は、高周波アンテナ装置を提案する。上記高周波アンテナ装置は、接地基板と、第１導線及び第２導線を有するアンテナ部と、一端が上記第１導線と連結され、他端が上記接地基板と連結される第１給電線と、上記第２導線と連結され、上記第１給電線と第１間隔ほど離れて配置され、上記接地基板と第２間隔ほど離れて配置される第２給電線と、を含む。

一実施例において、上記高周波アンテナ装置は、一端が上記第２給電線と連結され、他端が接続部と連結されて上記第２給電線と上記接続部との高周波信号を伝達する第３給電線をさらに含むことができ、上記第３給電線は、上記第２給電線と上記接続部との間に連結される内部導体、及び上記接地基板と連結され、上記内部導体を収容する内部空間を含む外部導体を含むことができる。

本発明の第２の技術的な側面は、温度検出システムを提案する。上記温度検出システムは、周辺の温度を感知し、上記周辺の温度情報を含む高周波信号を出力する温度センサと、上記温度センサから高周波信号を受信する高周波アンテナ装置と、上記高周波アンテナ装置を介して上記温度センサに駆動信号を送信し、上記高周波アンテナ装置を介して上記高周波信号の伝送を受け、上記高周波信号に含まれる温度情報を検出する制御部と、を含む。

一実施例において、上記高周波アンテナ装置は、接地基板と、第１導線及び第２導線を有するアンテナ部と、一端が上記第１導線と連結され、他端が上記接地基板と連結される第１給電線と、上記第２導線と連結され、上記第１給電線と第１間隔ほど離れて配置され、上記接地基板と第２間隔ほど離れて配置される第２給電線と、上記第２給電線と上記制御部と連結される接続部との間に連結される内部導体、及び上記接地基板と連結され、上記内部導体を収容する内部空間を含む外部導体を有する第３給電線と、を含むことができる。

本発明の一実施例によると、マイクロストリップ線路構造及び同軸ケーブルの原理を用いることにより、高温のような厳しい環境においても無線通信を行うことができる。

また、信号線と接地との間隔を調節することにより、必要に応じて自由にインピーダンスを調節することができる。

本発明の一実施例による温度検出システムを説明するための構成図である。 本発明の一実施例による高周波アンテナ装置の一実施例を説明するための図面である。 本発明の他の一実施例による高周波アンテナ装置の一実施例を説明するための図面である。 図３の第３給電線の一実施例を説明するための側面図である。 図３の第３給電線の一実施例を説明するための斜視図である。 本発明の一実施例による高周波アンテナ装置がオーブンに設置された状態を説明するための図面である。 本発明の他の一実施例による高周波アンテナ装置の一実施例を説明するための図面である。 図３の高周波アンテナ装置の共振周波数帯域を説明するためのグラフである。 図３の高周波アンテナ装置をネットワークアナライザで測定したグラフである。 図３の高周波アンテナ装置をネットワークアナライザで測定したスミスチャートである。

以下では、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施例について説明する。しかし、本発明の実施例は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施例に限定されない。また、本発明の実施例は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

図１は本発明の一実施例による温度検出システムを説明するための構成図である。

図１を参照すると、本発明の一実施例による温度検出システム１は、温度センサ１０、高周波アンテナ装置２０、及び制御部３０を含む。

温度センサ１０は、周辺温度を感知し、周辺温度による高周波信号を出力することができる。ここで、温度センサ１０は表面弾性波センサであることができる。表面弾性波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ、ＳＡＷ）センサとは、圧電基板（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）を用いる無電源センサで、接近または測定が困難な構造物または設備に多く用いられている。温度センサ１０は、制御部３０から高周波アンテナ装置２０を介して駆動信号を受信すると、周辺温度を感知し、これに対応する高周波信号を出力することができる。一実施例において、表面弾性波センサは、周辺温度の他にも、圧力、トルク、振動、気体、または質量を感知して、これに対応する高周波信号を出力することができる。

高周波アンテナ装置２０は、制御部３０から駆動信号を受信して温度センサ１０に伝達し、温度センサ１０から高周波信号を受信して制御部３０に伝達することができる。ここで、温度センサ１０及び高周波アンテナ装置２０は温度を検出するための対象物の内部に設置されることができ、上記対象物は半導体キュアオーブンのような高温の装置であることができる。

以下では、図２から図６を参照して高周波アンテナ装置２０についてより詳細に説明する。

制御部３０は、高周波アンテナ装置２０を介して温度センサ１０に駆動信号を送信し、温度センサ１０から高周波信号を受信し、上記高周波信号に対応する温度値を算出することができる。ここで、制御部３０は、同軸ケーブルのような有線によって高周波アンテナ装置２０と連結されることができる。

図２は本発明の一実施例による高周波アンテナ装置の一実施例を説明するための図面である。

図２を参照すると、本発明の一実施例による高周波アンテナ装置２０は、接地基板１００、アンテナ部２００、第１給電線３００、及び第２給電線４００を含む。

接地基板１００は、第１給電線３００の一面と連結されることができ、第２給電線４００と第２間隔ｄ２ほど離れて配置されることができる。一実施例において、高周波アンテナ装置２０が高温のオーブン装置の内部に設置される場合、接地基板１００はステンレススチール（ＳＵＳ）材質で形成されることができる。

アンテナ部２００は、第１導線２１０及び第２導線２２０を含むことができる。ここで、第１導線２１０は第１給電線３００の一端と連結されることができ、第２導線２２０は第２給電線４００の一端と連結されることができる。第１導線２１０及び第２導線２２０は、同一延長線上において異なる長さ方向に設置されることができる。

第１導線２１０と第２導線２２０の長さの和は、温度センサ１０と送受信する駆動信号及び高周波信号の半波長の長さで形成されることができる。例えば、高周波アンテナ装置２０が温度センサ１０と１ＧＨｚの信号を送受信する場合、１ＧＨｚの信号の空気中の波長が３０ｃｍであるためアンテナ部２００の第１導線２１０と第２導線２２０の長さの和は１５ｃｍに形成されることができ、４３０ＭＨｚの信号を送受信する場合、空気中の波長が９０ｃｍであるため第１導線２１０と第２導線２２０の長さの和は約４５ｃｍに形成されることができる。

一実施例において、第１導線２１０及び第２導線２２０は、高温の環境において用いられることができるようにするために、被覆されない銅（Ｃｕ）線で形成されることができる。

第１給電線３００は、一端が第１導線２１０と連結され、他端が接地基板１００と連結されて、接地棒の役割をすることができる。

ここで、第１給電線３００と接地基板１００は、実施に必要な多様な形態で連結されることができ、図２に示される連結構造に限定されない。

第２給電線４００は、第２導線２２０と連結され、第１給電線３００と第１間隔ｄ１ほど離れて配置されることができ、接地基板１００と第２間隔ｄ２ほど離れて配置されることができる。ここで、第２給電線４００は、図２に示されてはいないが、制御部３０と連結されてアンテナ部２００を介して受信した高周波信号を制御部３０に送信し、制御部３０から受信した駆動信号をアンテナ部２００に伝達することができる。

ここで、第１給電線３００及び第２給電線４００は第１間隔ｄ１ほど離れて水平に配置されることができ、第１導線２１０及び第２導線２２０は第１給電線３００と第２給電線４００の対応する位置において互いに異なる方向に向かうように配置されることができる。

一実施例において、第１給電線３００は、高温の環境において用いられることができるようにするために、ステンレススチール（ＳＵＳ）材質で形成されることができ、第２給電線４００は黄銅材質で形成されることができる。

ここで、第１給電線３００及び第２給電線４００は、第１間隔ｄ１ほど離れて配置されることにより、第１給電線３００と第２給電線４００との間には第１空間ａが形成されることができる。第１空間ａは空気誘電層として理解されることができる。

即ち、接地棒の役割をする第１給電線３００、空気誘電層である第１空間ａ、及び信号を伝達する第２給電線４００は、マイクロストリップ（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ）線路構造を形成することができる。

また、第２給電線４００は、接地基板１００と第２間隔ｄ２ほど離れて配置されることができ、第２給電線４００と接地基板１００との空気誘電層を含んでマイクロストリップ線路構造を形成することができる。

一般に、高周波アンテナの場合、信号を伝達するためのマイクロストリップ線路構造のＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）が連結されているが、このようなＰＣＢに用いられる被覆または誘電体材料の特性上、１５０℃以下でのみ用いられることができる。したがって、これより高い温度（例えば、５００℃）の環境では使用できなくなる。

しかし、上述の本発明の一実施例によると、耐熱性材質で形成された給電線、接地、及び空気誘電層を用いてマイクロストリップ線路構造を形成することにより、５００℃以上の厳しい環境においても信号を伝達することができる。

図３は本発明の他の一実施例による高周波アンテナ装置の一実施例を説明するための図面であり、図４は図３の第３給電線の一実施例を説明するための側面図であり、図５は図３の第３給電線の一実施例を説明するための斜視図であり、図６は本発明の一実施例による高周波アンテナ装置がオーブンに設置された状態を説明するための図面である。

図３を参照すると、本発明の他の一実施例による高周波アンテナ装置２０は、接地基板１００、アンテナ部２００、第１給電線３００、第２給電線４００、及び第３給電線５００を含むことができる。一実施例において、高周波アンテナ装置２０は、図７に示されているように、第１間隔調節部７００または第２間隔調節部８００をさらに含むことができる。

図３から図６に示されているように、本実施例における接地基板１００、アンテナ部２００、及び第１給電線３００は上述の実施例と同一である。

第２給電線４００は、一端が第２導線２２０と連結され、他端が第３給電線５００と連結されることができる。ここで、第２給電線４００は、接地基板１００と第２間隔ｄ２を維持しながら延長されて、第３給電線５００と連結されることができる。

一実施例において、第２給電線４００は、図３のように、「Ｌ」の形状に形成されて、接地基板１００との第２間隔ｄ２を一定に維持しながら、他端が第３給電線５００と連結されることができる。

しかし、第２給電線４００の形状は、このような形状に限定されず、一般の技術者が実施のためにいくらでも容易に変更することができる。

第３給電線５００は、一端が第２給電線４００と連結され、他端が制御部３０と連結されるための接続部６００と連結されることができる。一実施例において、第３給電線５００は、同軸ケーブルを用いて制御部３０と連結されることができる。この場合、接続部６００は、同軸ケーブルが接続されるコネクタであることができる。

一実施例において、第３給電線５００は、図４及び図５に示されているように、第２給電線４００と接続部６００との間に連結されて信号を伝達する内部導体５１０、及び接地基板１００と連結され、内部導体を収容する内部空間ｂを含む外部導体５２０を含むことができる。

内部導体５１０は、一端が第２給電線４００と連結されることができる。ここで、接地基板１００には、内部導体５１０が第２給電線４００と連結できるようにする孔が形成されることができる。

また、内部導体５１０の他端は、制御部３０と連結できるようにする接続部６００と連結されることができる。ここで、内部導体５１０は、黄銅材質で形成されることができる。

外部導体５２０は、接地基板１００と連結されることができ、内部導体５１０を収容することができる内部空間を有することができる。外部導体５２０は管形状に形成されることができ、内部導体５１０は外部導体５２０の中央に配置されて外部導体５２０の内周面と一定距離ほど離れて配置されることにより、内部導体５１０と外部導体５２０との間に第２空間ｂが形成されることができる。

ここで、内部導体５１０と外部導体５２０との間の第２空間ｂは、空気誘電層として理解されることができる。

したがって、第３給電線５００は、内部導体５１０、外部導体５２０、及びこの間に形成される空気誘電層の第２空間ｂを含むことにより、同軸（Ｃｏａｘｃｉａｌ）ケーブルの構造を形成することができる。

ここで、外部導体５２０はステンレススチール（ＳＵＳ）材質で形成されることができ、内部導体５１０は黄銅材質で形成されることができる。

このように、本実施例による高周波アンテナ装置２０は、耐熱性材質で形成され、空気誘電層を含んで同軸ケーブルの構造を形成することにより、高温の環境においても高周波信号を制御部３０または温度センサ１０に伝達することができる。

ここで、第３給電線５００のインピーダンスは、下記数学式１によって決定されることができる。

（ここで、Ｚは第３給電線のインピーダンス、εは空気誘電層の誘電常数、Ｄは外部導体の直径、ｄは内部導体の直径）

一実施例において、第３給電線５００は、外部導体５２０の内周面と内部導体５１０との間に挿入されて、一定間隔が維持されるようにする間隔維持部５３０をさらに含むことができる。これは、セラミック材質で形成されることができる。

一実施例において、高周波アンテナ装置２０は、図６のように、オーブン４０のような高温の装備内部に設置されることができる。

この場合、高周波アンテナ装置２０の接地基板１００がオーブン４０のハウジング内部のいずれか一つの壁面４２に付着されることができる。このとき、上記壁面４２は、オーブン４０のハウジング外部にある制御部３０と連結されるようにするために、第３給電線５００が通過されるようにする管形状の孔４４が形成されることができる。

この場合、上記管形状の孔４４は、第３給電線５００の外部導体５２０の役割をすることができる。即ち、第３給電線５００は、外部導体５２０を除外した内部導体５１０のみで構成されることができる。

ここで、上記管形状の孔４４の直径は、上記数学式１に基づいて目標インピーダンス、内部導体の直径、及び空気誘電層の誘電常数によって決定されることができる。

図７は本発明の他の一実施例による高周波アンテナ装置の一実施例を説明するための図面である。

図７を参照すると、本発明の他の一実施例による高周波アンテナ装置２０は、接地基板１００、アンテナ部２００、第１給電線３００、第２給電線４００、第３給電線５００、第１間隔調節部７００、及び第２間隔調節部８００を含むことができる。

第１間隔調節部７００は、第１給電線３００と第２給電線４００との距離である第１間隔ｄ１を調節することができる。ここで、第１間隔調節部７００は、第１給電線３００と第２給電線４００との間隔を微細調整するマイクロゲージ７１０をさらに含むことができる。

第２間隔調節部８００は、接地基板１００及び第２給電線４００に付着されることで、第２間隔ｄ２を調節することができる。

ここで、第１間隔ｄ１及び第２間隔ｄ２は同一であることができ、第１間隔ｄ１または第２間隔ｄ２の距離は下記数学式２によって決定されることができる。

（ここで、

、Ｗは第２給電線の幅、ｔはｄ１またはｄ２、Ｚは第２給電線のインピーダンス）

図８は図３の高周波アンテナ装置の共振周波数帯域を説明するためのグラフであり、図９は図３の高周波アンテナ装置をネットワークアナライザで測定したグラフであり、図１０は図３の高周波アンテナ装置をネットワークアナライザで測定したスミスチャートである。

例えば、第２給電線４００のインピーダンスがＺ＝５０Ω、第２給電線４００の幅Ｗが４．１ｍｍである場合、数学式２による第１間隔ｄ１及び第２間隔ｄ２は０．８３ｍｍである。また、第３給電線５００のインピーダンスがＺ＝５０Ω、第３給電線５００の内部導体の直径が４．１ｍｍである場合、数学式１による外部導体の直径は９．５ｍｍである。

図８及び図９のグラフ及び図１０のスミスチャートは、上記一例によるアンテナ装置の周波数帯域及びその特性を説明するためのものである。

図８は上記例における高周波アンテナ装置２０の周波数による反射損失（Ｒｅｔｕｒｎ Ｌｏｓｓ）ｄＢ（Ｓ（１，１））を示す。これにより、上記例による高周波アンテナ装置２０は、共振周波数帯域が最大利得から３ｄＢ離れた地点を選択すると、１５０〜７７０ＭＨｚの広帯域で動作できることが分かる。また、図９及び図１０を参照すると、上記例による高周波アンテナ装置の中心周波数は４３６ＭＨｚ、このときの特性インピーダンスは４７Ωで、５０Ωである第３給電線５００とマッチングされることが分かる。

上述の実施例による高周波アンテナ装置は、空気層を誘電体にするアンテナ基板が金属及びセラミック材料のみで構成されるため、さらに高温（〜１０００℃）の環境において設置されることができる。このような高温用アンテナは、厳しい環境を具体的にモニタリングできるＳＡＷ（表面弾性波、Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）、圧力、変形、トルク、温度、振動、気体、質量センサなどのリアルタイム無線通信に用いられることができる。その外にも、高周波を用いた多様な通信装備などに応用されることができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有するものには明らかである。

１ 温度検出システム
１０ 温度センサ
２０ 高周波アンテナ装置
３０ 制御部
４０ オーブン
１００ 接地基板
２００ アンテナ部
２１０ 第１導線
２２０ 第２導線
３００ 第１給電線
４００ 第２給電線
５００ 第３給電線
５１０ 内部導体
５２０ 外部導体
６００ 接続部
７００ 第１間隔調節部
８００ 第２間隔調節部

Claims (17)

1. 接地基板と、
   第１導線及び第２導線を有するアンテナ部と、
   一端が前記第１導線と連結され、他端が前記接地基板と連結される第１給電線と、
   前記第２導線と連結され、前記第１給電線と第１間隔ほど離れて配置され、前記接地基板と第２間隔ほど離れて配置される第２給電線と、を含む、高周波アンテナ装置。
2. 一端が前記第２給電線と連結され、他端が接続部と連結されて前記第２給電線と前記接続部との高周波信号を伝達する第３給電線を含む、請求項１に記載の高周波アンテナ装置。
3. 前記第３給電線は、前記第２給電線と前記接続部との間に連結される内部導体、及び前記接地基板と連結され、前記内部導体を収容する内部空間を含む外部導体を含む、請求項２に記載の高周波アンテナ装置。
4. 前記第１間隔及び前記第２間隔は同一である、請求項１から３のいずれか１項に記載の高周波アンテナ装置。
5. 前記第１間隔または前記第２間隔は下記数学式２によって決定される、請求項１から３のいずれか１項に記載の高周波アンテナ装置。
   

   

   （ここで、
   

   

   、Ｗは第２給電線の幅、ｔは第１間隔または第２間隔、Ｚは第２給電線のインピーダンス）
6. 前記第１間隔を調節する第１間隔調節部を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の高周波アンテナ装置。
7. 前記第２間隔を調節する第２間隔調節部を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の高周波アンテナ装置。
8. 前記第１給電線はステンレススチール（ＳＵＳ）で形成される、請求項１から７のいずれか１項に記載の高周波アンテナ装置。
9. 前記第２給電線及び第３給電線は黄銅で形成される、請求項２から８のいずれか１項に記載の高周波アンテナ装置。
10. 接地基板と、
    第１導線及び第２導線を有するアンテナ部と、
    一端が前記第１導線と連結され、他端が前記接地基板と連結される第１給電線と、
    前記第２導線と連結され、前記第１給電線と第１間隔ほど離れて配置され、前記接地基板と第２間隔ほど離れて配置される第２給電線と、
    前記第２給電線と接続部との間に連結される内部導体、及び前記接地基板と連結され、前記内部導体を収容する内部空間を含む外部導体を有する第３給電線と、を含む、高周波アンテナ装置。
11. 前記第１間隔を調節する第１間隔調節部を含む、請求項１０に記載の高周波アンテナ装置。
12. 前記第２間隔を調節する第２間隔調節部を含む、請求項１０または１１に記載の高周波アンテナ装置。
13. 周辺の温度を感知し、前記周辺の温度情報を含む高周波信号を出力する温度センサと、
    前記温度センサから高周波信号を受信する高周波アンテナ装置と、
    前記高周波アンテナ装置を介して前記温度センサに駆動信号を送信し、前記高周波アンテナ装置を介して前記高周波信号の伝送を受け、前記高周波信号に含まれる温度情報を検出する制御部と、を含む、温度検出システム。
14. 前記温度センサは、表面弾性波センサである、請求項１３に記載の温度検出システム。
15. 前記高周波アンテナ装置は、
    接地基板と、
    第１導線及び第２導線を有するアンテナ部と、
    一端が前記第１導線と連結され、他端が前記接地基板と連結される第１給電線と、
    前記第２導線と連結され、前記第１給電線と第１間隔ほど離れて配置され、前記接地基板と第２間隔ほど離れて配置される第２給電線と、
    前記第２給電線と前記制御部と連結される接続部との間に連結される内部導体、及び前記接地基板と連結され、前記内部導体を収容する内部空間を含む外部導体を有する第３給電線と、を含む、請求項１３または１４に記載の温度検出システム。
16. 前記高周波アンテナ装置は、前記第１間隔を調節する第１間隔調節部を含む、請求項１５に記載の温度検出システム。
17. 前記高周波アンテナ装置は、前記第２間隔を調節する第２間隔調節部を含む、請求項１５または１６に記載の温度検出システム。

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