JP2021517774A

JP2021517774A - 電磁波信号伝送のための導波管

Info

Publication number: JP2021517774A
Application number: JP2020551951A
Authority: JP
Inventors: ペ，ヒョン・ミン; ソン，ハ・イル
Original assignee: コリアアドバンストインスティチュートオブサイエンスアンドテクノロジー
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2021-07-26
Anticipated expiration: 2039-04-08
Also published as: TW202002393A; JP7255953B2; KR102280415B1; WO2019194668A1; US20210013575A1; EP3764457A1; TWI715962B; CN111937229A; CN111937229B; US11394098B2; EP3764457A4; KR20190117399A

Abstract

本発明の一態様によると、電磁波信号伝送のための導波管（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）であって、誘電体を含む第１誘電体部、前記第１誘電体部の一部を覆う導体部、および前記第１誘電体部および前記導体部を囲む第２誘電体部を含む導波管が提供される。

Description

本発明は電磁波信号伝送のための導波管に関する。

データトラフィックが急激に増加するにつれて、集積回路（ＩＣ）を連結する入力／出力バス（Ｉ／Ｏｂｕｓ）のデータ送受信速度も急速に増加している。過去数十年の間、費用効率性および電力効率性に優れている導体基盤のインターコネクト（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）（例えば、銅線など）が有線通信システムで広く適用されてきた。しかし、導体基盤のインターコネクトは、電磁誘導による表皮効果（ｓｋｉｎｅｆｆｅｃｔ）によって、チャネル帯域幅（ｃｈａｎｎｅｌｂａｎｄｗｉｄｔｈ）に根本的な限界を有している。

一方、導体基盤のインターコネクトに対する代案として、データ送受信速度が速い光（ｏｐｔｉｃａｌ）基盤のインターコネクトが紹介されて広く使われているが、光基盤のインターコネクトは設置およびメンテナンス費用が非常に大きいため導体基盤のインターコネクトを完璧には代替し難いという限界が存在する。

最近、誘電体からなる導波管で構成される新しいインターコネクトが紹介されたことがある。このような新しいインターコネクト（別名、イーチューブ（Ｅ−ＴＵＢＥ））は金属と誘電体の長所をともに有しているインターコネクトであって、費用および電力の側面での効率性が高く、短い範囲で速い速度のデータ通信を可能とする長所を有しているため、チップ−対−チップ（ｃｈｉｐ−ｔｏ−ｃｈｉｐ）通信に活用され得るインターコネクトとして脚光を浴びている。

しかし、従来に紹介された誘電体導波管を使う場合にも、非線形的な位相応答（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒｐｈａｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅ）によって発生する群遅延（ｇｒｏｕｐｄｅｌａｙ）の変化または偏差（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）が大きく表れる問題点やデータ伝送速度（または帯域幅）を増加させるにつれてビットエラーが発生する問題点が存在する。

そこで、本発明者は、位相応答の非線形性を改善し、高速データ通信環境においてビットエラーが発生することを防止できる新規かつ進歩した導波管に関する技術を提案するところである。

本発明は前述した問題点をすべて解決することをその目的とする。

また、本発明は、第１誘電体部、導体部および第２誘電体部を含む導波管において、導体部が第１誘電体部の一部のみを覆うようにし、第２誘電体部は第１誘電体部および導体部をすべて囲むようにすることによって、導波管を通じて伝送される信号に適用される境界条件（ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）として誘電体および導体の間の境界条件と誘電体および誘電体の間の境界条件がすべて存在するようにすることを他の目的とする。

前記目的を達成するための本発明の代表的な構成は次の通りである。

この他にも、本発明を具現するための他の導波管がさらに提供される。

本発明によると、導波管を通じて伝送される信号に適用される境界条件（ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）として誘電体および導体の間の境界条件と誘電体および誘電体の間の境界条件がすべて存在するようにすることができるため、導波管を通じて伝送される信号に示される位相応答の線形性を高めることができるようになる効果が達成される。

また、本発明によると、導波管を利用した通信で位相応答の非線形性を改善することができるため、周波数により群遅延が変わる程度を低減できる効果が達成される。

また、本発明によると、導波管を通じての信号伝送チャネルを非分散的（ｎｏｎ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ）に作ることができるため、符号間の干渉（ＩＳＩ）を減らすことができるようになり、さらにデータ伝送速度が増加するにつれてビットエラー（ｂｉｔｅｒｒｏｒ）が発生する頻度も画期的に低減できる効果が達成される。

従来技術に係る導波管の構成を例示的に示す図面。本発明の一実施例に係る導波管の構成を例示的に示す図面。本発明の他の実施例に係る導波管の構成を例示的に示す図面。従来技術に係る導波管に表れ得る群遅延と本発明の一実施例に係る導波管に表れ得る群遅延を推定する過程を示す図面。従来技術に係る導波管に表れ得る群遅延と本発明の一実施例に係る導波管に表れ得る群遅延を推定する過程を示す図面。本発明に係る導波管を利用して信号を送受信する場合と従来技術に係る導波管を利用して信号を送受信する場合のそれぞれに対して群遅延（ｇｒｏｕｐｄｅｌａｙ）を測定した実験を遂行した結果を示す図面。本発明のさらに他の実施例に係る導波管の構成を例示的に示す図面。

後述する本発明についての詳細な説明は、本発明が実施され得る特定の実施例を例示として図示する添付図面を参照する。これらの実施例は当業者が本発明を十分に実施できるように詳細に説明される。本発明の多様な実施例は互いに異なるが、相互に排他的である必要はないことが理解されるべきである。例えば、ここに記載されている特定の形状、構造および特性は一実施例に関連して本発明の精神および範囲を逸脱することなく他の実施例で具現され得る。また、それぞれの開示された実施例内の個別構成要素の位置または配置は本発明の精神および範囲を逸脱することなく変更され得ることが理解されるべきである。したがって、後述する詳細な説明は限定的な意味で行われるものではなく、本発明の範囲は、適切に説明されるのであれば、その請求項が主張するものと均等なすべての範囲とともに、添付された請求項によってのみ限定される。図面で類似する参照符号は多様な側面にわたって同一または類似する機能を指し示す。

以下では、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるようにするために、本発明の好ましい実施例について添付された図面を参照して詳細に説明する。

導波管の構成

以下では、本発明の具現のために重要な機能を遂行する導波管１００の内部構成および各構成要素の機能について詳察する。

図１は、従来技術に係る導波管の構成を例示的に示す図面である。

図１を参照すると、従来技術に係る導波管１０は誘電体コア（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｒｅ）１１および誘電体コア１１を囲む導体クラッディング（ｍｅｔａｌｃｌａｄｄｉｎｇ）１２を含むことができる。

従来技術に係る導波管を利用して信号を伝送する場合には、非線形的な位相応答（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒｐｈａｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅ）によって群遅延（ｇｒｏｕｐｄｅｌａｙ）の変化または偏差（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）が大きく表れる問題点が発生し得、実際の通信環境でデータ伝送速度が早くなるにつれてビットエラーが発生する頻度が高くなる問題点も発生し得る。

図２は、本発明の一実施例に係る導波管の構成を例示的に示す図面である。

図２を参照すると、本発明の一実施例に係る導波管１００は、誘電体を含む第１誘電体部１１０、第１誘電体部１１０の一部を覆う導体部１２０および第１誘電体部１１０および導体部１２０を囲む第２誘電体部１３０を含むことができる。ここで、本発明の一実施例によると、第１誘電体部１１０に含まれる誘電体の誘電率と第２誘電体部１３０に含まれる誘電体の誘電率は互いに異なり得る。

具体的には、本発明の一実施例によると、導体部１２０は第１誘電体部１１０の複数の外面のうち一部の外面を覆う構造で形成され得る。

より具体的には、本発明の一実施例によると、第１誘電体部１１０の中心軸、導体部１２０の中心軸および第２誘電体部１３０の中心軸は互いに一致し得る。

例えば、図２に図示された通り、本発明の一実施例に係る導波管１００をその長さに対して垂直な方向に切った断面から見た時、第１誘電体部１１０は四角形コア（ｃｏｒｅ）の形状を有することができ、導体部１２０は前記のように四角形コアの形状を有する第１誘電体部１１０の４つの面のうち２つの面（上側面および下側面）を覆うクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）の形状を有することができ、第２誘電体部１３０は第１誘電体部１１０および導体部１２０をすべて囲む四角形ジャケット（ｊａｃｋｅｔ）の形状を有することができる。

ただし、本発明に係る導波管１００の内部構成または形状は必ずしも前記で列挙されたものに限定されず、本発明の目的を達成できる範囲内でいくらでも変更され得ることを明らかにしておく。

図３は、本発明の他の実施例に係る導波管の構成を例示的に示す図面である。

まず、図３の（ａ）を参照すると、本発明の他の実施例に係る導波管２００では、第１誘電体部２１０が四角形コア（ｃｏｒｅ）の形状を有することができ、導体部２２０は前記のように四角形コアの形状を有する第１誘電体部２１０の４つの面のうち３つの面（上側面、下側面および左側面）を覆うクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）の形状を有することができ、第２誘電体部２３０は第１誘電体部２１０および導体部２２０をすべて囲む四角形ジャケット（ｊａｃｋｅｔ）の形状を有することができる。

次に、図３の（ｂ）を参照すると、本発明の他の実施例に係る導波管３００の場合、第１誘電体部３１０が円形コア（ｃｏｒｅ）の形状を有することができ、導体部３２０は前記のように円形コアの形状を有する第１誘電体部３１０の外面のうち、中心軸を基準とする時に所定の角度に該当する一部を覆うクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）の形状を有することができ、第２誘電体部３３０は第１誘電体部３１０および導体部３２０をすべて囲む環状ジャケット（ｊａｃｋｅｔ）の形状を有することができる。

一方、本発明のさらに他の実施例によると、一つのケーブル内に複数の導波管が含まれる場合を仮定することができるが、このような場合にも誘電体−誘電体の境界条件および誘電体−導体の境界条件がすべて存在する導波管が形成され得る。

図７は、本発明のさらに他の実施例に係る導波管の構成を例示的に示す図面である。

まず、図７の（ａ）を参照すると、本発明のさらに他の実施例に係る導波管７００では、第１誘電体部７１０が四角形コア（ｃｏｒｅ）の形状を有することができ、導体部７２０は前記のように四角形コアの形状を有する第１誘電体部７１０の４つの面のうち３つの面（上側面、下側面および左側面）を覆うクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）の形状を有することができ、第１誘電体部７１０および導体部７２０で構成される導波管ユニットが２個互いに隣接して配置され得、第２誘電体部７３０は第１誘電体部７１０および導体部７２０で構成される導波管ユニット２個をすべて囲む四角形ジャケット（ｊａｃｋｅｔ）の形状を有することができる。

次に、図７の（ｂ）を参照すると、本発明のさらに他の実施例に係る導波管８００では、第１誘電体部８１０が四角形コア（ｃｏｒｅ）の形状を有することができ、導体部８２０は前記のように四角形コアの形状を有する第１誘電体部８１０の４つの面のうち３つの面（上側面、下側面および左側面）を覆うクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）の形状を有することができ、第１誘電体部８１０および導体部８２０で構成される複数の導波管ユニットが所定の配列に沿って配置され得、第２誘電体部８３０は第１誘電体部８１０および導体部８２０で構成される複数の導波管ユニットをすべて囲む四角形ジャケット（ｊａｃｋｅｔ）の形状を有することができる。

すなわち、図７に図示された通り、本発明のさらに他の実施例に係る導波管では、一つのケーブルジャケット内に複数の導波管ユニットが含まれながらも、複数の導波管ユニットそれぞれで誘電体−誘電体の境界条件および誘電体−導体の境界条件が存在できることになる。

一方、本発明の一実施例によると、導体部１２０は電気伝導性を有する物質からなり得る。例えば、本発明の一実施例に係る導体部１２０は、伝統的に広く使われる銅（Ｃｕ）のような金属性物質からなるかグラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）のような非金属性物質からなり得る。

一方、本発明の一実施例によると、第１誘電体部１１０の誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）は第２誘電体部１３０の誘電率より大きくてもよく小さくてもよい。例えば、第１誘電体部１１０は誘電定数（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ）が約２．０のテフロン（登録商標）（ｔｅｆｌｏｎ）からなり得、第２誘電体部１３０は誘電定数が約１．２のポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）からなり得る。また、他の例として、第１誘電体部１１０は誘電定数が約１．０の空気からなり得、第２誘電体部１３０は誘電定数が約２．０のテフロンからなり得る。その反対に、第１誘電体部１１０はテフロンからなってもよく、第２誘電体部１３０は空気からなってもよい。

したがって、本発明の一実施例によると、導波管１００を通じて伝送される信号（すなわち、電磁波）は、第１誘電体部１１０および導体部１２０の間の境界（ｂｏｕｎｄａｒｙ）に沿ってガイドされ得るだけでなく、誘電率が互いに異なる第１誘電体部１１０および第２誘電体部１３０の間の境界に沿ってガイドされ得る。すなわち、本発明の一実施例に係る導波管１００によると、誘電体−導体の境界条件と誘電体−誘電体の境界条件がすべて存在することができるため、導波管を通じての信号伝送チャネルに表れる位相応答の線形性を画期的に高めることができ、これに伴い、周波数が変化するにつれて群遅延が変化する（または分散する）程度を画期的に低減させることができる。また、本発明の一実施例に係る導波管１００によると、信号伝送チャネルを非分散的（ｎｏｎ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ）に作ることができるため、符号間の干渉（ＩＳＩ）を減らすことができるようになり、さらにデータ伝送速度を増加させてもビットエラー（ｂｉｔｅｒｒｏｒ）が発生しないようにすることができる。群遅延に関する詳しい説明は後述することにする。

図４および図５は、従来技術に係る導波管に表れ得る群遅延と本発明の一実施例に係る導波管に表れ得る群遅延を推定する過程を示す図面である。

まず、図４を参照すると、従来技術に係る導波管（すなわち、誘電体コア１１および誘電体コア１１をすべて囲む導体クラッディング１２で構成される導波管）の場合に群遅延が周波数ωの変化から影響を受けるものと（すなわち、周波数が変わるにつれて群遅延も変わるものと）推定することができる。

次に、図５を参照すると、本発明の一実施例に係る導波管（すなわち、第１誘電体部１１０、第１誘電体部１１０の一部のみを覆う導体部１２０および第１誘電体部１１０と導体部１２０をすべて囲む第２誘電体部１３０で構成される導波管）の場合に群遅延が周波数ωの変化から影響を受けないものと（すなわち、周波数が変わっても群遅延がほとんど変わらないものと）推定することができる。

図６は、本発明に係る導波管を利用して信号を送受信する場合と従来技術に係る導波管を利用して信号を送受信する場合のそれぞれに対して群遅延（ｇｒｏｕｐｄｅｌａｙ）を測定した実験を遂行した結果を示す図面である。

まず、図６の（ａ）に図示されたＳ２１グラフを参照すると、本発明の一実施例に係る導波管（すなわち、第１誘電体部１１０、第１誘電体部１１０の一部のみを覆う導体部１２０および第１導体部１１０と導体部１２０をすべて囲む第２誘電体部１３０で構成される導波管；より具体的には、図３の（ａ）に図示されたような構造を有する導波管）６１０と従来技術に係る導波管（すなわち、誘電体コア１１および誘電体コア１１をすべて囲む導体クラッディング１２で構成される導波管）６２０は、アッパーコーナー周波数（ｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）またはアッパーカットオフ周波数（ｕｐｐｅｒｃｕｔｏｆｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が相互間に実質的に同一に表れることを確認することができる。

次に、図６の（ｂ）に図示された群遅延（Ｇｒｏｕｐｄｅｌａｙ）グラフを参照すると、従来技術に係る導波管を使う場合に、非線形的な位相応答（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒｐｈａｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅ）が表れ得、これによって導波管を通じての信号伝送チャネルで周波数の変化による群遅延の変化の程度が大きく表れ得る。実際に、図６の（ｂ）を参照すると、従来技術に係る導波管に対する実験結果６２０でグラフ内の周波数帯域で周波数が変わるにつれて群遅延が変わる程度が相対的に大きく表れることを確認することができる。

引き続き、図６の（ｂ）に図示された群遅延（Ｇｒｏｕｐｄｅｌａｙ）グラフを参照すると、本発明に係る導波管を使う場合に、位相応答の非線形性を減らし、それによって導波管を通じての信号伝送チャネルに表れ得る周波数の変化による群遅延の変化の程度も画期的に減らすことができる。実際に、図６の（ｂ）を参照すると、本発明に係る導波管に対する実験結果６１０で、グラフ内の周波数帯域で周波数が変わるにつれて群遅延が変わる程度が顕著に小さく表れることを確認することができる。

したがって、前記のような実験結果から、本発明に係る導波管１００を使用すれば、周波数の変化により表れ得る伝送信号の群遅延の変化（または偏差）が画期的に低くなり得ることを確認することができる。

以上、本発明に係る導波管に含まれる構成要素に関する細部の仕様またはパラメータについて具体的に説明されたが、本発明に係る導波管の構成は必ずしも前記に列挙されたものに限定されず、本発明の目的または効果を達成できる範囲内でいくらでも変更され得ることを明らかにしておく。

以上、本発明が具体的な構成要素などのような特定の事項と限定された実施例および図面によって説明されたが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたものに過ぎず、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であればこのような記載から多様な修正および変形を図ることができる。

したがって、本発明の思想は前記説明された実施例に限定されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなくこの特許請求の範囲と均等にまたは等価的に変形された全てのものは本発明の思想の範疇に属するものと言える。

１０従来技術に係る導波管
１１従来技術に係る導波管の誘電体コア
１２従来技術に係る導波管の導体クラッディング
１００本発明の一実施例に係る導波管
１１０第１誘電体部
１２０導体部
１３０第２誘電体部

Claims

電磁波信号伝送のための導波管（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）であって、
誘電体を含む第１誘電体部、
前記第１誘電体部の一部を覆う導体部、および
前記第１誘電体部および前記導体部を囲む第２誘電体部を含む、導波管。
前記導体部は前記第１誘電体部の複数の外面のうち一部の外面を覆う、請求項１に記載の導波管。
前記第１誘電体部の中心軸、前記導体部の中心軸および前記第２誘電体部の中心軸は互いに一致する、請求項２に記載の導波管。
前記第１誘電体部に含まれる誘電体の誘電率と前記第２誘電体部に含まれる誘電体の誘電率は互いに異なる、請求項１に記載の導波管。
前記導波管を通じて伝送される信号は、前記第１誘電体部および前記導体部の間の境界（ｂｏｕｎｄａｒｙ）と前記第１誘電体部および前記第２誘電体部の間の境界に沿ってガイドされる（ｇｕｉｄｅｄ）、請求項１に記載の導波管。
前記導波管を通じての信号伝送チャネルで周波数の変化により表れる群遅延（ｇｒｏｕｐｄｅｌａｙ）の変化の程度が既設定された水準以下である、請求項１に記載の導波管。