JP7035213B2 - 低温用途のための広帯域高速通信チャネル - Google Patents
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Description
本発明は、ＲＦ信号相互接続デバイスに関し、より詳細には信号伝送構造体を含むＲＦ信号相互接続デバイスに関する。
2012年、NASAは、低温応用のための穿孔接地面を備えたマイクロストリップ（SMA送出励起）を用いるＲＦ（無線周波数）チャネルに関する研究と設計の努力を後援した。この研究、設計、試作努力には、様々な大学やNASAのチームが参加した。最終的にデバイスを設計し、比較的狭い周波数範囲にわたって約30dBの絶縁レベルを達成し、297 Ｋ及び77 Ｋの温度で実施することができた。
必要とされるのは、より大きな動作周波数帯域、より良いインピーダンス整合、及び改善されたチャネル間分離を伴う低温用途のためのＲＦ伝送構造体である。
本開示の一態様に従ったＲＦ信号相互接続デバイスは、第１表面、第２表面、第１端部及び第２端部を有する第１誘電体基板； 前記第１誘電体基板の前記第１表面上に設けられる複数の導電性トレースであって、各トレースが第1端部及び第２端部を有し、前記第1端部及び前記第２端部の各々が所定の形状を有する、複数の導電性トレース； 前記第１誘電体基板の前記第１表面上に配置される第２誘電体基板であって、前記第１誘電体基板の前記第１端部及び前記第２端部とそれぞれ整列した第１端部及び第２端部を有し、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部を覆わないように構成され、それにより、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部が露出される、第２誘電体基板； 前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板の前記第１端部に結合された第１コネクタ；及び 前記第１コネクタ内に配置される第１の複数の導電性ピンアセンブリであり、各導電性ピンアセンブリは、前記導電性トレースが前記第２誘電体基板によって覆われていない導電性トレースのそれぞれの第１端部に結合される、導電性ピンアセンブリ；を含み、 前記第１コネクタは、前記導電性トレースの前記第１端部の各々の周りにそれぞれの分離チャンバを画定するように構成されている。
本開示の別の態様に従った、信号伝送構造体及び第１コネクタを含むＲＦ信号相互接続デバイスにおいては、前記信号伝送構造体が： 第１表面及び第２表面を有する第１誘電体基板； 前記第１誘電体基板の前記第１表面上に設けられる複数の導電性トレースであって、各トレースが第1端部及び第２端部を有し、前記第1端部及び前記第２端部の各々が所定の形状を有する、複数の導電性トレース； 前記第１誘電体基板の前記第１表面上に配置される第２誘電体基板； を含み、 前記第２誘電体基板は、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部を覆わないように構成され、それにより、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部が露出され、 前記第１コネクタが： 上部シェル部； 前記上部シェル部内に設けられ、複数のキャビティを画定する複数の分割壁；及び 第１の複数の導電性ピンアセンブリであり、各導電性ピンアセンブリは、前記キャビティのそれぞれに配置され、前記導電性トレースが前記第２誘電体基板を通して露出されたままであるところの前記導電性トレースの前記第１端部のそれぞれに結合された、導電性ピンアセンブリ；を含み、 前記導電性トレースの前記第１端部の周りにそれぞれの分離チャンバが設けられる。
本開示の種々の態様は、添付の図面を参照して後述される。図面を簡単かつ明瞭にするために、図面に示されている要素は、必ずしも正確に又は縮尺通りに描かれていないことが理解されるであろう。例えば、素子のいくつかの寸法は、明瞭化のために他の素子に対して誇張されてもよく、又はいくつかの物理的構成要素が一つの機能ブロック又は素子に含まれてもよい。さらに、適切と考えられる場合には、対応する要素又は類似の要素を示すために、図面の間で参照番号を繰り返すことができる。明瞭にするために、すべての構成要素がすべての図面に表示されているわけではない。図面は、例示及び説明の目的で提供されるものであり、本開示の限定の定義として意図されたものではない。
以下の説明では、本開示の特徴を完全に理解するために、詳細が記載される。これらのいくつかの特定の詳細なしに実施され得ることが、当業者によって理解されるであろう。他の例では、本開示の態様を不明瞭にしないように、知られた方法、手順、構成要素及び構造は、詳細には記載されていないことがある。
本開示は、以下の説明に記載された、又は図面に示された構成要素の詳細な構成及び配置に限定されるものではなく、それは、実施可能であるか、又は様々な方法で実施されるか、又は実行されるものであることが理解されるべきである。また、本明細書で使用される用語及び用語は、説明のみを目的としており、限定的であるとみなされるべきではないことを理解すべきである。
ある特徴は、明確にするために、別々の実装の文脈で説明されており、単一の実装において組み合わせて提供されてもよい。逆に、単一の実装の文脈において簡潔に説明される種々の特徴は、別々に又は任意の適切なサブコンビネーションで提供されてもよい。
「頂」、「低」、「上」、「下」等を使用する場合、これらは、単に本明細書に記載される構成要素の相対的配置を説明するためのものであることに留意されたい。これらの相対的配置の説明は、重力の方向又は地平線に関してクレームを限定することを意図していない。
一般に、以下により詳細に説明されるように、本開示の態様は、極低温でシステム内にＲＦ高速信号通信を提供するＲＦ信号相互接続デバイスを提供する。このデバイスは、例えば101.6μmの垂直スタックのような小さなパッケージ要求内に適合するようにサイズ決定される。さらに、本デバイスは、動作中に曲げを許容するように可撓性であり、リターンロス及び従前に実証されたものを超えるチャネル間の分離を有する超広帯域周波数帯域にわたって動作する。有利には、当該デバイスは、一端のコネクタから他端のコネクタに、同軸TEM （Transverse Electromagnetic）モードの伝送からマイクロストリップモードに、ハイブリッドモードに、そしてストリップラインモードに順次変換するように構成される。同軸構造とマイクロストリップ構造との間の遷移キャビティが、望ましくない高次モード励起を最小にするように働く。さらに、組み合わせ信号、すなわち、受信及び送信信号又は双方向信号がサポートされる。
さらに、後述されるように、本デバイスは、可撓性ポリイミド誘電体材料、例えば、デュポン社から入手可能なKapton（商標）カプトンポリイミドを使用して、極低温用途のための超広帯域ＲＦ信号相互接続デバイスを製造する。一使用では、相互接続デバイスは、通信システム内に配置され、送信及び受信の優先順位付けのための複数のＲＦ組み合わせ信号を提供する。1つの非限定的な例において、動作の一次周波数帯域、インピーダンス整合、及び関心対象の絶縁は、それぞれ、DC～10GHz、公称4～9GHz、－15dB、及び50dBであるように確立された。約4Ｋの極めて低い極低温での動作のために、デバイスはニオブ導体で実装される。
次に、図1を参照すると、ＲＦ信号相互接続デバイス100が示され、細長い多層信号伝送構造体104を備える。コネクタ108が、信号伝送構造体104の各端部に設けられる。１つの非限定的な例において、デバイス100は、長さが約18インチであってよい。
信号伝送構造体104は、図２に示すように、第１誘電体基板204を含み、第1誘電体基板204は、第１端部208及び第２端部212を含む。第１誘電体基板204は、極低温、すなわち、極低温又は超伝導状態で動作するために、それぞれの厚さが0.002インチ（インチ）のKapton EN200又はKapton HN500から作製することができる。代替的に、第１誘電体基板204は、超伝導温度で動作しない場合には、Kapton Pyralix APから作製されてもよい。第１端部208及び第２端部212は、図３に示すように、同じ構成を有する。
第１誘電体基板204の第1及び第２端部208、212は、各々の端部に画定される複数のスロット304を含む。隣接するスロット304の各対は、以下に説明するトレースタブ308をさらに画定する。
複数の導電性トレース404が、図４に示すように、第１誘電体基板204の第１表面408上に設けられる。これらのトレース404は、第１端部208から第２端部212まで延びるように設けられる。トレース404は、超伝導温度で動作することのために、ニオブ、ニオブ-チタン合金、ニオブ-ゲルマニウム合金、ニオブ-スズ合金、タンタル、又はマグネシウム二ホウ化物のうちの１つ以上を含むことができる。非超伝導温度での動作のために、トレース404は、銅又はアルミニウムを含んでもよい。
トレース404は、例えば、シルクスクリーニング及びスパッタリングを含む公知の堆積プロセスのいずれか1つによって、第１表面408の上に提供することができる。
図５に示すように、トレース404は、第１端部208のトレースタブ308から第２端部212のそれぞれのトレースタブ308まで延びるように、第１誘電体基板204上に設けられる。各トレース404は、図６に拡大して示すように、それぞれのトレースタブ308の中心に配置され、0.0800±0.0004インチの距離Ｃ（図５）だけ、間隔を置いて配置される。
一般に、各トレース404は、図６に示すように、トレース送出部604を除いて、その長さの大部分に沿って一定の幅TWを有する。幅TWは0.002インチから0.006インチまでであり、実装では、超電導実装では0.002インチ、非超電導構成では0.004インチであってよい。トレース404の各端部は、トレース送出部604へと拡張する。トレース送出部604は、トレースタブ308上に中心合わせされる。
信号伝送構造体104は、一般に第１誘電体基板204と同じ長さ及び形状を有する第２誘電体基板704（図７）を含む。第２誘電体基板704は、極低温、すなわち、極低温又は超伝導状態で動作することのために、それぞれの厚さが0.002インチ及び0.005インチのKapton EN200又はKapton HN500から作製されてよい。代替的に、第２誘電体基板704は、超伝導温度で動作しない場合には、Kapton Pyralix APから作製されてもよい。しかしながら、第２誘電体基板704の端部708は、図７に示すように、第１誘電体基板204の端部208、212と同じようには構成されない。
各端部708は、第２誘電体基板704が第１誘電体基板204の上に配置されたときに、第１誘電体基板204のスロット304と整列するように配置された複数のスロット712を含む。略Ｖ字形又は三角形のノッチ716が各スロット712の間に画定され、第１誘電体基板204のそれぞれのトレースタブ308と整合するように配置される。
信号伝送構造体104の構成要素の積層体の一部として、第２誘電体基板704は、図８に示すように、第１誘電体基板204上に配置される。本開示の一態様では、接着剤の層が、第１誘電体基板204と第２誘電体基板704との間に設けられる。接着剤の層は、アクリル接着剤を含むことができ、例えば、公称0.0003～0.0007インチの厚さを有することができる。
第１誘電体基板204のそれぞれの端部上での第２誘電体基板704の端部708の配列は、図８、９及び１０に示すように、第１誘電体基板204の第１表面の一部が露出されたままである開口部804を形成する。開口部804及びそれぞれのコネクタ108の配置については、以下でさらに説明する。
次に、図１０Ａを参照すると、開口部804は、概ね三角形であり、頂部1004を含み、ここで、トレース404は、第２誘電体基板704の下で伝わる。本開示の一態様では、頂部1004は、図１０Ａに示すように、点に達する。変形的には、図２１を参照すると、開口部804は、例えば、半径が0.005インチの丸みを帯びた部分である頂部2014を含んでもよい。スロット304、712に対する角度θは、16.3°～17.1°、公称16.7°の範囲であってもよい。図１０Ｂに示すように、開口部804は、スロット304、712とほぼ同じ長さに延在する。
デバイス100の端部、すなわち、図１０Ａの左から右に始まるトレース送出部604は、0.0156±0.0005インチの長さＰ１に対して0.013±0.001インチの初期幅Ｆ１を有し、次いで、傾き又は角度αを有し、0.383±0.0005インチの距離Ｐ２まで、エッジからトレース幅TWまで遷移する。角度αは、10.9°～15.6°、公称13.1°であってよい。
トレース送出部604の端末端部は、その中に画定された三角形のノッチ608を有し、第１誘電体基板204を下に露出させる。図１０Ｂに示すように、ノッチ608の幅Ｊは、0.010±0.001インチであり、高さＬは、0.0018±0.0005インチである。
図１に示すラインＡ－Ａに沿って切った信号伝送構造体104の「積層体」の断面図を図１１に示す。第１誘電体基板204及び導電性トレース404は、第２誘電体基板704を所定の位置に維持するために設けられた接着層1104を有する。さらに、第１保護層（シールド）1108が、第２誘電体基板704上に設けられ、第２保護層（シールド）1112が、第１誘電体基板204の他方の表面に結合される。第1及び第２保護層1108、1112は、極低温動作では1μmの厚さのニオブ膜、又は非超電導動作では8.5μmの厚さの銅箔で作製されてもよい。
信号伝送構造体104を製造する1つの非限定的な方法では、下側シールド1112及び伝導性材料の層が、第１誘電体基板204上に堆積される。次いで、導電性材料がエッチングされ、導体404がもたらされる。第２誘電体基板704には、導波路フィーチャが生成されると、第１保護層1108が設けられ、次に第１誘電体基板204に積層される。その後、積層後の切断操作によってケーブルの形状が形成される。
両端コネクタ108は同一であり、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、上部シェル1204及び下部シェル1208を含む。上部シェル1204及び下部シェル1208は、信号伝送構造体104の両端部の周囲にクランプするように構成される。レセプタクル1212が、複数の同軸ピンアセンブリ1304を適所に保持するために、上部シェル1204及び下部シェル1208に結合されている。
図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、各同軸ピンアセンブリ1304は、ハウジング1308と、外部チョーク1312と、接触ピン1316とを含む。同軸ピンアセンブリは、カリフォルニア州El CajonのMicro-Mode Products, Inc.によって製造されたものであってよい。コンタクトピン1316は、概ね円柱形であるが、コンタクトピン1316の遠位端1324に配置された平坦化部分1320を備える。ハウジング1308の一端では、図１３Ｂに示すように、同軸導管1328がアクセス可能である。ピンアセンブリ1304の分解図が、内部チョーク1404を含む図１４に示されている。
図１５及び図１６に示すように、コネクタ108は、コンタクトピン1316をそれぞれのトレース送出部604に取り付けることによって、各ピンアセンブリ1304をそれぞれの導電性トレース404に結合する。さらに、上部シェル1204は、トレース404間の信号の効果的な分離を提供するように成形される。
上部シェル1204は、図１７に示すように、空洞1712を画定する複数のバッフル1704及び後壁1708を含む。コネクタ108が、図18に示すように、信号伝送構造体104に結合されると、バッフル1704は、第1及び第２誘電体基板204、704内に画定されたスロット304、712と整列して、スロット304、712と、トレース404が第２誘電体基板704によって覆われる頂部1004との間の絶縁チャンバ1804を画定する。
図１９及び図２０を参照すると、各コンタクトピン1316の平坦部分1320は、それぞれのトレース送出部604に取り付けられる。一般に、各コンタクトピン1316の平坦部分1320は、それぞれのトレース送出部604上に同じ所定の距離を延ばすように配置される。本開示の一態様では、コンタクトピン1316は、導電性エポキシでトレース送出部604に結合される。
導電性トレース404は、第１端部208におけるそれぞれのトレース送出部604から第２端部212におけるそれぞれのトレース送出部604まで進行する。図５及び図６、端部208、312の図を参照すると、トレース404は、0.595インチ～0.605インチ、公称0.600インチの範囲で、同じ距離Ｓについて互いに平行に延びる。その距離Ｓの末端では、各トレース404は、外側エッジから45°離れた角度βで傾斜し、その結果、すべてのトレース404が互いに平行に収束し、トレース404間の距離又は間隔Ｔを維持する。グループの中心に向かうこれらのトレース404は、外側のトレースが平行進行を開始する前に、それぞれの平行進行を開始することに留意されたい。有利には、各トレース404をトレース送出部604からの距離Ｓに対して平行に進行させることによって、トレース404のインピーダンスを同じにすることができる。
一般に、トレース送出部604の中心間の間隔Ｃは、トレース404が互いに平行に走行しているデバイス100の部分におけるトレース404間の間隔Ｔである0.0320±0.0002よりも大きい。
有利には、デバイス100は、図４に示すように、点412-1から点412-2までのケーブル幅を減少させることにより、寄生熱負荷を低減させることができる。この断面積の減少は、最小量である。接続構造体を収容するために、両端部はより大きい。
本開示は、例示的に、開示された実施形態を参照して上述された。当業者は、添付の特許請求の範囲に定義される本開示の範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に種々の修正及び変更を加えることができる。
Claims (18)
- ＲＦ信号相互接続デバイスであって：
第１表面、第２表面、第１端部及び第２端部を有する第１誘電体基板；
前記第１誘電体基板の前記第１表面上に設けられる複数の導電性トレースであって、各トレースが第１端部及び第２端部を有し、前記第１端部及び前記第２端部の各々が所定の形状を有する、複数の導電性トレース；
前記第１誘電体基板の前記第１表面上に配置される第２誘電体基板であって、前記第１誘電体基板の前記第１端部及び前記第２端部とそれぞれ整列した第１端部及び第２端部を有し、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部を覆わないように構成され、それにより、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部が露出される、第２誘電体基板；
前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板の前記第１端部に結合された第１コネクタ；及び
前記第１コネクタ内に配置される第１の複数の導電性ピンアセンブリであり、各導電性ピンアセンブリは、前記導電性トレースが前記第２誘電体基板によって覆われていない導電性トレースのそれぞれの第１端部に結合される、導電性ピンアセンブリ；
を含み、
前記第１コネクタは、前記導電性トレースの前記第１端部の各々の周りにそれぞれの分離チャンバを画定するように構成されており、
前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部を露出させる前記第２誘電体基板の一部が、Ｖ字形ノッチを備える、
ＲＦ信号相互接続デバイス。 - 請求項１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記第１誘電体基板と前記第２誘電体基板との間に接着剤が設けられる、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板の各々がポリイミドを含む、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記第１コネクタは、各分離チャンバを画定するための複数の分割壁を備える、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部の各々は、前記第１誘電体基板の前記第１表面を露出させる部分を含む、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記Ｖ字形ノッチの頂部が丸みを帯びている、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、さらに、
前記第２誘電体基板上に設けられた第１保護層；及び
前記第１誘電体基板の前記第２表面に設けられた第２保護層；
を含み、
前記第１保護層及び前記第２保護層の各々は、ニオブ膜又は銅箔のうちの１つを含む、
ＲＦ信号相互接続デバイス。 - 請求項７に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記第１保護層は、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部がアクセス可能であるところの前記第２誘電体基板を覆わない、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記導電性トレースの各々が、ニオブ、ニオブ－チタン合金、ニオブ－ゲルマニウム合金、ニオブ－スズ合金、タンタル、又は二ホウ化マグネシウムのうちの１つを含む、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項９に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記導電性トレースの各々が、スパッタリングにより前記第１誘電体基板の前記第１表面上に設けられる、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 信号伝送構造体及び第１コネクタを含むＲＦ信号相互接続デバイスであって、
前記信号伝送構造体が：
第１表面及び第２表面を有する第１誘電体基板；
前記第１誘電体基板の前記第１表面上に設けられる複数の導電性トレースであって、各トレースが第１端部及び第２端部を有し、前記第１端部及び前記第２端部の各々が所定の形状を有する、複数の導電性トレース；
前記第１誘電体基板の前記第１表面上に配置される第２誘電体基板；
を含み、
前記第２誘電体基板は、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部を覆わないように構成され、それにより、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部が露出され、
前記第１コネクタが：
上部シェル部；
前記上部シェル部内に設けられ、複数のキャビティを画定する複数の分割壁；及び
第１の複数の導電性ピンアセンブリであり、各導電性ピンアセンブリは、前記キャビティのそれぞれに配置され、前記導電性トレースが前記第２誘電体基板を通して露出されたままであるところの前記導電性トレースの前記第１端部のそれぞれに結合された、導電性ピンアセンブリ；
を含み、
前記導電性トレースの前記第１端部の周りにそれぞれの分離チャンバが設けられ、
前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部を露出させる前記第２誘電体基板の一部が、Ｖ字形ノッチを備える、
ＲＦ信号相互接続デバイス。 - 請求項１１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記信号伝送構造体がさらに、前記第１誘電体基板と前記第２誘電体基板との間に設けられた接着剤を含む、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記第１誘電体基板及び前記第２誘電体基板の各々がポリイミドを含む、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記信号伝送構造体がさらに、
前記第２誘電体基板上に設けられた第１保護層；及び
前記第１誘電体基板の前記第２表面に設けられた第２保護層；
を含み、
前記第１保護層及び前記第２保護層の各々は、ニオブ膜又は銅箔のうちの１つを含む、
ＲＦ信号相互接続デバイス。 - 請求項１１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記導電性トレースの前記第１端部及び前記第２端部の各々は、前記第１誘電体基板の前記第１表面を露出させる部分を含む、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記Ｖ字形ノッチの頂部が丸みを帯びている、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１１に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記導電性トレースの各々が、ニオブ、ニオブ－チタン合金、ニオブ－ゲルマニウム合金、ニオブ－スズ合金、タンタル、又は二ホウ化マグネシウムのうちの１つを含む、ＲＦ信号相互接続デバイス。
- 請求項１７に記載されたＲＦ信号相互接続デバイスであって、前記導電性トレースの各々が、スパッタリングにより前記第１誘電体基板の前記第１表面上に設けられる、ＲＦ信号相互接続デバイス。
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