KR100773670B1 - 고주파 전송용 연성 케이블 - Google Patents

Abstract

고주파 전송용 연성 케이블이 개시된다. 본 케이블은, 유연한 재질로 이루어진 제1 유전체 기판; 제1 유전체 기판 위에 형성되고 소정의 간격으로 상호 이격된 짝수개의 제1 선로 도체; 및 각각의 제1 선로 도체와 소정의 간격으로 이격된 제1 접지 도체를 포함하는 평형 신호 전송부와, 유연한 재질로 이루어진 제2 유전체 기판; 제2 유전체 기판 위에 형성되고 소정의 간격으로 상호 이격된 짝수개의 제2 선로 도체; 및 상기 각각의 제2 선로 도체와 소정의 간격으로 이격된 제2 접지 도체를 포함하는 불평형 신호 입력부를 포함하고, 평형 신호 전송부 및 불평형 신호 입력부는 짝수개의 제1 선로 도체와 짝수개의 제2 선로 도체가 각각 전기적으로 절연되면서 대응하는 제1 선로 도체 및 제2 선로 도체가 서로 중첩되게 배치되고, 짝수개의 제2 선로 도체들은 전기적으로 직렬 접속되되 어느 하나의 일단은 신호 입력단으로 형성되고 다른 하나의 일단은 개방단으로 형성된 것을 특징으로 한다.

발룬, 연성 케이블

Description

고주파 전송용 연성 케이블{Flexible Cable for High-Frequency Transmission}

도 1a는 본 발명에 따른 고주파 전송용 연성 케이블의 분해 사시도이고, 도 1b 및 도 1c는 도 1a의 I-I 절단면도 및 Ⅱ-Ⅱ 절단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 고주파 전송용 연성 케이블의 등가 모델이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 전송용 연성 케이블의 시뮬레이션 결과이다.

본 발명은 고주파 전송 선로 소자에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 연성 인쇄 회로로 구현된 고주파 전송용 연성 케이블에 관한 것이다.

고주파 전송 선로에서 한 쪽 금속을 접지시키고 하나의 선로만을 신호로 쓰는 불평형 신호(unbalanced signal)용 전송 선로는 공유된 접지를 통해 공통 모드 잡음(common mode noise)이 많이 유입되는 문제가 있다. 대안으로서, 크기가 같고 위상이 반대인 평형 신호(balanced signal)를 두 선로의 조합을 통해 전송하고자 하는 경우는, 일반적인 통신 시스템에서 사용되는 안테나가 불평형 신호만을 사용 하기 때문에 이러한 불평형 신호와 평형 신호 사이의 변환에 있어 발룬(balun)을 필요로 한다.

일반적으로 발룬은 집중형 발룬(lumped-type balun)과 분포형 발룬(distributed-type balun)으로 나뉜다. 집중형 발룬은 작고 가벼운 반면 평형 신호 사이에 180도의 위상 차이를 유지하기 어려운 단점이 있다. 또한, 분포형 발룬은 매우 좋은 주파수 응답을 갖고 전력 분배가 좋으며 180도 위상 차이를 유지하는 장점이 있지만, 낮은 주파수 대역에서 크기가 커져 사용할 수 없는 단점이 있다.

한편, 전자기기에서 각종 전자 소자를 연결해 주거나 지지하는 역할을 하는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)은 최근 전자제품의 소형화, 경량화, 고밀도화가 요구됨에 따라 연성 인쇄 회로(Flexible Printed Circuit)로 대체되고 있다. 연성 인쇄 회로는 소형화, 고밀도화가 가능할 뿐만 아니라 반복적인 굴곡 동작에 대한 내구성이 좋아서 유연한 회로의 구현이 가능해 휴대전화, 디지털 카메라, 프린트 기기는 물론 디스플레이 기기까지 다양하게 사용되고 있다.

본 발명은 연성 인쇄 회로의 장점을 살리면서 동시에 발룬 기능을 수행할 수 있는 고주파 전송용 연성 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 케이블의 역할은 물론 발룬의 기능을 동시에 수행하기 때문에 발룬을 따로 구현하는 데에 따른 추가적인 공간과 비용을 필요로 하지 않는 큰 장점이 있다.

본 발명에 따른 고주파 전송용 연성 케이블은, 유연한 재질로 이루어진 제1 유전체 기판; 제1 유전체 기판 위에 형성되고 소정의 간격으로 상호 이격된 짝수개의 제1 선로 도체; 및 각각의 제1 선로 도체와 소정의 간격으로 이격된 제1 접지 도체를 포함하는 평형 신호 전송부와, 유연한 재질로 이루어진 제2 유전체 기판; 제2 유전체 기판 위에 형성되고 소정의 간격으로 상호 이격된 짝수개의 제2 선로 도체; 및 상기 각각의 제2 선로 도체와 소정의 간격으로 이격된 제2 접지 도체를 포함하는 불평형 신호 입력부를 포함하고, 평형 신호 전송부 및 불평형 신호 입력부는 짝수개의 제1 선로 도체와 짝수개의 제2 선로 도체가 각각 전기적으로 절연되면서 대응하는 제1 선로 도체 및 제2 선로 도체가 서로 중첩되게 배치되고, 짝수개의 제2 선로 도체들은 전기적으로 직렬 접속되되 어느 하나의 일단은 신호 입력단으로 형성되고 다른 하나의 일단은 개방단으로 형성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 평형 신호 전송부는 제1 선로 도체 및 제1 접지 도체가 제1 유전체 기판의 동일면에 형성되는 CPW 구조로 형성될 수 있으며, 불평형 신호 전송부도 제2 선로 도체 및 제2 접지 도체가 제2 유전체 기판의 동일면에 형성되는 CPW 구조로 형성될 수 있다. 제1 선로 도체와 제2 선로 도체는 광역 결합되는 것이 바람직하다. 또한, 제1 접지 도체는 복수개로 형성되고, 나아가 상기 제1 선로 도체 및 제1 접지 도체가 교대로 반복되게 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제2 접지 도체는 복수개로 형성되고, 제2 선로 도체 및 제2 접지 도체가 교대로 반복되게 형성될 수 있다. 특히, 복수개의 제1 접지 도체 및 복수개의 제2 접지 도체는 상호 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발룬 기능을 수행할 수 있는 고주파 전송용 연성 케이블의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1a 내지 도 1c에는 본 발명에 따른 고주파 전송용 연성 케이블의 분해 사시도 및 단면도를 도시하였다. 본 발명에 따른 고주파 전송용 연성 케이블은, 고주파 전송 선로를 연성 인쇄 회로 기술을 이용하여 유연한 케이블로 구성한다. 특히, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 실시예는 전송 선로를 CPW(Coplanar Waveguide) 구조로 형성한 예를 도시한 것인데, 본 발명은 반드시 CPW 구조에 한정되지 않으며, 후술하는 바와 같이, 불평형 신호 전송 선로와 평형 신호 전송 선로가 서로 광역 결합되고 또한 연성 케이블로 구성된다면 마이크로 스트립 구조를 채용하여도 무방함을 당업자는 용이하게 이해할 것이다.

도 1a에 도시한 본 발명에 따른 고주파 전송용 연성 케이블의 분해 사시도를 참조하면, 제1 유전체 기판(10), 제1 선로 도체(12a, 12b) 및 제1 접지 도체(14)를 통해 평형 신호 전송부를 구성하고, 제2 유전체 기판(20), 제2 선로 도체(22a, 22b) 및 제2 접지 도체(24)를 통해 불평형 신호 입력부를 구성한다.

여기서, 제1 유전체 기판(10) 및 제2 유전체 기판(20)은 모두 폴리이미드와 같은 연성 인쇄 회로를 구성할 수 있는 유전체를 이용하여 형성된다. 또한, 평형 신호 전송부의 제1 선로 도체는 크기가 같고 위상이 반대인 평형 신호를 전송하기 위한 것이므로 짝수개의 선로 도체로 구성되며, 바람직하게는 2개의 서로 이격된 선로 도체로 구성된다. 각각의 제1 선로 도체(12a, 12b)는 케이블에 요구되는 길이만큼 고주파 전송 방향으로 연장될 수 있다. 또한, 제1 접지 도체(14)는 제1 선 로 도체(12a, 12b)가 형성된 제1 유전체 기판(10)의 동일면에 형성되어 CPW 구조를 갖는다. 제1 접지 도체(14)는 복수개로 구성되어, 복수개의 제1 선로 도체(12a, 12b)와 복수개의 제1 접지 도체(14)가 교대로 반복되는 구조로 형성될 수 있다.

한편, 불평형 신호 입력부도 CPW 구조로 형성되어 제2 선로 도체(22a, 22b)와 제2 접지 도체(24)가 제2 유전체 기판(20)의 동일면에 형성된다. 불평형 신호 입력부의 제2 선로 도체(22a, 22b) 및 제2 접지 도체(24)는 그 하부에 배치된 평형 신호 전송부의 제1 선로 도체(12a, 12b) 및 제1 접지 도체(14)와 대략 유사한 구조로 배치될 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자는 케이블 기능과 함께 발룬 기능을 동시에 수행할 수 있으며, 이를 위해서 평형 신호 전송부의 제1 선로 도체의 개수와 불평형 신호 입력부의 제2 선로 도체의 개수를 동일하게 형성하는 것이 바람직하고, 나아가 제1 선로 도체와 제2 선로 도체가 서로 전기적으로 절연되면서 동시에 수직 방향에서 볼 때 서로 중첩되게 배치된다.

또한, 도 1b는 도 1a의 I-I 절개선을 통해 절단한 단면도인데, 여기서 복수개의 제1 접지 도체(14) 및 복수개의 제2 접지 도체(24)는 상호 전기적으로 접속된다. 즉, 유연한 재질의 제3 유전체 기판(30)을 불평형 신호 입력부 위에 적층하고 이 제3 유전체 기판(30)의 상면에 제1 접속 도체(34)를 형성한다. 제1 접속 도체(34)는 비아 컨택(34a, 34b)를 통해 제2 접지 도체(24) 및 제1 접지 도체(14)와 전기적으로 접속될 수 있다.

또한, 도 1c는 도 1a의 Ⅱ-Ⅱ 절개선을 통해 절단한 단면도인데, 여기서 제2 선로 도체(22a, 22b)는 제3 유전체 기판(30) 위에 형성된 제2 접속 도체(32) 및 비 아 컨택(32a)을 통해 서로 직렬 접속된다. 제조의 편의상, 서로 직렬 접속되는 제2 선로 도체들(22a, 22b) 각각의 일단은 제2 유전체 기판의 일측에 배치하는 것이 바람직하다. 제2 접속 도체(32) 및 비아 컨택(32a)에 의해 접속되지 않은 제2 선로 도체(22a, 22b) 각각의 타단 중 어느 하나는 불평형 신호가 입력되는 신호 입력단(23b)으로 사용되고 나머지 하나는 개방단(23a)으로 사용된다.

도 1a 내지 도 1c는 제1 유전체 기판을 포함하는 평형 신호 전송부 위에 제2 유전체 기판을 포함하는 불평형 신호 입력부가 적층된 구조이고, 여기서 제1 선로 도체(12a, 12b) 및 제2 선로 도체(22a, 22b)는 제2 유전체 기판(20)에 의해 전기적으로 절연된다. 본 실시예는 평형 신호 전송부와 불평형 신호 입력부의 전송 선로를 모두 CPW 구조로 형성한 것이지만, 본 발명은 CPW 구조에 한정되지 않고 평형 신호 전송부와 불평형 신호 입력부를 각각 마이크로 스트립 구조(즉, 선로 도체와 접지 도체가 유전체 기판을 사이에 두고 서로 대향하는 면에 각각 형성된 구조)로 형성할 수 있으며, 이 경우 제1 선로 도체와 제2 선로 도체를 서로 마주 보도록 배치하고 그 사이에 별도의 유전체 기판을 개재하여 이들을 절연하는 구조를 채택하여도 무방하다. 또한, 각각의 유전체 기판, 선로 도체 및 접지 도체들은 도 1b 및 도 1c에서와 같이 접착층(50)을 통해 부착되며, 전체 소자를 외장재를 통해 보호할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 고주파 전송용 연성 케이블의 등가 모델을 보여준다. 여기서, PI는 불평형 신호가 입력되는 신호 입력단을 나타내고, PI와 대향하는 전송 선로의 타단은 개방되어 있다. 또한, PO1 및 PO2는 각각 평형 신호가 전송되는 2개의 출력단으로서 각각의 전송 선로의 타단은 접지되어 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 고주파 전송용 연성 케이블의 특성을 분석하기 위하여, 도 1a 내지 도 1c의 구조를 갖는 소자를 제작하였다. 즉, 각각의 선로 도체, 접지 도체, 접속 도체 및 비아 컨택은 구리를 이용하여 폴리이미드 유전체 기판에 형성함으로써 다층 연성 인쇄 회로를 구현하였다. 선로 도체 및 접지 도체가 형성된 유전체 기판의 전체 크기는 4 mm × 11 mm 이고, 선로 도체의 폭을 0.4 mm, 선로간의 간격을 0.5 mm로 하였다. 본 실시예에 따른 고주파 전송용 연성 케이블에서, 각 접지 도체간의 전압 차이 때문에 나타나는 슬롯 모드에 의해 방사 손실이 발생할 수 있으므로, 이를 억제하기 위해 접속 도체(34) 및 비아 컨택(34a, 34b)를 형성하였다.

도 1c에서 보듯이, 불평형 신호의 선로 즉 제2 선로 도체들(22a, 22b)은 비아 컨택(32a)을 통해 하이패스로 연결되었고, 평형 신호 선로 즉 제1 선로 도체들(12a, 12b)와의 결합은 선로들 사이의 커패시턴스를 키워주기 위해 광역 결합으로 연결하였다. 연성 인쇄 회로는 각 구리 층간의 간격이 가깝기 때문에 광역 결합으로 인한 커패시턴스의 증가 효과가 극대화될 수 있다. 그리하여, 기모드 커패시턴스를 높여줌으로써 결합 계수가 커져서 광대역의 특성을 얻을 수 있다.

위와 같이 제작한 고주파 전송용 연성 케이블의 해석을 위해 즐랜드(Zeland) 사의 IE3D를 사용하였다. 도 3a는 발룬의 삽입 손실과 반사 손실을, 도 3b는 발룬의 삽입 손실 차이와 위상 차이를 나타낸 그래프이다. 시뮬레이션 결과, 중심 주파수 2.5 GHz에서 두 출력단(PO1, PO2)의 삽입 손실은 각각 -3.06 dB과 -3.05 dB, 반사 손실은 -39.42 dB로 나타났다. 반사 손실이 -10 dB 이하인 부분을 가용 주파수 대역으로 정의할 때, 대역폭이 약 2.02 GHz(1.75 GHz ~ 3.77 GHz)로 나타나 중심 주파수가 2.5 GHz인 것을 감안하면 약 80.8%의 비대역폭(fractional bandwidth)을 갖는다. 가용 주파수 범위 내에서의 삽입 손실 차이는 0.02 dB 이내이고, 위상 차이는 180 : 0.2 이내로 나타났다. 도 3c는 발룬의 전체 반사 손실과 삽입 손실을 나타낸 것인데, 이를 참조하면 가용 주파수 내에서의 전체 삽입 손실은 0.5 dB 이내로 나타났다.

본 발명은 기능성 연결부로서의 응용을 위하여 연성 인쇄 회로로 구성함으로써 발룬 기능을 동시에 수행할 수 있는 연성 케이블을 제공한다. 시뮬레이션 결과 중심 주파수 2.5 GHz에서 반사 손실이 -39.42 dB로 나타났고, 가용 주파수 범위(1.75 GHz ~ 3.77 GHz) 내에서 삽입 손실 차이와 위상 차이가 각각 0.02 dB, 180 : 0.2 이내로 우수한 평형성을 보였다. 따라서, 본 발명에 따른 고주파 전송용 연성 케이블은 케이블의 기능과 발룬의 기능을 동시에 실현하면서 크기 또한 작게 구현될 수 있다. 따라서 안테나와 RF 전단부의 연결부로 적용될 가능성이 높고, 평형 혼합기 및 증폭기 등의 입·출력단에 사용되어 전체적인 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

1. 유연한 재질로 이루어진 제1 유전체 기판; 상기 제1 유전체 기판 위에 형성되고 소정의 간격으로 상호 이격된 짝수개의 제1 선로 도체; 및 상기 각각의 선로 도체와 소정의 간격으로 이격된 제1 접지 도체를 포함하는 평형 신호 전송부와,

   유연한 재질로 이루어진 제2 유전체 기판; 상기 제2 유전체 기판 위에 형성되고 소정의 간격으로 상호 이격된 짝수개의 제2 선로 도체; 및 상기 각각의 선로 도체와 소정의 간격으로 이격된 제2 접지 도체를 포함하는 불평형 신호 입력부를 포함하고,

   상기 평형 신호 전송부 및 상기 불평형 신호 입력부는 상기 짝수개의 제1 선로 도체와 상기 짝수개의 제2 선로 도체가 각각 전기적으로 절연되면서 대응하는 제1 선로 도체 및 제2 선로 도체가 서로 중첩되게 배치되고,

   상기 짝수개의 제2 선로 도체는 전기적으로 직렬 접속되되 어느 하나의 일단은 신호 입력단으로 형성되고 다른 하나의 일단은 개방단으로 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 전송용 연성 케이블.
2. 제1항에서, 상기 평형 신호 전송부에서 상기 제1 선로 도체 및 상기 제1 접지 도체가 상기 제1 유전체 기판의 동일면에 형성되고, 상기 불평형 신호 전송부에서 상기 제2 선로 도체 및 상기 제2 접지 도체가 상기 유전체 기판의 동일면에 형 성된 것을 특징으로 하는 고주파 전송용 연성 케이블.
3. 제1항 또는 제2항에서, 상기 제1 선로 도체와 상기 제2 선로 도체는 광역 결합된 것을 특징으로 하는 고주파 전송용 연성 케이블.
4. 제1항 또는 제2항에서, 상기 제1 접지 도체는 복수개로 형성되고, 상기 제1 선로 도체 및 상기 제1 접지 도체가 교대로 반복되게 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 전송용 연성 케이블.
5. 제4항에서, 상기 제2 접지 도체는 복수개로 형성되고, 상기 제2 선로 도체 및 상기 제2 접지 도체가 교대로 반복되게 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 전송용 연성 케이블.
6. 제5항에서, 상기 복수개의 제1 접지 도체 및 상기 복수개의 제2 접지 도체는 상호 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 고주파 전송용 연성 케이블.

Images