KR101429053B1

KR101429053B1 - 누설 동축 케이블

Info

Publication number: KR101429053B1
Application number: KR1020137020871A
Authority: KR
Inventors: 아쓰히코 니와; 후미오 스즈키
Original assignee: 가부시키가이샤후지쿠라
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-08-11
Also published as: US8809683B2; US20140048304A1; KR20130141659A; JP2013229772A; WO2013161124A1; CN103548203B; JP5162713B1; CN103548203A

Abstract

축 방향으로 연신(延伸)되고, 신호가 전반(傳搬)하는 내부 도체(導體)(10)와, 내부 도체(10)를 덮는 절연체(12)와, 절연체(12)의 외주 표면에 있어서, 신호의 일부가 외부로 누설(漏泄)되는 차폐(遮蔽) 밀도로 도체소선(導體素線)을 배치한 제1 외부 도체(14)와, 제1 외부 도체(14)와 접촉되어 축 방향으로 일정한 피치로 배열되고, 신호를 차폐하는 복수의 제2 외부 도체(16)를 구비한다. 축 방향에 있어서, 복수의 제2 외부 도체의 각각의 전기적 길이(electrical length)가, 인접하는 제2 외부 도체 사이의 전기적 길이와 같고, 신호의 전반 파장의 자유 공간 파장에 대한 파장 단축율을 ν라고 할 때, 피치가 전반 파장의 ｛1/(1＋0.766ν)｝배 ~ ｛3/(1＋ν)｝배의 범위이다.

Description

누설 동축 케이블{LEAKY COAXIAL CABLE}

본 발명은, 누설(漏洩) 동축(同軸) 케이블에 관한 것이다.

누설 동축 케이블(LCX)은, 통상의 동축 케이블의 외부 도체(導體)에 복수의 슬롯이 방사부(放射部)로서 형성된 것이다. 내부 도체에 공급된 전자파 신호는 외부 도체에 의해 차폐(遮蔽)되지만, 방사부인 슬롯을 통해 외부로 누설된다. 즉, 슬롯을 통해서, 케이블 내부의 전자파 신호를 외부에 방사하거나, 케이블 외부의 전자파 신호를 케이블 내부로 끌어들일 수 있다. 즉, LCX는 케이블형 안테나이며, 가늘고 긴 특수한 송수신 안테나라고 할 수 있다.

LCX는, 철도나 자동차 등의 이동체용의 통신 선로로서 널리 사용된다. 열차 무선용으로서는, 철도의 선로를 따라 부설(敷設)된 LCX가, 차량에 설치한 안테나와의 통신용 안테나로 된다. 또한, 최근에는, 무선 LAN용 안테나로서도 이용되고 있다.

종래의 LCX에서는, 외부 도체로서, 펀칭 가공으로 형성한 슬롯을 가지는 금속 테이프가 사용된다(비특허 문헌 1 참조). 이 경우, 1매의 금속 테이프를 LCX의 길이 방향으로 세로 랩핑(longitudinal lapping)하므로, 가요성(可撓性)이 뒤떨어진다는 문제가 있다. 또한, 가요성이 뒤떨어지기 때문에, LCX가 굴곡되면 슬롯으로부터 외부 도체에 균열이 발생한다.

가요성이 우수한 LCX를 실현하기 위해, 스파이럴형으로 감은 편조형(編組型)이나 가로 권취형(卷取型)의 외부 도체를 사용하는 것이 제안되어 있다(특허 문헌 1 및 2 참조). 인접하는 외부 도체 사이의 간극이 방사부로 된다. 제안된 외부 도체는, 소선(素線)의 편조나 가로 권취, 또는 금속 테이프를 사용하므로, 가요성을 개선할 수 있다.

일본공개특허 1997―198941호 공보 일본공개특허 제2003―123555호 공보

도시모토 기시모토, 사사키 신 저(著) 「LCX 통신 시스템」전자 통신 학회, 1982년 8월 20일 출판

그러나, 스파이럴형으로 감은 외부 도체를 사용하므로, 방사부의 피치 설계 자유도가 악화된다. 현실적으로 편조 각도나 가로 권취 각도를 10° 정도 이하로 하는 것은 곤란하므로, 방사부의 피치를 길게 하는 것에는 한계가 있다. 예를 들면, 절연체의 외경이 5㎜의 경우, 방사부의 피치는 약 90㎜ 이하가 한계로 된다. 또한, 종래의 LCX에서는, LCX의 축 방향에 수직인 방사 각도로 되는 주파수에서는 방사부의 피치와 신호 파장이 일치하므로, LCX 중에 큰 전압 정재파비(電壓定在波比)(VSWR)가 생기므로, 실용적이 아니다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은, 가요성이 우수하고, 방사부의 피치 설계 자유도가 높은 LCX를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 태양(態樣; aspect)에 의하면, 축 방향으로 연신(延伸)되고, 신호가 전반(傳搬)하는 내부 도체와, 내부 도체를 덮는 절연체와, 절연체의 외주 표면에 있어서, 신호의 일부가 외부로 누설되는 차폐 밀도로 도체소선(導體素線)을 배치한 제1 외부 도체와, 제1 외부 도체와 접촉하여 축 방향으로 일정한 피치로 배열되고, 신호를 차폐하는 복수의 제2 외부 도체를 구비하고, 축 방향에 있어서, 복수의 제2 외부 도체의 각각의 전기적 길이(electrical length)가, 인접하는 제2 외부 도체 사이의 전기적 길이와 동일하고, 신호의 전반 파장의 자유 공간 파장에 대한 파장 단축율을 ν라고 할 때, 피치가, 전반 파장의｛1/(1＋0.766ν)｝배 ~ ｛3/(1＋ν)｝배의 범위인 LCX가 제공된다.

본 발명에 의하면, 가요성이 우수하고, 방사부의 피치 설계 자유도가 높은 LCX를 제공하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 누설 동축 케이블의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 누설 동축 케이블의 A―A 단면(斷面)을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 누설 동축 케이블의 B―B 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 누설 동축 케이블의 결합 손실 측정 결과의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 관한 누설 동축 케이블의 정재파비 측정 결과의 일례를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 관한 누설 동축 케이블의 다른 예를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 관한 누설 동축 케이블의 제2 외부 도체의 형성에 사용하는 테이프의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 테이프를 사용하여 제작한 누설 동축 케이블의 일례를 나타낸 단면 개략도이다.
도 9는 도 7에 나타낸 테이프를 사용하여 제작한 누설 동축 케이블의 다른 예를 나타낸 단면 개략도이다.

이하 도면을 참조하여, 본 발명의 형태에 대하여 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 부여하고 있다. 단, 도면은 모식적인 것이며, 두께와 평면 치수와의 관계, 각 층의 두께의 비율 등은 현실의 것과는 상이한 것에 유의(留意)해야 한다. 따라서, 구체적인 두께나 치수는 이하의 설명을 참작하여 판단해야 할 것이다. 또한, 도면 상호 간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.

또한, 이하에 나타내는 본 발명의 실시형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것으로서, 본 발명의 기술적 사상은, 구성 부품의 재질, 형상, 구조, 배치 등을 하기의 것에 특정하는 것이 아니다. 본 발명의 기술적 사상은, 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 범위 내에 있어서, 각종 변경을 가할 수 있다.

본 발명의 실시형태에 관한 LCX는, 도 1 ~ 도 3에 나타낸 바와 같이, 내부 도체(10), 절연체(12), 제1 외부 도체(14), 복수의 제2 외부 도체(16), 및 시스(sheath)(18)를 가진다. 내부 도체(10)는, LCX의 축 방향으로 연신(延伸)된다. 절연체(12)는, 내부 도체(10)를 덮도록 설치된다. 제1 외부 도체(14)는, 절연체(12)를 협지(sandwich)하여 내부 도체(10)를 덮도록 설치된다. 복수의 제2 외부 도체(16)는, 각각 제1 외부 도체(14)와 접촉되고, 일정한 피치 P로 배열된다. 시스(18)는, 제1 외부 도체(14) 및 제2 외부 도체(16)의 외주를 덮도록 설치된다.

차폐부(4)는, 각각의 제2 외부 도체(16)가 배치된 길이 Lw의 영역이며, 방사부(2)는, 인접하는 제2 외부 도체(16) 사이의 길이 Ls의 영역이다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 차폐부(4)는, 제1 외부 도체(14) 및 제2 외부 도체(16)가 2중으로 배치된다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 방사부(2)는, 제1 외부 도체(14)만이 배치된다. 방사부(2) 및 차폐부(4)의 길이 Ls, Lw는 실질적으로 같아진다.

예를 들면, 내부 도체(10)에는, 동(銅) 등의 금속이 사용된다. 절연체(12)에는, 발포 폴리에틸렌 등의 수지가 사용된다. 제1 외부 도체(14)에는, 금속 등의 도체소선을 사용한 도전성(導電性) 편조나 가로 권취가 사용된다. 제2 외부 도체(16)에는, 금속막이나 금속박 등의 도체막이 사용된다. 시스(18)에는, 난연(難燃) 폴리에틸렌 등의 수지가 사용된다.

내부 도체(10)는, 외부의 신호원 등으로부터 공급되는 고주파 신호를 전반시킨다. 차폐부(4)에서는, 제2 외부 도체(16)가 고주파 신호를 차폐하므로, LCX의 외부에는 고주파 신호는 방사되지 않는다. 방사부(2)에서는, 제1 외부 도체(14)가 편조이므로, 고주파 신호의 일부가 외부로 누설된다. 즉, 피치 P로 배열된 방사부(2)로부터 LCX의 외부로 전자파가 방사된다. 피치 P는, 공급되는 고주파 신호의 주파수에 따라 정해진다.

제1 외부 도체(14)의 편조 또는 가로 권취에 사용하는 금속 소선의 절연체(12)의 외주 표면에 대한 차폐 밀도를 70% 이하의 범위로 한다. 차폐 밀도가 70%보다 크면, 방사부(2)로부터 전자파가 충분히는 방사되지 않는다. 그리고, 차폐 밀도는, 절연체(12)의 표면적에 대하여, 절연체(12)의 표면에 배치된 도체소선의 면적의 비이다.

이와 같이, 실시형태에 관한 LCX에서는, 제1 외부 도체(14)는, 고주파 신호가 누설되도록 저차폐 밀도로 하고, 제2 외부 도체(16)는, 도체막을 제1 외부 도체(14)와 접촉시켜 고주파 신호의 누설이 없게 하고 있다. 그러므로, 제1 외부 도체(14) 및 제2 외부 도체(16)는 같은 전위로 되고, 차폐부(4)에서는 전자파가 방사되지 않아, 방사부(2)로부터는 LCX의 외부로 전자파를 방사시킬 수 있다. 실시형태에서는, 제1 외부 도체(14)로서 편조를 사용하고, 제2 외부 도체(16)가 주기적으로 배치되어 있으므로, 가요성이 우수한 LCX를 실현할 수 있다. 또한, 제2 외부 도체(16)의 배열 주기와 폭에 따라, 방사부(2)의 피치를 규정할 수 있으므로, 설계의 자유도가 높아진다. 그리고, 제1 외부 도체(14)로서 가로 권취를 사용해도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

일반적으로, LCX로부터의 전자파의 방사각 θn은, LCX의 축 방향에 직각인 방사각을 0으로 하여, 종단측으로 경사진 방사 방향을 플러스(正)로 하면, 이하의 식에 의해 표현된다(비특허 문헌 1 참조).

θn = sin^―1(nλ／P＋1/ν) …(1)

단, n은 방사파의 모드이며 마이너스(負)의 정수(整數), λ는 자유 공간에서의 파장, ν는 LCX의 파장 단축율이다. 파장 단축율 ν는, 내부 도체와 외부 도체 사이의 절연체 및 중공(中空) 부분의 체적비로부터 구한 실효(實效) 비유전율(relative permittivity) εs로부터,

ν = 1/(εs)^1/2 …(2)

로 표현된다.

통상은, n=―1의 이른바 ―1차 모드만이 사용되는 경우가 많다. ―2차 모드 이후의 고차(高次) 모드가 생기는 주파수에서는, ―1차 모드를 포함하고 복수의 각도로부터 방사되는 전자파가 서로 간섭하여, 정재파가 발생하므로, 일정한 강도의 전자파의 방사를 실현하는 것이 곤란해지기 때문이다. 종래에는, 복잡한 지그재그형 슬롯 배열의 LCX를 사용함으로써, 고차 모드가 생기지 않도록 하여, 광대역화를 도모하고 있다.

한편, 실시형태에서는, 방사부(2) 및 차폐부(4)의 축 방향의 전기적 길이를 일치시킴으로써, ―2차 모드가 생기지 않도록 하고 있다. 여기서, 전기적 길이는, 물리적 길이와 파장 단축율 ν와의 곱이다. 방사부(2)와 차폐부(4)의 실효 비유전율은 동일하지는 않지만, 실질적으로는 거의 같다. 그래서, 방사부(2)와 차폐부(4)의 물리적 길이를 거의 같게 하여 전기적 길이를 일치시킨다. 이와 같이, 실시형태에 관한 LCX에서는, 간단한 구조로 ―2차 모드의 방사가 생기지 않도록 할 수 있어, 광대역화가 가능해진다.

구체적으로는, ―1차 모드만이 방사되는 주파수 대역은, 다음 식에 의해 표현된다.

(1＋1/ν)/2＜λ／P＜(1＋1/ν) …(3)

실시형태에 관한 LCX에서는, ―2차 모드의 방사가 없기 때문에, 종래의 ―1차 모드와 ―2차 모드가 방사되는 주파수 영역도 이용 가능해진다. 따라서, 주파수 대역이 다음 식과 같이 확대된다.

(1＋1/ν)/3＜λ／P＜1＋1/ν) …(4)

즉, 방사각이 ―90°로부터 ―3차 모드가 생기는 ＋30°의 범위가 사용 가능해진다.

식(4)로부터, 피치 P는 다음 식의 조건을 만족시키도록 설정하면 된다.

λg/(1＋ν)＜P＜3λg/(1＋ν) …(5)

여기서, λg는 LCX 중에서의 전반 파장이며, λg=νλ이다. 그리고, 경험적으로는, ―1차 모드의 방사각은, ―50°가 실용적인 한계 각도이다. 따라서, 피치 P는,

λg/(1＋0.776ν)＜P＜3λg/(1＋ν) …(6)

의 범위가 바람직하다.

또한, ―1차 모드의 방사각이 0°로 되는 주파수에서는, 슬롯 피치와 파장이 일치한다. 그러므로, 일반적인 LCX에서는, LCX 중의 VSWR이 커져, 실용적이지 않게 된다. 이에 대하여, 실시형태에 관한 LCX에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 방사부(2) 및 차폐부(4)의 물리적 길이인 길이 Ls, Lw를 거의 같게 한다. 방사부(2)의 임피던스 Z1은, 차폐부(4)의 임피던스 Z2에 비해 크다. 따라서, 방사부(2)와 차폐부(4)의 경계면에서는 전반 신호가 약간 반사된다. 예를 들면, 방사부(2)로부터 차폐부(4)로의 전반 신호의 반사 전압 V1은, (Z2―Z1)/(Z2＋Z1)이며, 차폐부(4)로부터 방사부(2)로의 전반 신호의 반사 전압 V2는 (Z1―Z2)/(Z2＋Z1)이다. 반사 전압 V1과 반사 전압 V2는 서로 위상이 역으로 된다. 따라서, 반사파는, LCX 감쇠량(減衰量)이나 다중 반사의 영향을 고려하면 엄밀하게는 0으로는 되지 않지만, 대략 0으로 할 수 있다. 그 결과, VSWR을 억제할 수 있어, ―1차 모드에서의 방사각이 0°로 되는 주파수에서도 이용 가능해진다. 구체적으로는, 실시형태에서는, 피치 P가, LCX 중의 전반 파장의 0.9배 ~ 1.1배의 범위를 이용할 수 있다.

도 4는 실시형태에 관한 LCX를 시작품(試作品)으로 하여, 결합 손실을 측정한 결과를 나타낸다. 작동 주파수는, 520MHz이다. 시작(試作)한 LCX의 내부 도체(10)는, 외경이 약 1.5㎜의 연도선(軟導線)이다. 절연체(12)는, 외경이 약 7.3㎜의 발포 폴리에틸렌이다. 제1 외부 도체(14)는, 외경이 0.14㎜의 주석 도금 연동선(軟銅線)을 소선으로 하여, 지수(持數)가 4, 타수(打數)가 16, 피치가 16㎜로 차폐 밀도가 약 56%의 편조이다. 제2 외부 도체(16)는, LCX의 축 방향의 폭이 약 225㎜이며, 피치 P가 약 450㎜의 동박(銅箔)이다. 시스(18)는, 두께가 약 1㎜, 외경이 약 10㎜m의 폴리염화비닐(PVC)이다.

결합 손실의 측정 방법은, 국제 표준 IEC 61196―4에 준거하고 있다. 시작 LCX와 표준 다이폴 안테나의 이격(離隔) 거리는 1.5m이다. 고주파 신호가 공전(供電)되는 LCX의 일단의 위치를 0으로 하고 있다. 시작 LCX를 지면에 대하여 수평으로 부설하여, 520MHz에서의 수평 편파의 결합 손실을 측정하고 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 급전측으로부터 3m 이격된 위치에서도 결합 손실은 약 60dB를 확보하고 있는 것을 확인할 수 있다.

도 5에는, 시작한 LCX에 대하여, 주파수에 대한 VSWR을 측정한 결과를 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, ―1차 모드에서의 방사각이 0°로 되는 작동 주파수의 520MHz 근방에서는, VSWR의 값은 1.1 정도이며, 극히 작은 것을 확인할 수 있다.

그리고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제1 외부 도체(14) 상에 제2 외부 도체(16)가 배치되어 있다. 그러나, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제2 외부 도체(16)를 절연체(12)에 접하여 배치하고, 제2 외부 도체(16) 및 절연체(12)를 덮도록 제1 외부 도체(14)를 배치해도 된다.

전술한 바와 같이, 제2 외부 도체(16)는 피치 P로 주기적으로 배열된다. 예를 들면, 도 7에 나타낸 바와 같이, 복수의 제2 외부 도체(16)가 플라스틱 등의 절연성 막(20) 상에 주기적으로 배열된 테이프를 준비한다. 이 테이프를 사용하여, 제1 외부 도체(14)에 제2 외부 도체(16)가 접촉되는 방향으로 세로 랩핑하면, 도 1 및 도 6에 나타낸 방사부(2) 및 차폐부(4)의 길이 Ls, Lw를 정확하게 제어할 수 있어, 실시형태에 관한 LCX의 구조를 용이하게 실현할 수 있다.

또한, 도 7에 나타낸 테이프로서, 제2 외부 도체(16)가 배열된 면의 반대측의 절연성 막(20)의 면에 접착층을 형성해도 된다. 예를 들면, 제2 외부 도체(16)가, 도 8에 나타낸 바와 같이, 시스(18) 및 제1 외부 도체(14) 사이에 배치되는 경우, 절연성 막(20)을 접착층에 의해 시스(18)에 접착한다. 또한, 제2 외부 도체(16)가, 도 9에 나타낸 바와 같이, 절연체(12) 및 제1 외부 도체(14) 사이에 배치되는 경우, 절연성 막(20)을 접착층에 의해 절연체(12)에 접착한다. 제2 외부 도체(16)가, 접착층에 의해 시스(18) 또는 절연체(12)에 견고하게 접착되어 있으므로, 방사부(2)나 차폐부(4)의 길이 Ls, Lw, 또는 피치 P의 변동을 미연에 방지할 수 있다. 그 결과, 전자파의 불안정한 방사, 딥핑(dipping)이나 눌점(Null point) 등의 전파가 약한 공간의 발생 등을 억제하여, LCX의 양호한 특성을 장기간에 걸쳐 안정적으로 얻는 것이 가능해진다.

그리고, 제1 외부 도체(14)로서 편조 또는 가로 권취를 사용하고 있지만, 예를 들면, 복수의 도체소선의 세로 랩핑, 도체소선의 메쉬, 또는 복수의 세폭의 도체 테이프의 세로 랩핑 등을 사용해도 된다. 또한, 제2 외부 도체(16)로서 금속막이나 금속박 등의 도체막을 사용하고 있지만, 예를 들면, 납땜 도금막, 도전성 수지막, 또는 도전성 도료막 등을 사용해도 된다.

(그 외의 실시형태)

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시형태를 기재했지만, 이 개시된 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것으로 이해해서는 안된다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시형태, 실시예 및 운용 기술이 명백해 질 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 상기한 설명으로부터 타당한 특허 청구의 범위와 관계되는 발명의 특정 사항에 의해서만 정해지는 것이다.

2: 방사부
4: 차폐부
10: 내부 도체
12: 절연체
14: 제1 외부 도체
16: 제2 외부 도체
18: 시스
20: 절연성 막

Claims

축 방향으로 연신(延伸)되고, 신호가 전반(傳搬)하는 내부 도체;
상기 내부 도체를 덮는 절연체;
상기 절연체의 외주 표면에 있어서, 상기 신호의 일부가 외부로 누설(漏泄)되는 차폐(遮蔽) 밀도로 도체소선(導體素線)을 배치한 제1 외부 도체; 및
상기 제1 외부 도체와 접촉하여 상기 축 방향으로 일정한 피치로 배열되고, 상기 신호를 차폐하는 복수의 제2 외부 도체;
를 포함하고,
상기 축 방향에 있어서, 상기 복수의 제2 외부 도체의 각각의 전기적 길이(electrical length)가 인접하는 상기 제2 외부 도체 사이의 전기적 길이와 같고,
상기 신호의 전반 파장의 자유 공간 파장에 대한 파장 단축율을 ν라고 할 때, 상기 피치가 상기 전반 파장의 ｛1/(1＋0.766ν)｝배 ~ ｛3/(1＋ν)｝배의 범위인,
누설 동축(同軸) 케이블.
제1항에 있어서,
상기 피치가 상기 전반 파장의 0.9배 ~ 1.1배의 범위인, 누설 동축 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 도체소선의 차폐 밀도가 70% 이하의 범위인, 누설 동축 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 외부 도체가 상기 도체소선을 사용한 편조(編組) 또는 가로 권취(卷取)인, 누설 동축 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 외부 도체가 금속막인, 누설 동축 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 외부 도체가 절연성 막 상에 상기 피치로 주기적으로 배열된 도체인, 누설 동축 케이블.
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