KR102301126B1

KR102301126B1 - 평면형 근접장 탐침기를 갖는 고속 데이터 링크

Info

Publication number: KR102301126B1
Application number: KR1020167019321A
Authority: KR
Inventors: 도니 에스. 콜맨
Original assignee: 무그 인코포레이티드
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2021-09-10
Also published as: CA2932622A1; US20160336630A1; KR20160100362A; CA2932622C; CN105993095A; CN105993095B; JP2017503412A; IL246166B; JP6304906B2; WO2015094802A1; EP3066715A1; US10033074B2; IL246166A0; EP3066715B1

Abstract

본 발명은, 두 개의 상대적으로 움직일 수 있는 부재들 사이에서 정의되는 중간영역을 가로질러 전기적 신호들을 전송하기 위한 개량된 비-접촉식 회전 결합기들을 제공한다. 이러한 개량된 비-접촉식 회전 결합기들은 전체적으로, 고속 디지털 데이터 출력 신호를 제공하도록 동작가능하게 구성된 신호 발신부(A)와; 초입 간극(D) 및 종단 간극(E)을 갖는 피제어-임피던스 차동 전송 라인(C)과; 신호 발신부로부터 고속 디지털 데이터 출력 신호를 수신하여 피제어-임피던스 차동 라인의 초입 간극에 공급하도록 동작가능하게 구성된 전력 분할기(B)와; 전송 라인과는 이격된 관계를 가지며 중간영역을 가로질러 전송되는 신호를 수신하도록 구성된 근접장 탐침기(G)와; 그리고 탐침기에 의해 수신되는 신호를 수신하도록 동작가능하게 구성된 수신부 전자기기(H)를 포함하고, 여기서 회전 결합기는 최대 40 GHz까지 초광대역폭 주파수 응답 능력을 나타낸다.

Description

평면형 근접장 탐침기를 갖는 고속 데이터 링크{HIGH-SPEED DATA LINK WITH PLANAR NEAR-FIELD PROBE}

관련 출원에 대한 상호-참조

본 출원은 2013년 12월 17일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/917,026호의 출원일을 최선 출원일로 하는 혜택을 주장한다.

본 발명은 두 개의 상대적으로 움직일 수 있는 부재들(relatively-movable members)(예컨대, 회전자(rotor) 및 고정자(stator)) 사이에 슬라이딩형 전기적 접촉들(sliding electrical contacts)을 사용함이 없이 이들 간에 고속 광-대역폭 전기 신호 전송들(high-speed wide-bandwidth electrical signal transmissions)을 가능하게 하는 개량된 회전 결합기(rotary joint)들에 관한 것이다.

서로에 대해 상대적으로 회전가능한 두 개의 부재들 간에 전기적 신호(electrical signal)들을 전도하기 위한 디바이스들이 본 발명의 기술분야에서 잘 알려져 있다. 일반적으로 회전 결합기(rotary joint)들로서 알려져 있는 이러한 디바이스들은, 다른 것들 중에서도 특히 슬립-링(slip-ring)들 및 트위스트 캡슐(twist capsule)들을 포함한다. 슬립-링들은 부재들 간의 무제한 회전이 요구될 때 전형적으로 사용되고, 반면 트위스트 캡슐들은 부재들 간의 오로지 제한된 회전만이 요구될 때 전형적으로 사용된다.

종래의 슬립-링들은 전형적으로 부재들 사이에 슬라이딩형 전기적 접촉들을 사용한다. 이러한 것은 대부분의 응용물들에서 잘 작동하지만, 더 높은 주파수들에서 전기적 성능을 제한하는 내재적 약점을 가지고 있다. 전기적 접촉들의 물리적 구성은 전형적으로, 신호 무결성(signal integrity)을 저하(degrade)시키는, 임피던스-정합(impedance-matching) 및 대역폭(bandwidth) 제약들을 제공한다. 추가적으로, 슬라이딩형 전기적 접촉들은 내재적으로 마모 부스러기(wear debris) 및 미세-간헐(micro-intermittencies)을 발생시키는데, 이것은 디지털 신호들로부터 데이터를 회수(recover)하는 것을 복잡하게 하고 아울러 신호 무결성 및 내용 연한(service life)에 부정적 영향을 미친다. 이와 같은 문제들은 고속 디지털 신호(high-speed digital signal)들의 빠른 에지-상승(edge-rise) 시간 및 빠른 에지-하강(edge-fall) 시간에 의해 악화되는데, 이것은 슬립-링들의 고-주파수 성능(high-frequency performance)을 제약한다.

접촉-형 슬립-링 기술의 사용을 더 높은 주파수 및 더 높은 데이터 전송률(data transmission rates)까지 확장시키는 다양한 기법들이 존재한다. 이러한 기법들은 대표적으로 아래와 같은 특허 문헌들에서 제시 및 설명된다.

대략 10-Gbps(Gigabits per second, 초당 기가비트 수)의 데이터 전송률에서 디지털 전기적 신호들의 고속 전송을 가능하게 하는 접촉-형 슬립-링 기술들이 존재한다. 그러나, 슬라이딩형 전기적 접촉들에 내재된 문제들(예를 들어, 마모 부스러기 발생 및 접촉 윤활(contact lubrication) 문제들)은 신뢰성(reliability)에 있어 오랜 기간 제약들을 제공하고 있다.

본 발명은 슬라이딩형 전기적 접촉들 없이 회전자와 고정자 간에 고-주파수 전기적 신호들의 전송을 가능하게 한다. 아래의 특허 문헌들은 비-접촉식 회전 결합기 시스템들(non-contacting rotary joint systems)의 실시형태들을 개시한다.

이러한 비-접촉식 시스템들은 신호 발신부(signal source표)와 신호 수신기(signal receiver) 사이의 공간을 가로질러 전송되는 전자기 에너지를 회수하기 위한 디바이스들을 포함한다. 무선 주파수(Radio Frequency)("RF") 통신 시스템들에서, 이러한 디바이스들은 안테나들(혹은 안테나)로 지칭되며, 전형적으로 자유 공간(free space)의 고전적인 원방장 전자기 방사(far-field electromagnetic radiation)에서 동작한다. 이와는 대조적으로, 본 발명은 매우 짧은 거리를 가로질러 전기적 통신들을 실행하기 위해 전자기 근접장(electromagnetic near-field)을 이용하는 회전 결합기들을 제공한다. 전자기 근접장으로부터 에너지를 회수하는 디바이스들은 "전자기장 탐침기들(field probes)" 혹은 간단히 "탐침기들(probes)"이라는 용어로 지칭된다.

전자기 발신부의 리액턴스성 근접장(reactive near-field)에서 기능을 수행하도록 의도된 디바이스들은 이들의 원방장 대응체들과는 다른 형태들을 가지고 있으며, 종래 기술에서는 자기 루프(magnetic loop)들, 전압 탐침기(voltage probe)들, 그리고 저항성-부하가 있는 다이폴(resistively-loaded dipole)들이 알려져 있다. 근접장 응용물들은 RF ID 태그(tag)들 및 보안화된 저속 데이터 전송을 포함하는데, 이들은 근접장에서 자기 유도(magnetic induction)를 이용한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "탐침기"는 전자기 발신부의 근접장에서 동작하는 구조체이고, "안테나"는 대부분 원방장 디바이스들이 되도록 의도된 그러한 방사 구조체(radiation structure)들을 위한 것이다. 본 개시내용의 주된 내용은 비-접촉식 회전 결합기들의 근접장에서 동작하는 전자기장 탐침기들에 관한 것을 포함한다.

종래의 안테나들 및 근접장 탐침기들은 1+ Gbps 데이터 전송률에서 동작할 때 비-접촉식 회전 결합기 시스템들에서 그 사용을 배제하거나 타협하는 여러 가지 행태들을 나타낸다. 이러한 회전 결합기 시스템들은, 멀티-기가비트 디지털 데이터(multi-gigabit digital data)의 필요한 주파수 성분들을 통과시키기 위해 초-광대역(Ultra-WideBand)("UWB") 주파수 응답을 요구하며, 뿐만 아니라 신호의 시간-영역 특성(time-domain characteristics)들을 보전하기 위해 높은 반사 손실(return loss) 및 낮은 왜곡 임펄스 응답(distortion impulse response)을 나타낸다. 추가적으로, 비-접촉식 회전 결합기들은 회전기 간극(rotary gap)을 가로질러 전송되는 에너지를 포획하기 위해 필요한 안테나들 및 전자기 탐침기들의 설계를 복잡하게 하는 특징들을 나타낸다. 전형적으로, 비-접촉식 회전 결합기들은, 회전자와 고정자 사이에서 회전과 함께 전기장 강도 변화를 나타내고, 신호 발신부로부터 전송 라인 종단들까지의 전송 라인들에서 신호들이 파동(wave)들로서 진행함에 따라 방향성 행태(directional behavior)를 나타내며, 그리고 근접장에서는 심지어 불연속적일 수 있다. 고-주파수 비-접촉식 회전 결합기들은 근접장 탐침기들의 설계에 있어 도전해야 할 고유한 것들을 제공하고 있다.

초-광대역 비-접촉식 회전 결합기 응용에서의 이상적인 탐침기는 높은 데이터 전송률에서 성공적인 동작을 위해 일곱 가지 기준들을 충족시켜야만 한다. 이러한 기준들은,

(1) 허용가능한 신호-대-잡음 비(signal-to-noise ratio)를 위해 충분한 에너지를 포획해야만 한다는 것;

(2) 신호의 주요 주파수 성분들을 수용하기에 충분한 대역폭을 가져야만 한다는 것;

(3) 내부 반사(internal reflection)들을 제어하고 신호 무결성을 보전하기 위해 높은 반사 손실을 나타내야만 한다는 것;

(4) 양호한 신호 무결성을 지원하기 위해 낮은 왜곡 임펄스 응답을 나타내야만 한다는 것;

(5) 안정된 신호를 전달하면서 전송기 패턴에서 널(null)들을 수용해야만 한다는 것;

(6) 안정된 출력 신호를 유지하면서 회전기 결합기의 방향성 응답을 수용해야만 한다는 것; 그리고

(7) 앞서의 요건들을 유지하면서 자기 자신의 방향성 영향들을 개선해야만 한다는 것이다.

종래 기술에서의 안테나들 및 근접장 탐침기들은 일반적으로 앞서의 요건들 중 하나 이상의 요건을 충족시키기 못 한다. 대부분 종래 기술의 안테나들 및 탐침기들은 멀티-기가비트 데이터 스트림(multi-gigabit data stream)들의 광대역 에너지를 수용하기 위한 주파수 응답 및 시간-영역 응답이 모두 부족한 협-대역 정상파 디바이스(narrow-band standing-wave device)들이다. 작은 근접장 전압 및 전류 탐침기들은 합리적인 주파수 및 임펄스 응답을 나타낼 수 있지만, 허용가능한 신호-대-잡음 비를 위한 충분한 포획 영역이 부족하다. 현대의 평면 패치(patch)형 및 나비넥타이(bowtie)형 UWB 안테나들은, 근접장 탐침기에 대해 대부분 바람직한 특성들을 나타내지만, 다른 종래 기술의 안테나들 및 탐침기들과 같이, 비-접촉식 회전 결합기들의 방향성 특성들을 내재적으로 처리하지 못하며, 이와 동시에 방사 패턴에서의 널들 혹은 불연속들과 다투어야 한다. 더욱이, 대부분의 안테나들 및 근접장-탐침기들은 높은 주파수들에서 그들 자신의 방향성 행태들을 나타낸다. 이와 같은 방향성 결합기 영향은 또한 비-접촉식 회전 결합기들의 방향성과 관련된 문제들을 더 심각하게 만든다. 앞에서 설명된 영향들의 조합은 전형적인 근접장 탐침기들로부터 출력되는 신호에서의 변화들로서 나타나게 되고, 20 dB을 초과할 수 있으며, 그리고 신호 회수에 있어 상당량의 도전과제들을 제시할 수 있다.

이러한 요건들을 모두 동시에 처리하는 것이 본 발명의 주된 내용이다. 본 발명은 기술 확장을 가져오며 이전의 회전 결합기 해법들의 단점들을 처리한다. 본 발명은 다음과 같은 특징들을 나타내는바,

(1) 신호 경로에 어떠한 전기적 접촉도 없는 고속 회전 결합기를 제공하고;

(2) 높은 주파수들에서 탐침기들 및 안테나들의 방향성 주파수 특성을 개선하고;

(3) 회전 결합기들에서 불연속적인 전자기장 응답(널(null)들)을 수용하고;

(4) 높은 신호-대-잡음 비를 위해 양호한 포획 영역을 갖고;

(5) 허용가능한 반사 손실을 가지고;

(6) 최대 40 GHz까지 초광대역폭 주파수 응답(ultra-wide bandwidth frequency response)을 나타내고;

(7) 초당 10+ 기가비트의 데이터 전송률을 지원할 수 있다.

본 명세서에서는 괄호에 참조 기호들이 사용되는데, 이것은 본 명세서에서 개시되는 실시예의 해당 부분들, 일부분들, 혹은 표면들을 한정의 의미가 아닌 단지 예시적 목적으로 참조하기 위한 것이고, 본 발명은, 두 개의 상대적으로 움직일 수 있는 부재들 사이에서 정의되는 중간영역(interface)을 가로질러 전기적 신호들을 전송하기 위한 개량된 비-접촉식 회전 결합기들을 제공한다. 이러한 개량된 비-접촉식 회전 결합기들은 전체적으로, 고속 디지털 데이터 출력 신호를 제공하도록 동작가능하게 구성된 신호 발신부(signal source)(A)와; 초입 간극(source gap)(D) 및 종단 간극(termination gap)(E)을 갖는 피제어-임피던스 차동 전송 라인(controlled-impedance differential transmission line)(C)과; 신호 발신부로부터 고속 디지털 데이터 출력 신호를 수신하여 피제어-임피던스 차동 라인의 초입 간극에 공급하도록 동작가능하게 구성된 전력 분할기(power divider)(B)와; 전송 라인과는 이격된 관계를 가지며 중간영역을 가로질러 전송되는 신호를 수신하도록 구성된 근접장 탐침기(near-field probe)(G)와; 그리고 탐침기에 의해 수신되는 신호를 수신하도록 동작가능하게 구성된 수신부 전자기기(receiving electronics)(H)를 포함하고, 여기서 회전 결합기는 최대 40 GHz까지 초광대역폭 주파수 응답 능력을 나타낸다.

개량된 결합기들은 인쇄 회로 기판(printed circuit board)을 더 포함할 수 있고, 전력 분할기는 인쇄 회로 기판에 내장(embed)될 수 있다.

개량된 결합기들은 인쇄 회로 기판을 더 포함할 수 있고, 전송 라인은 인쇄 회로 기판에 내장되는 적어도 하나의 종단부(termination)를 가질 수 있다.

개량된 결합기들은 10 Gbps를 초과하는 데이터 전송률을 지원할 수 있다.

탐침기는 전송 라인 밖으로 일정 거리만큼 떨어져 있을 수 있다.

근접장 탐침기는 결정성(deterministic) 혹은 비결정성(nondeterministic) 임의의 패터닝된 기하구조(patterned geometry) 내에 불연속적인 기하구조(discontinuous geometry)를 포함할 수 있다.

근접장 탐침기는 평면인 부분을 가질 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 전반적 목적은, 두 개의 상대적으로 움직일 수 있는 부재들 사이에서 정의되는 중간영역을 가로질러 전기적 신호들을 전송하기 위한 개량된 비-접촉식 회전 결합기들을 제공하는 것이다.

또 다른 목적은, (1) 신호 경로에 어떠한 전기적 접촉도 없는 고속 회전 결합기들을 제공하는 것; (2) 높은 주파수들에서 탐침기들 및 안테나들의 방향성 주파수 특성을 개선하는 것; (3) 회전 결합기들에서 불연속적인 전자기장 응답(널들)을 수용하는 것; (4) 높은 신호-대-잡음 비를 위해 양호한 포획 영역을 갖는 것; (5) 허용가능한 반사 손실을 가지는 것; (6) 최대 40 GHz까지 초광대역폭 주파수 응답을 나타내는 것; (7) 초당 초대 10+ 기가비트까지의 데이터 전송률을 지원할 수 있는 것이다.

이러한 목적들 및 장점들 그리고 다른 목적들 및 장점들은 앞에서 제시된 그리고 아래에서 계속 제시되는 상세한 설명, 도면들, 그리고 첨부된 청구항들로부터 명백하게 될 것이다.

도 1은 개량된 비-접촉식 회전 결합기를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 RF 전송 초입 간극을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 RF 전송 라인 종단 간극을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 불연속적인 기하구조를 갖는 근접장 탐침기를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 종단 간극에서의 신호 결합을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 초입 간극에서의 널 신호 결합을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 국지적 반사에 의해 초입 간극 널이 채워지는 것을 예시한다.
도 8은 집적 회로("IC")가 탐침기 구조에 와이어-본딩된 것을 예시한다.
도 9는 탐침기 구조에 본딩된 플립-칩을 예시한다.
도 10은 다양한 탐침기 구조들에 포함되는 저항성 물질의 수 가지 형태들을 예시한다.
도 11a는 초당 1.0 기가비트에서의 수신된 아이 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 11b는 초당 7.0 기가비트에서의 수신된 아이 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 12a는 저-임피던스 검출기를 이용한 근접장 탐침기 파형들을 나타낸 플롯이다.
도 12b는 고-임피던스 검출기를 이용한 근접장 탐침기 파형들을 나타낸 플롯이다.

먼저, 명확히 이해해야 하는 것으로, 수개의 도면들에 걸쳐 동일한 참조 번호들은 동일한 구조적 요소들, 부분들 혹은 표면들을 일관적으로 식별시키도록 의도되었는데, 이러한 요소들, 부분들 혹은 표면들은 기재되는 전체 명세서에 의해 더 기술될 수 있거나 설명될 수 있으며, 이러한 상세한 설명은 본 명세서에 일체화되는 부분이다. 달리 표시되지 않는다면, 도면들은 명세서와 함께 읽혀지도록 의도되었고(예를 들어, 크로스-해칭(cross-hatching), 일부분들의 구성, 비율, 각도, 등), 그리고 본 발명에 관한 기재되는 전체 설명의 일부분인 것으로 고려돼야 한다. 다음의 설명에서 사용되는 바와 같이, 용어들 "수평", "수직", "좌측", "우측", "상향", "하향", 뿐만 아니라 이러한 용어들의 형용사적 파생어들 및 부사적 파생어들(예를 들어, "수평으로", "우측으로", "상향으로" 등)은 특정 도면이 판독자를 마주 대함에 따라 그 예시된 구조의 배향을 단순히 나타내는 것이다. 유사하게, 용어들 "내부로" 및 "외부로"는 일반적으로 표면의 연장 축 혹은 회전 축에 대한 표면의 배향을 적절히 나타내는 것이다.

일 실시형태에서, 본 발명은 미국 특허 문헌 US 6,437,656 B1에서 개시되는 바와 같은 고속 데이터 링크(High-Speed Data Link)("HSDL")에 기반을 둔 비-접촉식 회전 결합기(Non-Contacting Rotary Joint)("NCRJ")를 제공하며, 상기 특허 문헌에서 설명된 구조보다 향상된 것으로 고려될 수 있다. 이러한 개량은 종래 기술의 HSDL 기법을 확장시키는데, 신호 경로에서 슬라이딩형 전기적 접촉들을 사용함이 없이, 두 개의 상대적으로 움직일 수 있는 부재들 사이에 임의의 개입하는 중간영역을 가로질러 고속 데이터 신호들을 전송하는 것을 포함하도록 확장시킨다. 본 발명은 분할된 차동 마이크로스트립 전송 라인(split differential microstrip transmission line)을 포함하는데, 이러한 전송 라인은 전력 분할기를 통해 신호 발신부에 의해 구동되고, 원거리 말단(far end)에서 저항성으로 종단되며, 본 발명은 또한 수신기를 포함하고, 여기서 수신기는 평면형 차동 전자기장 탐침기를 포함하며, 이러한 탐침기는 전송기 차동 마이크로스트립의 근접장을 감지하고, 그리고 회수된 신호 에너지를 검출용 전자 수신기에 전달한다. 차동 근접장 탐침기는, 원방장에 대한 방사를 소멸(canceling)시키면서 근접장에서의 포획 영역, 대역폭, 임피던스, 반사 손실, 및 과도 응답을 최적화시키기 위해 초광대역 응답을 갖는다. 본질적으로, 근접장 탐침기는 수 기가헤르츠 아래에서는 헤르츠 다이폴(Hertzian dipole)로서 동작하고, 센티미터 파장들에서는 진행파 탐침기(traveling-wave probe)로서 동작한다. 본 발명에서 제공되는 것은 고속 비-접촉식 회전 결합기(High-Speed Non-Contacting Rotary Joint)("HS-NCRJ")인데, 이러한 고속 비-접촉식 회전 결합기("HS-NCRJ")는, 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)("PCB") 기술로 구현될 수 있고, 그리고 최대 40 기가헤르츠(GigaHertz)("GHz")까지의 주파수-영역 대역폭들을 갖는 멀티-기가비트 데이터 전송률을 지원할 수 있다.

근접장 탐침기의 특성들은 비-접촉식 회전 결합기의 다양한 문제적 특성들(여기에는 근접장 응답의 방향성 및 불연적인 성질이 포함됨)을 수용한다. 탐침기는 비-접촉식 회전 결합기에서의 동작들에 혜택을 주는 여러 가지 효과들을 발생시키기 위해 상이한 기하구조들의 사용을 이용하는데, 이러한 효과에 포함되는 것으로는,

(1) 탐침기 공급점(probe feed point) 가까이에서의 의도적인 신호 반사;

(2) 리액턴스성 부하(reactive loading)를 통한 대역폭 증가; 그리고

(3) 리액턴스성 부하 및/또는 저항성 부하를 통한 반사 손실 증가가 있다.

탐침기의 선택된 부분들에서의 상이한 기하구조는 탐침기 내에 신호 반사를 의도적으로 유발시킴으로써 데이터 전송 라인의 불연속적인 전자기장 특성들을 개선한다. 도 1은 비-접촉식 회전 결합기의 성질을 시스템 도면으로서 예시한다.

도 1에서, 신호 발신부(A)는 전력 분할기(B)(이것은 능동형(active) 혹은 수동형(passive)일 수 있음)에 고속 디지털 데이터 신호를 전달하는 역할을 하며, 여기서 신호는 초입 간극(D)을 통과해 피제어-임피던스 차동 전송 라인(C) 안으로 진행한다. 그 다음에, 신호는 차동 전송 라인 링 구조 상에서 횡방향 전자기파(Transverse ElectroMagnetic wave)("TEM")로서 전파되며, 신호는 광대역 종단 기법들(wideband termination techniques)(F)에 의해 원거리-말단 종단 간극(far-end termination gap)(E)에서 종단된다. 링 전송 라인 상에서 진행하는 TEM 신호는 초광대역 평면형 근접장 탐침기(G)에 의해 근접장에서 샘플링(sampling)되고, 여기서 탐침기(G)는 물리적 접촉 없이 회전 결합기의 자유 회전이 가능하도록 링 구조 밖으로 일정 거리만큼 떨어져 있다. 근접장 탐침기에 의해 회수된 신호는 수신기(H)에 전달되고, 여기서 신호가 검출 및 증폭될 수 있고, 신호의 데이터가 회수될 수 있다. 개별 요소들의 동작이 아래에서 설명 및 예시된다.

데이터 발신부 구동기 및 전력 분할기 (Data Source Driver And Power Divider)

데이터 발신부 구동기(A)는 원하는 데이터 전송률을 가능하게 하는 다수의 기술들 중 어느 하나일 수 있으며, 여기에는 전류-모드 로직(Current-Mode Logic)("CML"), 현장-프로그래밍가능 게이트 어레이(Field-Programmable Gate Array)("FPGA"), 저-전압 차동 시그널링(Low-Voltage Differential Signaling)("LVDS") 디바이스, 및 다른 개별 소자들이 포함된다. 데이터 신호는 차동 링 시스템에 공급하기 위한 두 개의 동등한-진폭 위상-반전된 신호들(equal-amplitude phase-inverted signals)로 분할되는데, 이러한 기능은 수동형 저항 분할기들에 의해 행해질 수 있거나, 혹은 능동형 기법들(예를 들어, CML 팬-아웃 버퍼(CML fan-out buffer))에 의해 행해질 수 있다. 예를 들어, 1:2 팬-아웃 버퍼(fan-out buffer)는 단일 데이터 채널을 구동할 수 있고, 반면 더 큰 차수의 팬-아웃 버퍼는 높은 신뢰성의 응용들을 위해 복수의 여분의 채널들을 구동할 수 있다. 앞서와 같은 차동 시그널링의 이점에도 불구하고, 비-접촉식 회전 결합기의 단일-말단형 동작(single-ended operation)이 또한 가능하다. 전력 분할기는 개별 조립체로서 구현될 수 있고, 또는 개별 컴포넌트들 혹은 집적화된 컴포넌트들로 PCB 구조들 상에 통합될 수 있고, 또는 평면형 PCB 기하구조 내에 구현되는 내장된 수동형 컴포넌트(embedded passive component)들일 수 있다. 전력 분할기를 구현하기 위해 사용되는 기술은 컴포넌트 패키지의 기생 리액턴스들(parasitic reactances)로 인해 데이터 채널의 고주파수 동작에 제약을 주게 되는데, 여기서 기생 리액턴스들은 신호 반사들을 일으키고, 이러한 신호 반사들은 더 높은 주파수에서 점진적으로 더 두드러지게 된다. 구동 전자기기, 전력 분할기, 및 전송 라인 종단들은 다양한 기술들(예를 들어, PCB 구조들에서의 관통-홀 컴포넌트(thru-hole component)들 혹은 표면 장착 컴포넌트(surface mount component)들, 혹은 집적화된 컴포넌트들, 또는 평면형 PCB 기하구조 내에 구현되는 내장된 수동형 컴포넌트들)을 사용하여 구현될 수 있고, 이 경우 고주파수 성능 능력은 기생 리액턴스들을 감소시킴으로써 결정된다. 아래의 표는 다양한 기술들의 일반적인 동작 능력들을 정리한 것이다.

피제어 -임피던스 차동 전송 라인 링 시스템(Controlled-Impedance Differential Transmission Line Ring System)

비-접촉식 회전 결합기에서의 링 시스템은 피제어-임피던스 차동 전송 라인이며, 피제어-임피던스 차동 전송 라인은 비-공진형(non-resonant)이고, 불연속적이며, 그리고 전형적으로 마이크로스트립 다층 인쇄 회로 기판 기술(microstrip multilayer printed circuit board technology)로 구현된다. 링 전송 라인의 성질은, 신호 에너지(signal energy)의 대부분이 전도체(conductor)들의 근접장에 포함되게 하는 그러한 것이다. 구조로부터 방사되는 에너지는 원방장에서 소멸하는 경향이 있고, 전자기 간섭(ElectroMagnetic Interference, EMI) 억제(suppression)에 도움을 준다. 링 시스템에서의 전파하는 신호는 도 2 및 도 3에서 제시되는 바와 같이 방향성 성질을 갖는다. 이것은 근접장 탐침기의 설계에 있어 중요한 인자이다.

근접장 탐침기(Near-Field Probe)

근접장 탐침기(G)는 초광대역 근접장 응답을 갖도록 설계된 평면형 구조이고, 링 전송 라인에서의 고속 데이터 전송의 특정 요건들을 충족시킨다. 구체적으로, 근접장 탐침기는, (a) 신호 검출을 위해 충분한 에너지를 회수하기 위해서 적절한 포획 영역을 가져야만 하고, (b) 데이터 스트림의 적어도 제 3 고조파에 대해 충분한 적정 대역폭을 가져야만 하고, (c) 검출기에 적합한 출력 임피던스를 가져야만 하고, (d) 높은 반사 손실을 가져야만 하고, (e) 링의 비-균일 전자기장 응답(non-uniform field response)을 수용하는 근접장 성질을 가져야만 하고, (f) 양호한 임펄스 응답을 가져야만 하고, 그리고 (g) 회전 결합기 및 탐침기 자체 모두의 방향성 신호 성질을 개선해야 한다.

도 4는 초당 수 기가비트의 데이터 전송률에서 동작할 수 있음과 아울러 비-접촉식 회전 결합기들에 내재된 수 가지 도전과제들을 처리할 수 있는 광대역 탐침기 설계의 개념을 예시한다. 도 4에서 "A"로서 제시된 삼각형 부분들은 근접장 탐침기들의 평면형 요소들이다. 탐침기 요소들의 실제 형상은 다수의 형태들을 가질 수 있으며, 이러한 형태들은 특정 응용의 물리적 요건 및 전기적 요건에 따라 달라진다. 본 예에서, 아이템들 "A" 및 "C"로서 제시되는 기하구조들은 서로 다르며, 비-접촉식 회전 결합기의 불연속적인 근접장 응답에 대한 해법의 일부이다.

탐침기의 기능을 이해하기 위해, 종래의 근접장 탐침기의 예가 그 영향들을 보여주는 방식으로서 도 5 및 도 6에서 제시된다. 도 5의 아랫 부분에서는 전송 라인에서의 전송기 신호 흐름의 예가 예시되고 있다. 도 5의 윗 부분에서는 탐침기 내의 수신된 신호 흐름이 제시되어 있다.

더 높은 주파수들에서, 근접장 탐침기는 진행파 안테나와 유사한 방향성 성질을 나타내는데, 여기서 그 유도된 신호의 강도는 신호가 구조를 따라 전파함에 따라 증가한다. 도 5에서, 실선으로 점점 굵어지며 안쪽을 향해 나아가는 화살표들은 유도된 신호들을 표시하고, 신호 레벨은 전송 라인에서 진행하는 데이터 신호에 응답하여 증가한다. 탐침기가 종단 간극 위에 위치하는 경우, 탐침기 내에서 유도되어 서로 반대 방향으로 진행하는 두 개의 신호들은 탐침기 공급점에 도달하고, 동일한 위상(in-phase)으로 결합되어 탐침기로부터 출력되는 신호로서 전달된다. 탐침기가 종단 간극으로부터 멀리 위치하는 경우, 탐침기의 양-방향성 응답은 종단 간극의 각각의 측면에서 각각의 방향으로부터 신호들이 수신될 수 있게 하는데, 이 경우 신호 진폭은 약간 감소한다.

도 5는 또한 탐침기 내에 존재하는 다른 신호들(점선으로 표시되어 있고 화살표를 갖고 있음)을 제시하는데, 이들 신호들은 (탐침기의 말단부들에 도달하여 임피던스 불연속으로 인해 반사되는) 유도된 신호들로부터 발생된 탐침기 내의 반사들을 표시한다. 이러한 반사된 신호들은 탐침기의 반사 손실에 영향을 미치는 다수의 영향들로 인해 진폭이 감소하며 탐침기를 복수 회에 걸쳐 가로질러 반향(reverberate)된다. 이러한 반사들은 원하는 직접 신호(direct signal)와 간섭을 일으키는 원치않은 신호를 구성하고, 더 낮은 진폭으로 시간적으로 변위되어 공급점에서 도착하게 된다. 이러한 내부 반사들은 비-접촉식 회전 결합기들의 데이터 전송률을 제한하는 영향들 중 하나이다.

도 6은 전자기장 탐침기 바로 아래에 전송기 초입 간극이 위치하는 경우 비접촉식 회전 결합기에서 일어나는 또 하나의 다른 문제성 영향을 예시한다. 초입부 바로 위에 있는 경우, 탐침기에 의해 수신된 에너지는 초입부로부터 멀어지도록 전파하고(바깥쪽 방향으로 나아가는 실선의 화살표들), 탐침기 공급점을 향하지 않으며, 작은 신호 출력(탐침기 응답에서의 널(null))을 생성한다. 탐침기를 따라 전파하는 유도된 진행파 신호들은, 탐침기의 말단에서 임피던스 불연속으로 인해 반사되어 탐침기 공급점을 향해 진행하고(안쪽 방향으로 나아가는 점선의 화살표들), 그리고 탐침기를 가로질러 반복적으로 반향된다.

탐침기 말단들에서 임피던스 변화로 인해 반사된 신호들은 부분적으로 탐침기 출력에서 널을 채우지만, 시간적으로 변위되어 있다. 이로 인한 결과는 낮은 신호 진폭 및 시간적 왜곡이며, 이것은 데이터 회수를 복잡하게 한다. 부분적 널에 대한 종래 기술의 해법으로는 자동 이득 제어가 있지만, 반사로 인한 시간 왜곡은 데이터 전송률을 제한하는 중요 요인이다. 본 발명은 이러한 모든 결함들을 바로 잡고, 훨씬 더 빠른 데이터 전송률을 지원한다.

도 7은 본 발명이 불연속적인 기하구조를 사용함으로써 전송기 초입 간극의 문제적 경우를 치유하는 메커니즘을 예시한다.

중앙으로부터 일정 거리만큼 이동된 탐침기 상의 임의의 영역으로부터 신호 반사를 의도적으로 생성하는 것은 (그렇게 하지 않았다면 결과적으로 일어났을) 널을 채울 신호 에너지 제공한다. 신호 출력에 근접하도록 반사 지점을 위치시키는 것은 시간 왜곡이 최소가 되게 하고, 널을 채우며, 이에 따라 데이터 전송률을 제한하는 것들 중 두 가지를 치유하게 된다. 도 7에 있어서 영역 "C"로부터 영역 "B"로의 전이부(transition)에서 탐침기의 서지 임피던스(surge impedance)를 변경시키는 것은, 도 7에서 중앙이 휘어진 화살표로 제시되는 바와 같은 그러한 반사를 생성한다. 임피던스 변화는 영역 "B"에서, 솔더 마스크(solder mask)를 도포함으로써, 또는 도금(plating) 혹은 솔더 코팅(solder coating)에 의한 단면에서의 변화를 줌으로써, 또는 도 7에서 예시되는 바와 같은 그러한 기하구조 패턴 영역들과 같은 기하구조 변화를 도입함으로써 그 정도를 다양하게 하여 달성될 수 있다.

탐침기에서 기하구조의 변화를 도입하는 것은, 서지 임피던스를 변경시키고, 원하는 반사를 제공하며, 하지만 이러한 기하 구조들은 또한 분산된 부하로서의 역할도 하여 시스템의 반사 손실 및 대역폭을 증가시키게 된다. 도 7의 예는 (반사 손실에서의 증가뿐만 아니라 대역폭 확장을 제공하는) 복수의 공진들을 도입하는 역할을 하는 메쉬(mesh)의 사용을 예시한다. 반사 손실 증가는 탐침기 말단들로부터 신호의 반사를 감쇄시키고 반사된 신호의 진폭을 감소시킨다(이러한 반사 손실 증가가 없었다면 그 반사된 신호는 탐침기를 가로질러 반향되었을 것이고 원하는 신호를 간섭하는 간섭 신호를 구성했을 것임). 반사 손실을 증가시킬 뿐만 아니라 원하는 반사를 생성하기 위해 연속적인 저항성 부하가 또한 사용될 수 있지만, 이것은 대역폭 증가의 이점을 제공하지 못한다.

기하구조 패턴들은, 평면형 금속 구조들 내의 구멍(hole)들로서 구현될 수 있거나, 또는 선형 혹은 곡선형 특징부들로서 구현될 수 있으며(예컨대, 도 7에서 제시되는 바와 같은 것), 이들 모두는 탐침기의 통과-대역(pass-band)에서 새로운 공진들을 생성하는 역할을 한다. 공진의 주파수 및 구조의 임피던스는 탐침기 기하구조에 따라 달라지며, 이러한 기하구조는 원하는 특성들을 제공하도록 구현될 수 있다(예를 들어, 고속 데이터 스트림의 원하는 짝수 및 홀수 고조파들에서 공진들을 선택적으로 제공하도록 구현될 수 있음).

프랙탈 기하구조(fractal geometry)가 또한, 근접장 탐침기에서의 패턴으로서 사용될 수 있다. 프랙탈 기하구조는 물리적 기하구조의 생성을 위해 결정성 알고리즘(deterministic algorithm)들을 제공하는 이점을 갖지만, 그 결과적인 대역-통과 공진들을 제어하는 능력은 상대적으로 약하다는 단점이 있다. 프랙탈 구조들에서의 공진들은 고속 데이터 신호의 고조파들을 덜 지원하는 대수 관계(logarithmic relationship)를 갖는 경향이 있다.

현 상태의 기술은 불연속적인 기하구조들을 위한 폐쇄형 설계 실행들(closed form design practices)을 허용하지 않지만, 비-접촉식 회전 결합기 시스템의 최적의 반사 손실 및 주파수 응답을 위해 기하구조 특징부들, 개구(aperture)들, 불연속인 부분들, 및 다른 구조들의 크기, 형상, 개수, 및 배치를 최적화시키는데 전자기 시뮬레이션(electromagnetic simulation)이 사용될 수 있다.

차동 증폭기와 근접장 탐침기의 궁극적인 고주파수 성능은 도 4에서 제시되는 바와 같이 두 개를 함께 연결하는 전송 라인에 의해 부분적으로 제한을 받는다. 탐침기의 임피던스와 증폭기의 입력 임피던스는 주파수 의존적이고, 서로 독립적으로 변하며, 단지 이들을 연결하는 전송 라인의 특성 임피던스에 근사화될 수 있다. 탐침기와 증폭기의 임피던스들이 전송 라인의 특성 임피던스와 다르게 되는 그러한 주파수들에서는, 임피던스 변환(impedance transformation)이 일어날 것인바, 이러한 임피던스 변환은 임피던스 부정합들을 악화시킬 수 있으며 아울러 시스템의 주파수 응답에 부정적 영향을 미칠 수 있다. 이러한 영향은 연결을 행하는 전송 라인의 전기적 길이가 ¼-파장(quarter-wavelength)의 홀수배가 되는 그러한 주파수들에서 가장 강하다. 전송 라인을 짧게 하는 것은 이러한 임피던스 역전 영향(impedance inversion effect)들이 두드러지게 되는 그러한 주파수를 증가시킴으로써 주파수 응답을 개량한다. 궁극적인 고주파수 성능은 탐침기와 전자기기 간의 상호연결들이 가장 짧은 실제 물리적 치수까지 단축될 때 달성되는데, 예를 들어, 직접적으로 탐침기 구조에 와이어-본딩되는 집적 회로들을 사용함으로써 혹은 플립-칩 디바이스(flip-chip device)들을 사용함으로써 달성된다. 도 8 및 도 9에서 각각 제시되는 바와 같은, 와이어 본딩 상호연결들 및 플립-칩 패키징, 그리고 이어지는 글롭-탑 캡슐화(glop-top encapsulation) 혹은 다른 패시베이션 기법(passivation technique)을 통해, 탐침기 시스템의 대역폭은 60-GHz(즉, 5 밀리미터의 파장)만큼 높게 확장될 수 있다.

특정 응용에 따라 그리고 선택된 전송 유형의 대역폭 요건들에 따라, 근접장 탐침기의 기하구조는 조정될 수 있으며 많은 변형들이 가능하다. 근접장 탐침기들은, 전송 라인의 물리적 형태를 보완하기 위해, 다이아몬드형, 원형, 삼각형, 테이퍼(taper)형, 곡선형, 직선(rectilinear)형, 및 다른 형태를 포함하는 다양한 형상들을 가질 수 있다. 유사하게, 대역폭 및 반사 손실을 강화하기 위해 리액턴스성 부하를 구현하기 위한 탐침기 내의 개구들 혹은 특징부들의 패턴들은, 임의 유형의 기하구조를 사용할 수 있고, 종래의 결정성 기하구조 형태들에 의해 제약되지 않으며, 하지만 특정 회전 결합기 전송 라인 특성들 및 특정 신호 유형의 동작 요건들을 제공하기 위해 무작위 형태 혹은 임의적 형태를 포함하는 임의 형태의 불연속적인 기하구조들을 사용할 수 있다. 추가적으로, 패터닝된 기하구조들의 리액턴스성 부하는 전자기장 탐침기의 구성시 연속적인 저항성 부하 물질들을 사용함으로써 증강 혹은 대체될 수 있다. 니켈 합금들 및 탄탈륨 나이트라이드(tantalum nitride)와 같은 저항성 물질들은 전자기장 탐침기의 극단(extreme)들로부터의 반사들을 감쇄시킴으로써 반사 손실 및 시간 영역 응답을 개량할 수 있다. 도 10은, 기하구조 패터닝을 사용하는 혹은 사용하지 않는, 다양한 탐침기 구조들에 통합되는 저항성의 전도성 층의 사용을 예시한다. 다시 언급하자면, 근접장 탐침기의 실제 형상은 응용들의 특정 실시예에 적합하게 많은 형태들을 가질 수 있다. 준-선형 영역(quasi-linear region)들의 존재는 앞에서 설명된 바와 같은 방식의 기능을 보여준다(여기에는 회전 결합기 응용에서 마주치게 되는 불연속적인 전자기장들 및 방향성을 개선하기 위해 의도적인 국지적 반사들을 도입하는 것이 포함됨).

테스트 데이터(Test Data)

다음과 같은 데이터는 도 11a 및 도 11b에서 제시된 아이 다이어그램(eye diagram)들로 시작하여, 비접촉식 회전 결합기에서 동작하는 본 발명의 다양한 성능 실시형태들을 보여주기 위해 제공된다. 아이 다이어그램들은 디지털 데이터 시스템의 성능을 평가하기 위한 표준 기법이다. 도 11a는 초당 1.0 기가비트에서 동작하는 프로토타입(prototype)의 매우 양호한 신호 무결성을 예시하고, 도 11b는 초당 7.0 기가비트에서 동작하는 프로토타입의 매우 양호한 신호 무결성을 보여준다. 시스템 성능은 전자기기의 대역폭에 의해 제한된다.

도 12a 및 도 12b는 각각 저-임피던스 증폭기 및 고-임피던스 증폭기에 의해 근접장 탐침기로부터 수신된 신호들을 예시한다. 도 11a 및 도 11b, 그리고 도 12a 및 도 12b에서 제시되는 데이터는 불연속적인 기하구조를 갖는 평면형 근접장 탐침기를 사용하는 비-접촉식 회전 결합기의 고주파수 성능을 예시한다.

따라서, 본 발명은 두 개의 상대적으로 움직일 수 있는 부재들 사이에서 정의되는 중간영역을 가로질러 전기적 신호들을 전송하기 위한 개량된 비-접촉식 회전 결합기들을 제공한다. 이러한 개량된 비-접촉식 회전 결합기들은 전체적으로, 고속 디지털 데이터 출력 신호를 제공하도록 동작가능하게 구성된 신호 발신부(A)와; 초입 간극(D) 및 종단 간극(E)을 갖는 피제어-임피던스 차동 전송 라인(C)과; 신호 발신부로부터 고속 디지털 데이터 출력 신호를 수신하여 피제어-임피던스 차동 라인의 초입 간극에 공급하도록 동작가능하게 구성된 전력 분할기(B)와; 전송 라인과는 이격된 관계를 가지며 중간영역을 가로질러 전송되는 신호를 수신하도록 구성된 근접장 탐침기(G)와; 그리고 탐침기에 의해 수신되는 신호를 수신하도록 동작가능하게 구성된 수신부 전자기기(H)를 포함하고, 여기서 회전 결합기는 최대 40 GHz까지 초광대역폭 주파수 응답 능력을 나타낸다.

본 발명은, 아래의 청구항들에 의해 정의 및 구분될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 행해질 수 있음을 고려하고 있다.

Claims

두 개의 상대적으로 움직일 수 있는 부재(relatively-movable member)들 사이에서 정의되는 중간영역(interface)을 가로질러 전기적 신호(electrical signal)들을 전송하기 위한 비접촉식 회전 결합기(non-contacting rotary joint)로서,
고속 디지털 데이터 출력 신호(high-speed digital data output signal)를 제공하도록 동작가능하게 되어 있는 신호 발신부(signal source)(A)와;
초입 간극(source gap)(D) 및 종단 간극(termination gap)(E)을 갖는 피제어 임피던스 차동 전송 라인(controlled-impedance differential transmission line)(C)과;
상기 신호 발신부로부터 상기 고속 디지털 데이터 출력 신호를 수신하여 상기 신호 발신부로부터의 상기 고속 디지털 데이터 출력 신호를 상기 피제어 임피던스 차동 전송 라인의 상기 초입 간극에 공급하도록 동작가능하게 되어 있는 전력 분할기(power divider)(B)와;
상기 피제어 임피던스 차동 전송 라인과는 이격된 관계를 가지며 상기 중간영역을 가로질러 전송되는 신호를 수신하도록 되어 있는 근접장 탐침기(near-field probe)(G)와; 그리고
상기 탐침기에 의해 수신되는 신호를 수신하도록 동작가능하게 되어 있는 수신부 전자기기(receiving electronics)(H)를 포함하여 구성되고,
상기 근접장 탐침기는 상기 중간영역을 가로질러 전송된 상기 신호를 수신하기 위한 신호 포획 영역(signal capture area)을 갖고,
상기 신호 포획 영역은 제 1 영역 및 제 2 영역을 갖고,
상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 상이한 기하구조(dissimilar geometry)를 가져, 상기 신호 포획 영역은 불연속적인 기하구조(discontinuous geometry)를 갖게 되고,
상기 회전 결합기는 고속 데이터 전송률(high speed data transmission rates)을 가능하게 하는 초광대역폭 주파수 응답(ultra-wide bandwidth frequency response)을 나타내는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 결합기.
제1항에 있어서,
상기 비접촉식 회전 결합기는 인쇄 회로 기판(printed circuit board)을 더 포함하고,
상기 전력 분할기는 상기 인쇄 회로 기판에 내장(embed)되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 결합기.
제1항에 있어서,
상기 비접촉식 회전 결합기는 인쇄 회로 기판을 더 포함하고,
상기 피제어 임피던스 차동 전송 라인은 상기 인쇄 회로 기판에 내장되는 적어도 하나의 종단부(termination)를 갖는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 결합기.
제1항에 있어서,
상기 고속 데이터 전송률은 10 Gbps를 초과하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 결합기.
제1항에 있어서,
상기 탐침기는 상기 피제어 임피던스 차동 전송 라인 밖으로 일정 거리만큼 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 결합기.
제1항에 있어서,
상기 근접장 탐침기의 상기 신호 포획 영역의 상기 제 1 영역은, 결정성(deterministic) 혹은 비결정성(nondeterministic)인 제 1 기하구조 패턴(geometric pattern)을 갖고,
상기 근접장 탐침기의 상기 신호 포획 영역의 상기 제 2 영역은, 결정성 혹은 비결정성인 제 2 기하구조 패턴을 갖고,
상기 제 1 영역의 상기 제 1 기하구조 패턴과 상기 2 영역의 상기 2 기하구조는 상이한 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 결합기.
제1항에 있어서,
상기 근접장 탐침기의 상기 신호 포획 영역은 평면인 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 결합기.
제1항에 있어서,
상기 근접장 탐침기의 상기 신호 포획 영역의 상기 제 1 영역은 제 1 물질을 포함하고,
상기 근접장 탐침기의 상기 신호 포획 영역의 상기 제 2 영역은 제 2 물질을 포함하고,
상기 제 1 영역의 상기 제 1 물질과 상기 제 2 영역의 상기 제 2 물질은 상이한 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 결합기.
제1항에 있어서,
상기 고속 데이터 전송률은 1 Gbps를 초과하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 결합기.