KR20110048445A

KR20110048445A - 고주파 결합기

Info

Publication number: KR20110048445A
Application number: KR1020100044339A
Authority: KR
Inventors: 히로시 후지카와; 야스오 이와모토; 겐지 나카자와
Original assignee: 에스에무케이 가부시키가이샤
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2011-05-11

Abstract

(과제)
본 발명은, 실장하는 프린트 배선기판의 두께나 재질에 관계없이 범용의 고주파 결합을 사용하여 안정된 특성으로 고주파 신호를 송수신할 수 있는 고주파 결합기를 제공한다.
(해결수단)
프린트 배선기판의 표면에 형성되는 그라운드 패턴과 일정한 간격을 두고 스터브의 연결부를 배치하고, 스터브 상에 쇼트핀을 통하여 결합용 전극을 배치한다. 그라운드 패턴을 프린트 배선기판의 표면에 배치하기 때문에 프린트 배선기판의 재질이나 두께가 다르게 되더라도 전송특성에 영향을 주지 않는다. 그라운드 패턴과 스터브 또는 결합용 전극 사이는 비유전율이 작은 공간이 되기 때문에, 그라운드 패턴을 표면에 형성하여도 정전결합 또는 전계결합 하지 않는다.

Description

고주파 결합기{HIGH FREQUENCY COUPLER}

본 발명은, 정전계(靜電界) 또는 유도전계(誘導電界)를 이용한 UWB 통신 시스템에 사용되는 고주파 결합기(高周波結合器)에 관한 것으로서, 더 상세하게는 초근거리(超近距離)에서 통신 상대측과 전계결합(電界結合) 하는 결합용 전극을 위치결정 하여 지지하는 고주파 결합기에 관한 것이다.

정전계 또는 유도전계를 이용한 UWB 통신(ultra wide band 通信)은 3.1GHz∼10.6GHz의 높은 주파수 대역을 사용하는 것으로서, 100Mbps 정도의 대용량의 무선 데이터 전송을 실현시킨다. 또한 거리에 반비례하여 감쇠(減衰)되는 안테나의 방사전계(放射電界)에 비하여, 유도전계는 거리의 제곱에 반비례, 정전계는 거리의 3승에 반비례하여 감쇠하기 때문에 다른 기기에 대한 영향이 없고, 신호누설에 의한 정보누설도 없기 때문에, 동화상이나 음악의 데이터를 PC 등의 소형정보기기에 입출력하는 통신방식으로서 착안된 것이다.

또한 UWB 통신은 정전계 또는 유도전계를 이용하기 때문에 케이블리스 통신(cableless 通信)으로서 USB 케이블 등을 통하여 접속할 필요가 없고, 송신기측과 수신기측의 한 쌍의 고주파 결합기 사이를 접근시키는 것만으로 고속으로 대용량의 데이터를 전송할 수 있는 통신 시스템으로서 알려져 있다(특허문헌1).

이러한 UWB 통신은, UWB의 전송대역 중에서 3.1 내지 4.9GHz의 UWB 로우밴드(UWB low band)를 전송대역으로 하고, 도6에 나타나 있는 바와 같이 송신기(送信機)(110)의 송신회로부(送信回路部)(111)와 수신기(受信機)(120)의 수신회로부(受信回路部)(121)를, 송신기측 고주파 결합기(112)와 수신기측 고주파 결합기(122)에 의하여 비접촉으로 결합하는 구성으로 되어 있다. 각각의 고주파 결합기(112, 122)는, 평판 모양의 결합용 전극(結合用電極)(113, 123)과, 결합용 전극(113, 123)에 직렬로 접속되는 직렬 인덕터(直列 inductor)(114, 124)와, 병렬로 접속되는 병렬 인덕터(115, 125)로 이루어지고, 송신측과 수신측에 있어서 서로 대칭으로 배치된다. 결합용 전극(113, 123) 사이를 매우 근거리에서 서로 마주 대하도록 배치하면 평행평판 콘덴서(平行平板 condensor)로서 작용하여, 고주파 결합기(112, 122)의 전체에서 밴드패스필터(band pass filter)와 같이 동작하기 때문에 송신회로부(111)와 수신회로부(121) 사이에서 효율적으로 고주파 신호가 전달된다.

여기에서 평판 모양의 결합용 전극(113, 123) 사이의 거리는 3cm 정도의 초근거리이지만, 전송대역인 4GHz의 주파수대에서는 약 1/2 파장에 상당하여 임피던스 부정합(impedance 不整合)에 의한 전송손실의 영향이 크다. 여기에서 결합부에 있어서의 신호의 반사를 감소시키기 위하여 송신회로부(111)로부터 결합용 전극(113)까지의 회로의 특성 임피던스와, 결합용 전극(123)으로부터 수신회로부(121)까지의 회로의 특성 임피던스를 매칭(matching)시켜서 전송효율을 높이고 있다.

그러나 도6에 나타나 있는 회로를 집중정수회로(集中定數回路)로서 간주되는 회로소자에 의하여 형성하면 동작 주파수 대역이 좁아지기 때문에, 고주파 결합기(112, 122)를 도7에 나타나 있는 분포정수회로(分布定數回路)로 바꾸어서 더 광대역에서 동작하는 고주파 결합기(130)를 구성하고 있다. 즉 이면(裏面)이 그라운드 패턴(ground pattern)으로 덮인 프린트 배선기판(print 配線基板)(131)의 표면에 직렬 인덕터(114, 124)와 병렬 인덕터(115, 125) 대신에 분포정수회로로서의 도체 패턴(導體 pattern)으로 이루어지는 스터브(stub)(132)가 인쇄에 의하여 형성되고, 그 일단(一端)이 신호선 패턴(信號線 pattern)(133)을 통하여 송신회로부(111) 또는 수신회로부(121)에 접속되어 있다. 또한 스터브(132)의 타측(他側)은 스루홀(through hole)(134)을 통하여 이면의 그라운드 패턴에 접속되어 쇼트되고, 스터브(132)의 중앙위치에서 도전성 금속판(導電性金屬板)으로 이루어지는 결합용 전극(135)으로부터 하방으로 접어 구부린 다리부(135a)를 솔더링(solding)하여 접속시킴으로써 결합용 전극(135)을 접속하고 있다.

스터브(132)의 길이는 고주파 신호의 1/2 파장으로 되고, 신호선 패턴(133)과 스터브(132)는 이면이 그라운드 패턴으로 덮인 프린트 배선기판(131) 상에 배선됨으로써 마이크로스트립 선로(microstrip line)로서 형성된다. 따라서 그라운드 패턴에 접속되는 선단(先端)에서 쇼트되는 스터브(132)에 발생하는 정재파(定在波)의 전압진폭(電壓振幅)은 결합용 전극(135)이 접속되는 중앙위치에서 최대가 되어 전파효율이 좋은 고주파 결합기(130)가 형성된다.

또 결합용 전극(135)의 다리부(135a)는, 결합용 전극(135)을 프린트 배선기판(131)에 투영시킨 투영형상의 중심위치로부터 하방으로 접어 구부려서 형성되고, 이에 따라 고주파 전송선로가 접속되는 급전점(給電點)과 결합용 전극(135)의 중심 사이에서 결합용 전극(135)의 평면을 따라 불균일한 전류가 흐르는 경우는 없기 때문에, 안테나로서 불필요한 전파를 방사(放射)하는 경우는 없다.

이렇게 구성되는 결합용 전극(135)은, 도전성 금속판을 프레스 가공(press 加工) 등에 의하여 형성한 후에 절곡가공(折曲加工) 하는 것만의 간단한 가공공정에 의하여 얻어지지만, 도7에 나타나 있는 바와 같이 스페이서(spacer)를 사용하여 지지하는 것은 아니기 때문에 프린트 배선기판(4)에 대한 자동실장(自動實裝)이 곤란하여, 기판(4)에 접속된 후에 외력을 받아서 변형하기 용이하게 되어 전송특성이 변화되어버린다.

따라서 도8에 나타나 있는 바와 같이 절연체(絶緣體)로 이루어지는 직육면체 모양의 스페이서(141)의 표면에 도체 패턴을 증착(蒸着) 또는 인쇄에 의하여 결합용 전극(142)을 형성함과 아울러, 이면에 접은 모양으로 구불구불하게 구부러지는 스터브(143)를 증착 등으로 형성하고, 스터브(143)의 배선방향을 따르는 중앙위치와 결합용 전극(142)의 중심을 스페이서(141)를 관통하는 스루홀(144)에 접속시켜서 결합용 전극(142)을 일체로 지지하는 고주파 결합기(140)도 제안되어 있다.

이렇게 구성된 고주파 결합기(140)는, 스터브(143)의 일측(一側)이 프린트 배선기판(145)에 있어서 신호선 패턴(146)의 일단(一端)에, 스터브(143)의 타측(他側)이 프린트 배선기판(145)에 있어서 이면의 그라운드 패턴(147)에 각각 접속되는 접지랜드 패턴(接地 land pattern)(148)과 대향(對向)하여 접속되도록 프린트 배선기판(145) 상에 표면실장 하여 고주파 결합기를 구성하고 있다.

여기에서 프린트 배선기판(145)의 이면 전체를 그라운드 패턴(147)으로 덮음으로써 고주파 결합기가 배치된 전자기기 내에서 프린트 배선기판(145)의 이면측에 배치되는 다른 회로소자나 패턴으로부터 스터브(143)나 결합용 전극(142)에 흐르는 고주파 신호가 차단되어, 이면이 그라운드 패턴(147)으로 덮인 프린트 배선기판(145)의 표면에 스터브(143)나 신호패턴(146)이 형성됨으로써 마이크로스트립 선로가 형성된다.

일본국 공개특허 특개2008-154198호 공보

그러나 상기한 어느 쪽의 고주파 결합기(130, 140)도 이면의 전체에 그라운드 패턴이 형성된 프린트 배선기판(131, 145)의 표면에 실장되기 때문에, 프린트 배선기판(131, 145)의 두께나 재질이 다를 때마다 결합용 전극(135, 142)이나 스터브(132, 143)와의 거리나 비유전율(比誘電率)이 다르게 되고, 이에 따라 스터브(132, 143)의 길이 등 구성되는 회로소자의 회로정수를 다시 설정하지 않으면 안된다.

프린트 배선기판(131, 145)의 표면측에 그라운드 패턴을 형성하면, 결합용 전극(135, 142)과의 거리나 유전율이 일정하게 되어 회로정수를 재검토하지 않아도 되기 때문에 범용의 고주파 결합기를 사용할 수 있지만, 표면측에 스터브(132, 143)가 배치되기 때문에 이것을 실현할 수 없었다.

또한 그라운드 패턴과 결합용 전극(135, 142)의 사이가 접근하게 되기 때문에 그 사이의 정전용량이 커지게 되어, 고주파 신호에 대하여 밴드패스필터로서 작용하는 결합용 전극(135, 142)을 포함하는 회로의 통과대역이 좁아지거나, 결합용 전극(135, 142)으로부터 그라운드 패턴으로 통신신호 전력이 누설된다는 새로운 문제도 발생한다.

또한 도7에 나타나 있는 고주파 결합기(130)는 결합용 전극(135)이 불안정한 상태에서 지지되기 때문에, 예기치 않은 외력을 받아서 변형되기 쉬워지게 되어 프린트 배선기판에 대한 자동실장이 곤란하기 때문에 양산에 적합하지 않다.

이것을 개선한 도8에 나타나 있는 고주파 결합기(140)는, 결합용 전극(142)과 스터브(143)를 스페이서(141)와 일체로 하고 있기 때문에 자동실장이 가능하지만, 결합용 전극(142)의 도형 중심에서 스터브(143)에 접속할 필요가 있기 때문에 그 중심으로부터 하방을 향하여 스페이서(141)를 관통하여 스터브(143)에 도통(導通)시키는 스루홀(144)을 형성할 필요가 있지만, 결합용 전극(142)은 세로 10mm, 가로 13mm 정도의 크기로서, 스루홀(144)을 형성하여 양자를 전기적으로 접속시키는 것은 매우 곤란하여 실용성이 없는 것이 난점이었다.

또한 자동실장을 가능하게 하기 위하여 결합용 전극(142)과 스터브(143) 사이에 비유전율이 높은 절연 스페이서를 삽입시키고 있기 때문에, 양자가 전계결합 하지 않도록 절연 스페이서의 높이를 어느 정도 높게 할 필요가 있어 고주파 결합기(140)를 작게 할 수 없었다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 고주파 결합기를 실장하는 프린트 배선기판의 두께나 재질에 관계없이 범용의 고주파 결합을 사용하여 안정한 특성으로 고주파 신호를 송수신할 수 있는 고주파 결합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 결합용 전극을 간단한 조립으로 확실하게 위치결정 하여 지지하고, 프린트 배선기판 상에 자동실장을 가능하게 한 고주파 결합기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 청구항1에 기재되어 있는 고주파 결합기는, UWB 통신의 통신 상대측과의 사이에서 평행평판 콘덴서(平行平板 condensor)를 형성하는 결합용 전극(結合用電極)과, 결합용 전극에 접속하여 인덕터(inductor)를 형성하는 스터브(stub)를 구비한 고주파 결합기(高周波結合器)로서,

띠 모양의 도전성 금속판(導電性金屬板)으로 이루어지고, 띠 모양의 선단측(先端側)에서 프린트 배선기판(print 配線基板)의 표면에 형성된 그라운드 패턴(ground pattern)에 전기적으로 접속되는 종단접속부(終端接續部)와, 띠 모양의 기단측(基端側)에서 프린트 배선기판의 표면에 형성된 신호패턴(信號 pattern)에 전기적으로 접속되는 신호접속부(信號接續部)와, 프린트 배선기판의 표면으로부터 이간(離間)하여 종단접속부와 신호접속부의 사이에 가설(架設)되는 연결부(連結部)를 구비하는 스터브와, 띠 모양의 연결부의 중앙위치로부터 세워서 설치되는 쇼트핀(short pin)과, 도전성 금속판으로 이루어지고, 프린트 배선기판의 표면과 평행한 자세에서 쇼트핀의 상단부에 연결되고, 연결부의 상방을 소정의 간격을 두고 덮는 결합용 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

스터브의 연결부는 프린트 배선기판의 표면으로부터 이간하기 때문에, 비유전율이 프린트 배선기판의 재료에 비하여 낮은 공간에서 프린트 배선기판의 표면에 형성되는 그라운드 패턴과 격리되어 있다. 또한 결합용 전극도 연결부로부터 세워서 설치된 쇼트핀의 상단에 연결되고, 스터브의 연결부와 결합용 전극 사이에 비교적 유전율이 낮은 공간이 사이에 있기 때문에, 프린트 배선기판의 표면에 그라운드 패턴을 형성하여 결합용 전극에 접근시키더라도 양자의 정전용량이 작아서 정전결합 또는 전계결합 하기 어렵다.

또한 제2항의 고주파 결합기는, 결합용 전극과 스터브의 연결부 표면과의 사이에 테두리부를 구비하는 절연 스페이서(絶緣 spacer)를 배치하고, 결합용 전극의 가장자리의 적어도 일부를 테두리부에 결합하고, 결합용 전극을 프린트 배선기판의 표면과 평행한 자세에서 위치결정 하여 지지하는 것을 특징으로 한다.

절연 스페이서는 테두리 모양으로 형성되어 있기 때문에, 프린트 배선기판의 표면에 실장한 상태에서, 결합용 전극과 스터브 사이는 절연 스페이서를 형성하는 합성수지 등의 절연재료에 비하여 비유전율이 낮은 공간이 되어, 결합용 전극과 프린트 배선기판 표면의 그라운드 패턴은 정전결합 또는 전계결합 하기 어렵다.

또한 결합용 전극은 그 가장자리의 적어도 일부가 절연 스페이서의 테두리부에 결합되어 위치결정 되기 때문에, 외력을 받아도 변형되거나 스터브나 그라운드 패턴에 접근하는 경우가 없어 전송특성이 악화되지 않는다.

또한 제3항의 고주파 결합기는, 쇼트핀의 축 방향의 어느 한 일측(一側)에 플랜지부(flange部)를 형성함과 아울러, 결합용 전극의 도형 중심위치와 스터브의 연결부의 중앙위치에, 각각 플랜지부를 제외한 쇼트핀을 삽입시키는 삽입구멍을 형성하고, 결합용 전극과 스터브의 연결부 사이에 절연 스페이서를 협지(挾持)한 상태에서, 각 삽입구멍에 삽입시킨 쇼트핀의 플랜지부의 타측(他側)을 코킹(caulking)하고, 스터브와 쇼트핀과 결합용 전극을 절연 스페이서에 일체로 조립하는 것을 특징으로 한다.

스터브와 절연 스페이서와 결합용 전극은 적층된 상태에서, 쇼트핀에 있어서 플랜지부의 타측을 코킹함으로써 쇼트핀의 플랜지부와 타측의 코킹부 사이에 끼워져 있어, 스터브와 쇼트핀과 결합용 전극은 절연 스페이서에 일체로 조립된다.

또한 제4항의 고주파 결합기는, 스터브의 연결부는, 연결부의 중앙위치에서 점대칭(點對稱)의 구불구불한 모양으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

연결부를 구불구불한 형상으로 하기 때문에 통신대역의 고주파 신호의 λ/2, λ/4의 길이로 하는 스터브를 소형화 할 수 있어, 그 상방의 결합용 전극을 대형화 하지 않고 전체가 덮어진다.

구불구불한 형상이 연결부의 대략 중앙위치에서 점대칭이기 때문에, 띠 모양의 선단측의 종단접속부와 기단측의 신호접속부를 각각 반대로 신호패턴과 그라운드 패턴에 전기적으로 접속하더라도 동일한 특성이 얻어진다.

청구항1의 발명에 의하면, 다양한 두께나 재질의 프린트 배선기판에 대하여 동일한 구조의 고주파 결합 유닛을 실장하더라도 통신특성이 악화되지 않아, 범용의 고주파 결합 유닛을 임의의 프린트 배선기판에 실장할 수 있다.

종래의 절연 스페이서를 구성하는 절연수지인 스터브와 결합용 전극 사이 및 프린트 배선기판 재료인 스터브와 그라운드 패턴 사이가 공극(空隙)이 되어 절연수지, 프린트 배선기판 재료와 비교하여 비유전율이 작아지기 때문에, 그라운드 패턴이 표면에 형성되어 결합용 전극과의 거리가 접근하더라도 정전용량이 커지지 않아, 그라운드 패턴과의 정전결합 또는 전계결합에 의한 통신특성의 악화가 없다.

또한 그라운드 패턴과 결합용 전극의 사이를 접근시켜도 결합용 전극으로 송수신하는 전력은 그라운드 패턴으로 누설되기 어렵게 되어, 프린트 배선기판을 포함한 전체의 두께를 얇게 하더라도 통신특성이 악화되지 않는다.

청구항2의 발명에 의하면, 절연 스페이서의 테두리부가 결합용 전극의 가장자리에 결합되어 위치결정을 하기 때문에, 결합용 전극과 스터브의 사이를 비유전율이 낮은 공극으로 할 수 있다.

또한 결합용 전극은, 그 가장자리의 일부가 절연 스페이서의 테두리부에 결합되어 프린트 배선기판의 표면과 평행한 자세에서 위치결정 되기 때문에, 외력을 받아도 변형되기 어렵게 되어 전송특성이 변화되지 않는다.

또한 절연 스페이서에 의하여 전체가 일체화 되기 때문에, 프린트 배선기판의 표면에 자동실장 할 수 있다.

청구항3의 발명에 의하면, 쇼트핀을 스터브와 절연 스페이서와 결합용 전극에 삽입하여, 플랜지부의 타측을 코킹하는 것만의 간단한 조립공정으로 전체를 일체화 할 수 있다.

청구항4의 발명에 의하면, 연결부를 구불구불한 형상으로 하기 때문에, 통신대역의 λ/2, λ/4의 길이로 하는 스터브를 소형화할 수 있다. 따라서 공중선(空中線)으로서 작용하지 않도록 대형화 할 수 없는 결합용 전극의 프린트 배선기판에 대한 투영면 내에 스터브의 연결부를 확실하게 수용할 수 있다.

또한 스터브의 연결부를, 연결부의 대략 중앙위치에서 점대칭 형상으로 함으로써 선단측과 기단측의 방향성이 없어지게 되어 어느 측을 신호패턴과 그라운드 패턴에 접속시키더라도 오접속(誤接續)이 되지 않는다.

도1은 프린트 배선기판(10)에 실장하는 본 발명의 한 실시예에 관한 고주파 결합기(1)의 분해 사시도이다.
도2는 프린트 배선기판(10)에 실장한 고주파 결합기(1)의 평면도이다.
도3은 고주파 결합기(1)의 평면도이다.
도4는 고주파 결합기(1)의 분해 측면도이다.
도5는 프린트 배선기판(10)에 실장한 고주파 결합기(1)를 도3의 A-A선에서 절단한 종단면도이다.
도6은 고주파 결합기(112, 122)의 회로도이다.
도7은 종래의 고주파 결합기(130)를 나타내는 사시도이다.
도8은 종래의 고주파 결합기(140)를 나타내는 사시도이다.

이하, 본 발명의 하나의 실시예에 관한 고주파 결합기(1)를 도1 내지 도6을 사용하여 설명한다. 이 고주파 결합기(高周波結合器)(1)는, 전송대역(傳送帶域) 중에서 3.1 내지 4.9GHz의 UWB 로우밴드(UWB low band)를 전송대역으로 하는 정전계(靜電界) 또는 유도전계(誘導電界)를 이용한 UWB 통신에 있어서, 도6에 나타나 있는 고주파 결합기(112, 122)의 집중정수회로(集中定數回路)를 분포정수회로(分布定數回路)로 하여, 결합용 전극(結合用電極)(113, 123)에 상당하는 결합용 전극(2)과, 직렬 인덕터(直列 inductor)(114, 124)와 병렬 인덕터(竝列 inductor)(115, 125)에 상당하는 스터브(stub)(7)를 절연 스페이서(絶緣 spacer)(3)를 사이에 두고 일체(一體)로 조립하여 이루어지는 것이다.

상기한 바와 같이 송신기(送信機)(110)의 송신회로부(送信回路部)(111)와 수신기(受信機)(120)의 수신회로부(受信回路部)(121) 상호간의 UWB 통신에서는, 송신기측 고주파 결합기(112)와 수신기측 고주파 결합기(122)의 결합용 전극(113, 123)을 3cm 정도의 초근거리(超近距離)에서 대향(對向)하도록 배치하여 양자로 하여금 평행평판 콘덴서(平行平板 condensor)를 구성한다. 결합용 전극(113, 123)과 송신회로부(111) 또는 수신회로부(121) 사이에는, 직렬 인덕터(114, 124)가 직렬로, 병렬 인덕터(115, 125)가 병렬로 각각 접속되기 때문에, 고주파 결합기(112, 122) 전체에서 밴드패스필터(band pass filter)와 같이 동작하여 송신회로부(111)와 수신회로부(121) 사이에서 효율적으로 고주파 신호가 전달된다.

여기에서 고주파 결합기(112, 122)를 도6에 나타나 있는 집중정수회로로 하는 각 회로소자로 구성하면 동작 주파수 대역이 좁아지기 때문에 광대역에서 동작하도록 분포정수회로로 생각하여, 도1에 나타나 있는 고주파 결합기(1)로 구성하고 있다. 즉 동(同) 도면에 나타나 있는 바와 같이 고주파 결합기(1)는, 판금(板金) 모양의 결합용 전극(2)과, 결합용 전극(2)의 가장자리와 결합하고 결합용 전극(2)을 수평으로 위치결정 하여 지지하는 절연 스페이서(3)와, 띠 모양의 도전성 금속판(導電性金屬板)으로 이루어지는 스터브(7)와, 스터브(7)의 대략 중앙위치로부터 세워서 설치되어 상단부(上端部)(4a)가 결합용 전극(2)의 도형 중심에 연결되는 쇼트핀(short pin)(4)으로 이루어지도록 되어 있다.

결합용 전극(2)은, 도전성을 구비하는 두께 0.15mm 정도의 인청동(燐靑銅) 등의 금속판을 가로·세로 10mm 전후의 대략 정사각형 모양으로 펀칭(punching)하여 형성하고 있다. 이렇게 결합용 전극(2)을 소형의 형상으로 하는 것은, 결합용 전극(2)이 대형화하여 평면의 면적이 확대되면 결합용 전극(2)이 안테나로서 작용하여 고주파 신호가 누설될 우려가 있기 때문이다. 또한 이 펀칭공정을 전후하여 대략 정사각형의 도형 중심이 되는 위치에, 표면으로부터 이면을 향하는 버링가공(burring 加工)에 의하여 쇼트핀(4)을 삽입시키는 원기둥 구멍(6)을 형성하고 있다.

쇼트핀(4)은 도전성 금속재료로 이루어지는 원기둥체를 절삭(切削)하여 가공하고, 원기둥 구멍(6)에 헐겁게 삽입될 정도의 외경을 갖는 상단부(4a)와, 상단부(4a)의 하방에서 상단부(4a)보다 가는 직경의 축부(軸部)(4b)와, 상부 테두리를 따라 원기둥 구멍(6)보다 큰 직경의 플랜지부(flange部)(4c)를 일체(一體)로 형성하고 있다.

절연 스페이서(3)는, 내열성 액정 폴리머(耐熱性液晶 polymer)(CCP) 등 내열성(耐熱性)이 있고 또한 절연성이 있는 합성수지에 의하여 도1에 나타나 있는 바와 같이 결합용 전극(2)의 주위를 따르는 대략 정사각형의 테두리부(31)와, 테두리부(31)의 대향하는 어느 한쪽의 1쌍의 가이드 테두리(31a, 31a)와 평행하게 테두리부(31) 내에 가설(架設)되는 지지 테두리부(32)가 일체로 성형되어 있다. 지지 테두리부(32)는 중간을 링 모양으로 함으로써 쇼트핀(4)의 축부(4b)가 삽입될 수 있는 관통구멍(33)이 형성되고, 이 링 모양의 양측의 이면(裏面)에 후술하는 스터브(7)의 위치결정구멍(8b)에 삽입되는 위치결정돌기(32a, 32a)가 수직으로 형성되어 있다.

또한 한 쌍의 가이드 테두리(31a, 31a)에는, 그 외측벽을 따라 각각 가이드 리브(guide rib)(34, 34)가 일체로 세워서 형성되어 있다. 이 가이드 리브(34, 34) 사이의 절연 스페이서(3) 상에 결합용 전극(2)을 배치하면, 결합용 전극(2)의 원기둥 구멍(6)과 관통구멍(33)이 연직방향으로 통하고, 원기둥 구멍(6)과 관통구멍(33)에 쇼트핀(4)을 삽입시킴으로써 결합용 전극(2)은 수평방향으로 흔들림이 없도록 그 위치가 결정된다. 가이드 테두리(31a, 31a)의 각 이면의 중앙에는, 고주파 결합기(1)를 프린트 배선기판(print 配線基板)(10)의 표면에 실장하였을 때에 상기 표면에 접촉하여 절연 스페이서(3)를 수평한 자세로 지지하는 지지돌기(35, 35)가 수직으로 형성되어 있다.

스터브(7)는, 프레스 성형(press 成形)에 의하여 도전성 금속판을 띠 모양으로 펀칭한 후에, 띠 모양의 양측을 크랭크 모양으로 비스듬히 아래쪽으로 접어 구부려서 도1에 나타나 있는 종단접속부(終端接續部)(7a)와, 신호접속부(信號接續部)(7b)와, 종단접속부(7a) 및 신호접속부(7b) 사이에 가설되는 연결부(連結部)(8)를 형성한 것으로서, 연결부(8)의 중앙부에 상방을 향하여 상부가 절단된 원추형의 원환부(圓環部)(8a)를 돌출시켜서 더 형성하고 있다. 원환부(8a)로 함으로써, 그 중심측에 형성되는 삽입구멍(9)은 쇼트핀(4)의 축부(4b)를 삽입시킬 수 있는 내경(內徑)으로 되어 있다. 또한 원환부(8a)의 외경(外徑)은 상기 절연 스페이서(3)의 관통구멍(33)보다 약간 짧고, 이에 따라 스터브(7)의 연결부(8) 상에 절연 스페이서(3)를 배치하면, 원환부(8a)가 관통구멍(33) 내에 느슨하게 삽입되어, 관통구멍(33)과 삽입구멍(9)은 연직방향의 동축선(同軸線) 상에서 통한다.

종단접속부(7a)와 신호접속부(7b)를 포함하는 띠 모양의 스터브(7) 전체의 길이는, 전송대역인 4GHz의 주파수대(周波數帶)의 약 1/2 파장 또는 1/4 파장으로 하는 것이 바람직하지만, 적어도 연결부(8)의 상방이 가로, 세로 10mm 전후의 크기의 결합용 전극(2)으로 덮어지도록 연결부(8)를 구불구불한 형상으로 하고, 본 실시예에서는 구불구불하게 한 배선방향을 따르는 길이가 대략 전송대역의 고주파 신호의 대략 1/4 파장에 상당하는 2cm가 되도록 형성하고 있다. 연결부(8)의 종단접속부(7a) 및 신호접속부(7b)가 연속하도록 형성되는 부위에는, 각각 지지 테두리부(32)의 위치결정돌기(32a, 32a)가 삽입되는 위치결정구멍(8b)이 형성되고, 절연 스페이서(3)는 위치결정돌기(32a, 32a)를 위치결정구멍(8b)에 삽입함으로써 연직축 둘레에서 그 위치가 결정된 상태에서, 지지 테두리부(32)가 스터브(7)의 연결부(8) 상에 배치된다.

도1에 나타나 있는 바와 같이 구불구불한 형상으로 된 연결부(8)와 그 양측에 연속하도록 형성되는 종단접속부(7a) 및 신호접속부(7b) 전체는, 스터브(7)의 중심 즉 원환부(8a)의 중심에 대하여 점대칭(點對稱)으로 형성됨으로써 띠 모양의 선단측(先端側)과 기단측(基端側)이 방향성이 없어지기 때문에, 후술하는 프린트 배선기판(10)의 표면에 실장할 때에 선단측과 기단측의 방향을 고려하지 않고, 어느 측에서도 종단접속부(7a) 또는 신호접속부(7b)로 할 수 있다.

고주파 결합기(1)를 실장하는 프린트 배선기판(10)은, 인출부(引出部)(10a)를 기단측(도2에 있어서 하측)으로 돌출시켜서 돌출된 직사각형으로 형성되고, 그 표면의 대략 전체가 그라운드 패턴(ground pattern)(11)으로 덮여 있다. 이것은, 전자기기 내에서 프린트 배선기판(10)의 이면측에 배치되는 다른 회로소자나 패턴으로부터 스터브(7)나 결합용 전극(2)에 흐르는 고주파 신호를 완전하게 차단하는 것이다. 프린트 배선기판(10)의 선단측에는 그라운드 패턴(11)에 접속되는 접지랜드 패턴(接地 land pattern)(11a)이 형성되고, 또한 인출부(10a)에는 그라운드 패턴(11)과 프린트 배선기판(10)의 표면 상에서 일정한 간격을 두고 신호패턴(信號 pattern)(12)과 신호패턴의 선단측에 연속하는 신호랜드 패턴(信號 land pattern)(12a)이 형성되어 있다. 그라운드 패턴(11)과 일정한 간격을 두고 배선된 신호패턴(12)은 마이크로스트립 라인(microstrip line)을 형성하고, 인출부(10a)로부터 도면에 나타나 있지 않은 동축 커넥터(同軸 connector)를 통하여 도6의 송신회로부(111) 또는 수신회로부(121)에 접속되어 있다.

이하, 프린트 배선기판(10)의 표면에 실장하는 상기 구성의 고주파 결합기(1)를 조립하는 방법을 설명한다. 먼저 스터브(7)의 위치결정구멍(8b)에 절연 스페이서(3)의 위치결정돌기(32a, 32a)를 삽입시켜서 스터브(7)의 연결부(8) 상에 절연 스페이서(3)를 배치하고, 또한 절연 스페이서(3)에 있어서 한 쌍의 가이드 리브(34, 34) 사이에 결합용 전극(2)을 배치하여, 하방으로부터 스터브(7), 절연 스페이서(3), 결합용 전극(2)의 순서로 적층(積層)한다.

이렇게 적층된 상태에서, 스터브(7)의 원환부(8a)는 절연 스페이서(3)의 관통구멍(33) 내에 느슨하게 삽입되어, 스터브(7)의 삽입구멍(9)과 절연 스페이서(3)의 관통구멍(33)과 결합용 전극(2)의 원기둥 구멍(6)이 연직방향으로 동축선 상에서 통하기 때문에, 원기둥 구멍(6)의 상방으로부터 쇼트핀(4)의 축부(4b)를 삽입하여 축부(4b)의 하단을 삽입구멍(9)의 하방으로 돌출시킨다. 쇼트핀(4)의 플랜지부(4c)는 원기둥 구멍(6)의 내경보다 직경이 크기 때문에, 삽입구멍(9)으로부터 돌출된 축부(4b)의 하단을 코킹(caulking)하여 적층하는 상기 스터브(7)와 절연 스페이서(3)와 결합용 전극(2)을 쇼트핀(4)의 플랜지부(4c)와 코킹된 축부(4b)의 사이에서 협지(挾持)하여 서로를 고정한다.

이러한 코킹공정에 의하여 상하로 적층된 스터브(7), 절연 스페이서(3) 및 결합용 전극(2)은 쇼트핀(4)에 끼워져 있어서 상하방향으로 고정되고 또한 절연 스페이서(3)에 대하여 한 쌍의 가이드 테두리(31a, 31a) 사이에 끼워지는 결합용 전극(2)과, 위치결정구멍(8b)에 위치결정돌기(32a, 32a)가 삽입되는 스터브(7)는 연직축 둘레에서 고정되어 전체가 일체로 위치가 결정되어 고정된다. 동시에, 도5에 나타나 있는 바와 같이 쇼트핀(4)의 플랜지부(4c)는 결합용 전극(2)의 원기둥 구멍(6) 주위에 전기적으로 접속되고, 축부(4b)가 코킹된 하단부분이 스터브(7)의 원환부(8a)의 내측 정상면에 전기적으로 접속되기 때문에 띠 모양의 스터브(7)의 대략 중앙위치가 결합용 전극(2)의 도형 중심으로 쇼트핀(4)을 통하여 전기적으로 접속된다.

상기한 바와 같이 고주파 결합기(1)는 간단한 쇼트핀(4)의 코킹공정에 의하여 전체가 일체화되어, 자동실장에 의하여 접지랜드 패턴(11a)과 신호랜드 패턴(12a)이 표면에 형성된 프린트 배선기판(10)에 표면실장 될 수 있다. 고주파 결합기(1)를 프린트 배선기판(10)에 실장하는 공정은, 접지랜드 패턴(11a)과 신호랜드 패턴(12a) 상에 크림 솔더링(cream soldering)을 부착한 후에, 접지랜드 패턴(11a) 상에 스터브(7)에 있어서 선단측의 종단접속부(7a)가 배치되도록 또한 신호랜드 패턴(12a) 상에 스터브(7)에 있어서 기단측의 신호접속부(7b)가 배치되도록 고주파 결합기(1)를 프린트 배선기판(10)의 표면 상에 배치하고, 전체를 리플로우 로(reflow 爐)에 통과시켜서 고주파 결합기(1)를 표면실장 한다. 또한 리플로우 공정 전에 고주파 결합기(1)를 프린트 배선기판(10)의 표면 상에 배치하는 방향은, 상기한 바와 같이 스터브(7)가 원환부(8a)의 중심에 대하여 점대칭으로 형성되어 있기 때문에, 선단측과 기단측의 방향을 고려하지 않고 접지랜드 패턴(11a)과 신호랜드 패턴(12a) 상에 띠 모양의 양측을 배치시키면 좋다.

리플로우 공정을 거쳐서, 프린트 배선기판(10)에 있어서 표면의 접지랜드 패턴(11a)과 인출부(10a)에 형성된 신호랜드 패턴(12a)에 각각 스터브(7)의 종단접속부(7a)와 신호접속부(7b)가 솔더링에 의하여 접속된다. 이에 따라 종단접속부(7a)와 신호접속부(7b) 사이에 가설되는 스터브(7)의 연결부(8)는, 표면의 그라운드 패턴(11)과 일정한 간격을 두고 배치되어 신호패턴(12)에 의하여 인출되는 신호선로의 특성 임피던스에 매칭(matching)되는 마이크로스트립 선로가 형성된다. 또한 스터브(7)의 선단은 접지(接地)되고, 스터브(7)의 배선방향을 따르는 길이가 전송대역의 고주파 신호의 대략 1/4 파장에 상당하는 길이로 되어 있기 때문에, 스터브(7)와 신호패턴(12)의 결합부나 스터브(7)의 선단부에 있어서 반사되는 경우는 없어, 스터브(7)의 배선방향을 따라 그 중앙위치에서 최대의 전압진폭이 되는 정재파(定在波)가 발생한다. 또한 그 중앙위치에 쇼트핀(4)을 통하여 결합용 전극(2)이 전기적으로 접속되기 때문에 효율적으로 고주파 신호를 전송할 수 있다.

본 실시예에 관한 고주파 결합기(1)에 의하면, 표면에 그라운드 패턴이 형성되어 있는 프린트 배선기판에 실장하더라도 결합용 전극(2)과 그라운드 패턴(11) 사이는 비유전율(比誘電率)의 낮은 공간으로 되어 있기 때문에, 결합용 전극(2)과 그라운드 패턴(11) 사이가 전계결합(電界結合) 하지 않는다. 따라서 프린트 배선기판의 두께나 재질에 관계없이 전송특성이 안정되어 임의의 프린트 배선기판을 사용할 수 있다. 또한 결합용 전극(2)과 그라운드 패턴(11) 사이가 접근하더라도 전계결합 하기 어렵기 때문에, 고주파 결합기(1)를 소형으로 그리고 높이를 낮게 할 수 있다.

또한 종래의 프린트 배선기판에는 표면에 스터브가 형성되어 있고 또한 이면에 그라운드 패턴이 형성되어 있기 때문에, 그 사이에는 프린트 배선기판을 구성하는 비유전율이 높은 절연재료가 있어 전계결합 하기 쉬우므로, 프린트 배선기판은 스터브에 흐르는 고주파 신호가 그라운드 패턴으로 누설되지 않는 어느 정도의 두께가 필요하였다. 한편 본 실시예에 관한 고주파 결합기(1)에 의하면, 스터브(7)와 그라운드 패턴(11) 사이를 비유전율이 낮은 공극(空隙)으로 하여 프린트 배선기판(10)은 임의의 두께로 할 수 있기 때문에, 박형화(薄型化) 함으로써 프린트 배선기판의 두께를 포함한 고주파 결합기(1)의 전체 높이를 낮게 할 수 있다.

또한 판금모양의 결합용 전극(2)의 주위가 절연 스페이서(3)에 의하여 위치가 결정되어 지지되기 때문에, 자동실장이 가능하게 되고 또한 뜻하지 않은 외력을 받아도 변형되는 경우는 없다.

또한 결합용 전극(2)의 도형 중심에 있어서, 고주파 전송선로인 스터브(7)와 전기적으로 접속되기 때문에 급전점(給電點)과 결합용 전극(2)의 중심 사이에서 결합용 전극(2)의 평면을 따라 불균일한 전류가 흐르는 경우가 없어, 안테나로서 불필요한 전파를 방사(放射)하는 경우는 없다.

상기 실시예에서는 절연 스페이서(3)를 사용하여 결합용 전극(2)을 위치결정 하여 지지하고 있지만, 쇼트핀(4)으로 스터브(7)의 연결부(8) 상에 결합용 전극(2)을 지지할 수 있다면 반드시 절연 스페이서(3)를 사용하지 않아도 좋다.

또한 그 쇼트핀(4)은 결합용 전극(2)과는 별도로 형성하고 있지만, 도전성 금속판을 드로잉 가공(drawing 加工)하는 등의 공정에 의하여 쇼트핀(4)을 결합용 전극(2)과 일체로 형성하여도 좋다.

또한 결합용 전극(2)과 스터브(7)의 조립은 쇼트핀(4)의 하단을 코킹하였지만, 일체화 하는 수단은 이것에 한정되지 않는다.

정전계 또는 유도전계를 이용한 UWB 통신 시스템에 사용되는 고주파 결합기에 적합하다.

1 : 고주파 결합기
2 : 결합용 전극
3 : 절연 스페이서 4 : 쇼트핀
4a : 축부 4c : 플랜지부
6 : 원기둥 구멍 7 : 스터브
7a : 종단접속부 7b : 신호접속부
8 : 연결부 9 : 삽입구멍
10 : 프린트 배선기판 11 : 그라운드 패턴
11a : 접지랜드 패턴 12 : 신호패턴
12a : 신호랜드 패턴

Claims

UWB 통신의 통신 상대측과의 사이에서 평행평판 콘덴서(平行平板 condensor)를 형성하는 결합용 전극(結合用電極)과, 상기 결합용 전극에 접속하여 인덕터(inductor)를 형성하는 스터브(stub)를 구비한 고주파 결합기(高周波結合器)로서,
띠 모양의 도전성 금속판(導電性金屬板)으로 이루어지고, 띠 모양의 선단측(先端側)에서 프린트 배선기판(print 配線基板)의 표면에 형성된 그라운드 패턴(ground pattern)에 전기적으로 접속되는 종단접속부(終端接續部)와, 띠 모양의 기단측(基端側)에서 상기 프린트 배선기판의 표면에 형성된 신호패턴(信號 pattern)에 전기적으로 접속되는 신호접속부(信號接續部)와, 상기 프린트 배선기판의 표면으로부터 이간(離間)하여 종단접속부와 신호접속부의 사이에 가설(架設)되는 연결부(連結部)를 구비하는 스터브와,
띠 모양의 상기 연결부의 중앙위치로부터 세워서 설치되는 쇼트핀(short pin)과,
도전성 금속판으로 이루어지고, 상기 프린트 배선기판의 표면과 평행한 자세에서 상기 쇼트핀의 상단부에 연결되고, 상기 연결부의 상방을 소정의 간격을 두고 덮는 결합용 전극을
구비하는 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.
제1항에 있어서,
상기 결합용 전극과 상기 스터브의 연결부 표면과의 사이에 테두리부를 구비하는 절연 스페이서(絶緣 spacer)를 배치하고,
상기 결합용 전극의 가장자리의 적어도 일부를 상기 테두리부에 결합하고, 상기 결합용 전극을 상기 프린트 배선기판의 표면과 평행한 자세에서 위치결정 하여 지지하는 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.
제2항에 있어서,
쇼트핀의 축 방향의 어느 한 일측(一側)에 플랜지부(flange部)를 형성함과 아울러,
상기 결합용 전극의 도형 중심위치와 상기 스터브의 연결부의 불명확한 표현 중앙위치에, 각각 플랜지부를 제외한 쇼트핀을 삽입시키는 삽입구멍을 형성하고,
상기 결합용 전극과 상기 스터브의 연결부 사이에 절연 스페이서를 협지(挾持)한 상태에서, 각 삽입구멍에 삽입시킨 상기 쇼트핀의 플랜지부의 타측(他側)을 코킹(caulking)하고,
상기 스터브와 상기 쇼트핀과 상기 결합용 전극을 절연 스페이서에 일체로 조립하는 것을
특징으로 하는 고주파 결합기.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 스터브의 연결부는, 상기 연결부의 중앙위치에서 점대칭(點對稱)의 구불구불한 모양으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.