KR20210065039A - 회전형 데이터 전송 소자 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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KR20210065039A
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아르템 루돌포비취 빌렌스키
이종민
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Abstract

개시된 회전형 데이터 전송 소자는, 서로 마주하는 제1면과 제2면을 가지며 중심부에 상기 제1면으로부터 상기 제2면을 관통하는 제1 관통홀을 구비하는 제1 금속 중공 도파관을 포함하는 제1 구조물; 상기 제1 구조물의 회전 구동을 지지하거나 상기 제1 구조물에 의해 회전 구동이 지지되도록 상기 제1 구조물과 결합되는 제2 구조물; 상기 제1면과 소정 거리를 두고 마주하며 상기 제1 구조물과 결합된 것으로, 제1 인쇄회로기판, 제1 메타도파관, 제1 트랜시버를 포함하는 제1 송수신부; 및 상기 제2면과 소정 거리를 두고 마주하며 상기 제2 구조물과 결합된 것으로, 제2 인쇄회로기판, 제2 메타도파관, 제2 트랜시버를 포함하는 제2 송수신부;를 포함한다.

Description

회전형 데이터 전송 소자 및 이를 포함하는 전자 장치{Rotary type data transmission device and electronic apparatus including the same}
본 개시는 회전 부품을 가지는 장치를 위한 데이터 전송 시스템에 관련된다.
최근 로봇 공학 기술의 급속한 성장은 방위 산업, 광업 등과 같은 인간 활동의 다양한 분야에서 자동화 및 로봇 복합체에 대한 수요 증가를 기반으로 한다. 이에 따라 로봇 복합체(로봇)의 액추에이터와 로봇 부품(관절)을 통해 데이터를 전송하기 위한 새로운 구조 개발이 필요해지고 있다. 이러한 구조는 로봇의 회전 조인트(rotary joint)와 같은 회전 부품에 특히 중요하다.
현재 로터리 조인트를 통해 데이터 전송을 제공하는 방법에는 여러 가지가 있다.
데이터 전송을 위한 케이블 어셈블리를 방법이 있다. 이러한 어셈블리에서 케이블은 로터리 조인트를 통과한다. 이러한 솔루션에는 이러한 조인트의 제한된 회전 범위, 비틀림 모멘트로 인한 낮은 케이블 신뢰성, 강렬한 움직임 중에 케이블 손상 가능성이 높은 등 몇 가지 단점이 있다.
회전 접점(슬립 링)을 사용하는 방법이 있다. 이러한 솔루션은 높은 데이터 속도(HD-비디오(고화질) 등)에 적합하지 않으며 접점 간 아크로 인한 간섭을 유발할 수 있으며, 마모로 인해 시간이 지남에 따라 성능이 저하될 수 있다.
분할 동축(split coaxial) 또는 원형 도파관을 기반으로 하는 고주파 회전 조인트를 사용하는 방법이 있다. 이러한 솔루션은 전체 금속 부피가 큰 디자인을 사용하여 고정식 구조에만 적합하다.
특허 문헌 US 2015/0130565 A1에 개시된 공지된 종래 기술 솔루션으로, 동축 전송 라인을 통해 결합된 2 개의 직사각형 금속 도파관에 기초한 회전 조인트가 있다. 이 솔루션은 전체 금속 부피가 큰 디자인을 가지고 있으며 소형 로봇의 조인트에는 적합하지 않다.
특허 문헌 US 8,963,790 B2는 원형 도파관에 기반한 3 축 회전 조인트를 개시한다. 그러나 이 솔루션은 로봇 관절에 적합하지 않은 매우 부피가 큰 디자인을 가지고 있다.
특허 문헌 US 9,358,684 B1은 로봇 암에서 사용하기 위한 무선 전송 장치를 설명하며, 이는 동축 방식으로 회전 가능하게 배열된 제 1 권선 및 제 2 권선을 포함하는 회전 유닛을 포함한다. 그러나 이 전송 장치는 저주파 데이터 전송 메커니즘으로 인해 높은 데이터 속도에 적합하지 않다.
특허 문헌 US 2013/0181791 A1에 개시된 솔루션은 비접촉 커넥터를 위한 도파관 구조이다. 비접촉식 커넥터는 무선 RF 신호를 송신 또는 수신하도록 구성된 제 1 통신 칩, 무선 RF 신호를 송신 또는 수신하도록 구성된 제 2 통신 칩, 및 제 1 및 제 2 통신 칩 사이의 도파관 구조를 포함한다. 그러나이 솔루션은 부피가 큰 금속 도파관을 기반으로 하며 소형 로봇의 관절에는 적합하지 않다.
따라서 기존 솔루션에는 낮은 신뢰성, 로터리 조인트를 통한 낮은 데이터 전송률 및/또는, 로터리 조인트로/로터리 조인트로부터 신호 안내를 위해 채택된 전체 금속 도파관의 부피가 크고 무겁기 때문에 소형 모바일 로봇에 대한 사용이 크게 제한된다는 단점이 있다.
따라서 현재 로터리 로봇 조인트를 통해 높은 데이터 속도를 제공하는 작고 신뢰할 수 있으며 간단하고 저렴한 시스템을 만드는 데 대한 요구가 있다.
본 개시는 회전형 데이터 전송 소자 및 이를 구비하는 전자 장치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 서로 마주하는 제1면과 제2면을 가지며, 중심부에 상기 제1면으로부터 상기 제2면을 관통하는 제1 관통홀을 구비하는 제1 금속 중공 도파관을 포함하는 제1 구조물; 상기 제1 구조물의 회전 구동을 지지하거나 상기 제1 구조물에 의해 회전 구동이 지지되도록 상기 제1 구조물과 결합되는 제2 구조물; 상기 제1면과 소정 거리를 두고 마주하며 상기 제1 구조물과 결합된 것으로, 제1 인쇄 회로 기판, 제1 메타 도파관, 제1 트랜시버를 포함하는 제1 송수신부; 및 상기 제2면과 소정 거리를 두고 마주하며 상기 제2 구조물과 결합된 것으로, 제2 인쇄 회로 기판, 제2 메타 도파관, 제2 트랜시버를 포함하는 제2 송수신부;를 포함하는, 회전형 데이터 전송 소자가 제공된다.
상기 제1 구조물 또는 상기 제2 구조물이 회전하는 회전축은 상기 제1 금속 중공 도파관의 중심축과 정렬될 수 있다.
상기 제1 메타 도파관, 상기 제1 금속 중공 도파관, 상기 제2 메타 도파관은 상기 제1 트랜시버와 상기 제2 트랜시버 간에 비접촉(contactless) 데이터 전송 경로를 형성할 수 있다.
상기 제1 인쇄 회로 기판의 양면 중 상기 제1 구조물을 향하는 면에 상기 제1 메타 도파관이 배치되고, 다른 한 면에 상기 제1 트랜시버가 배치될 수 있다.
상기 제1 인쇄 회로 기판을 관통하는 전도성 비어로 이루어진 신호선에 의해 상기 제1 트랜시버와 제1 메타 도파관 사이의 송수신 경로가 형성될 수 있다.
상기 제2 인쇄 회로 기판의 양면 중 상기 제1 구조물을 향하는 면에 상기 제2 메타 도파관이 배치되고, 다른 한 면에 상기 제2 트랜시버가 배치될 수 있다.
상기 제2 인쇄 회로 기판을 관통하는 전도성 비어로 이루어진 신호선에 의해 상기 제2 트랜시버와 제2 메타 도파관 사이의 송수신 경로가 형성될 수 있다.
상기 제1 구조물은 상기 제1 메타 도파관 및 상기 제2 메타 도파관 각각에 대해 접지층의 역할을 겸할 수 있다.
상기 제1 구조물은 상기 제2면으로부터 상기 제2 구조물을 향해 돌출된 제1 금속 플랜지부를 포함할 수 있고, 상기 제1 금속 중공 도파관의 상기 제1 관통홀은 상기 금속 플랜지부를 관통하여 연장될 수 있고, 상기 제2 구조물은 상기 제1 구조물을 향해 돌출된 제2 금속 플랜지부를 포함할 수 있고, 상기 제2 구조물과 상기 제2 금속 플랜지부를 관통하는 제2 관통홀이 구비되어 제2 금속 중공 도파관을 형성할 수 있으며, 상기 제1 금속 중공 도파관과 상기 제2 금속 중공 도파관은 비접촉 플랜지 결합할 수 있다.
상기 제1 금속 플랜지, 상기 제2 금속 플랜지 중 적어도 하나에 그루브가 형성될 수 있다.
상기 제1 구조물이 상기 제1 메타 도파관에 대해 접지층의 역할을 하고, 상기 제2 구조물이 상기 제2 메타 도파관에 대해 접지층의 역할을 할 수 있다.
상기 제1 메타 도파관 및 상기 제2 메타 도파관 중 적어도 하나는 전도성 릿지와 상기 전도성 릿지를 둘러싸는 복수의 전자기 밴드갭 구조물을 포함하는 릿지 갭 도파관일 수 있다.
상기 릿지 갭 도파관은 상기 제1 트랜시버 또는 상기 제2 트랜시버로부터 연장되고, 상기 제1 금속 중공 도파관과 상기 릿지 갭 도파관 사이의 접합(junction) 영역에서 교차하는 복수의 등위상 브랜치를 가질 수 있다.
상기 복수의 등위상 브랜치는 상기 제1 금속 중공 도파관 내에 TM01 모드를 여기하도록 대칭적인 구성을 가질 수 있다.
상기 복수의 등위상 브랜치는 상기 접합 영역에서 갈바닉 연결될 수 있다.
상기 복수의 등위상 브랜치는 상기 접합 영역에서 갈바닉 절연될 수 있다.
상기 전자기 밴드갭 구조물은 상기 제1 인쇄회로기판 또는 상기 제2 인쇄회로기판 각각의 최외면에 위치하는 전도성 패드와, 상기 전도성 패드로부터 상기 제1 인쇄회로기판 또는 상기 제2 인쇄회로기판 각각의 내부 접지층으로 연장된 비어형 베이스를 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 중공 도파관은 상기 제1 메타 도파관 및/또는 상기 제2 메타 도파관과의 임피던스 매칭을 위한 임피던스 변환기를 구비할 수 있다.
상기 제1 트랜시버 및 상기 제2 트랜시버 중 어느 하나는 안테나 모듈에 연결될 수 있다.
일 유형에 따르면 상술한 어느 하나의 회전형 데이터 전송 소자를 구비하는 전자 장치가 제공된다.
상술한 회전형 데이터 전송 소자는 높은 데이터 전송률을 보장하며, 중량 및 크기가 감소되고, 증가된 신뢰성을 나타낸다.
상술한 회전형 데이터 전송 소자는 로봇 관절 등과 같이 회전 구동되며 데이터 전송 기능이 필요한 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 회전형 데이터 전송 소자에서 트랜시버가 위치하는 인쇄 회로 기판의 일부 영역을 확대하여 상세히 보인 단면도 및 평면도이다.
도 3은 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자에서 사용되는 트랜시버의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 회전형 데이터 전송 소자에서 메타 도파관이 위치하는 인쇄 회로 기판의 일부 영역을 확대하여 상세히 보인 평면도 및 단면도이다.
도 4c는 도 4b에 나타난 전자기 밴드갭 구조물의 형상을 상세히 보인 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 회전형 데이터 전송 소자의 일부 영역을 확대하여, 금속 중공 도파관 및 메타 도파관의 배치 관계를 상세히 보인 단면도 및 평면도이다.
도 6a는 도 1의 회전형 데이터 전송 소자에 구비된 메타 도파관의 전체 형상을 보인 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 일부 영역을 상세히 보이는 확대도이다.
도 7a는 다른 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이고, 도 7b는 도 7a의 일부 영역을 상세히 보이는 확대도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자에 구비되는 메타 도파관의 대칭 분기 구성을 보이는 평면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자에 구비되는 금속 중공 도파관의 구성을 보이는 개념도이다.
도 12a 내지 도 12c는 다른 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자에 구비될 수 있는 전자기 밴드갭 구조물의 다양한 형상들을 예시한 평면도이다.
도 13a 내지 도 13d는 실시예들에 따른 회전형 데이터 전송 소자가 적용될 수 있는 예시적인 전자 장치들을 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
회전형 데이터 전송 소자(100)는 제1 송수신부(150)가 결합된 제1 구조물(110), 제2 송수신부(170)가 결합된 제2 구조물(130)을 포함한다. 제1 구조물(110) 또는 제2 구조물(130)은 회전축(C)을 중심으로 회전 구동될 수 있다. 제1 구조물(110)과 제2 구조물(130) 중 어느 하나는 고정부, 다른 하나는 가동부일 수 있다. 즉, 제1 구조물(110)이 고정되어 제2 구조물(130)의 회전 구동을 지지할 수 있고, 또는 제2 구조물(130)이 고정되어 제1 구조물(110)의 회전 구동을 지지할 수 있다.
제1 구조물(110)에 결합된 제1 송수신부(150), 제2 구조물(130)에 결합된 제2 송수신부(170)는 회전형 데이터 전송 소자(100)의 일부에서 다른 일부로 데이터를 전송하거나 데이터를 수신할 수 있다. 즉, 데이터 전송의 관점에서, 제1 송수신부(150), 제2 송수신부(170) 중 어느 하나는 전송부, 다른 하나는 수신부일 수 있다. 동작 중에, 데이터 전송 방향은 반복적으로 바뀔 수도 있다.
제1 구조물(110)은 서로 마주하는 제1면(110a)과 제2면(110b)을 가지며, 중심부에 제1면(110a)으로부터 제2면(110b)을 관통하는 관통홀(HO)을 구비하는 금속 중공 도파관(metal hollow waveguide)(120)을 포함한다. 금속 중공 도파관(120)의 중심축은 회전축(C)과 정렬된다. 관통홀(HO)은 원통 형상을 가질 수 있다. 제1 구조물(110)은 적어도 일부 영역, 즉, 관통홀(HO) 주변 영역이 금속 물질로 이루어질 수 있다.
제1 송수신부(150)는 제1 구조물(110)의 제1면(110a)과 소정 거리를 두고 마주하며 제1 구조물(110)과 결합되어 있다. 따라서, 제1 송수신부(150)는 제1 구조물(110)과 함께 고정되거나 구동될 수 있다. 제1 송수신부(150)는 제1 인쇄 회로 기판(10), 제1 메타 도파관(20), 제1 트랜시버(30)를 포함한다. 제1 송수신부(150)는 다층 인쇄 회로 기판 기반의 구조를 가지며, 이 구조는 스페이서(4)에 의해 제1 구조물(110)에 결합될 수 있다. 스페이서(4)는 나사일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제1 구조물(110)과 제1 송수신부(150) 사이에 소정의 에어 갭을 제공하며 제1 구조물(110)과 제1 송수신부(150)를 결합할 수 있는 임의의 패스너(fastener)가 나사 대신 사용될 수 있다.
제2 구조물(130)은 제1 구조물(110)의 회전 구동을 지지하거나 또는 제1 구조물(110)에 의해 회전 구동이 지지되도록 제1 구조물(110)과 결합되어 있다.
제2 송수신부(170)는 제1 구조물(110)의 제2면(110b)과 소정 거리를 두고 마주하며 제2 구조물과 결합되어 있다. 따라서, 제2 송수신부(170)는 제2 구조물(130)과 함께 고정되거나 구동될 수 있다. 제2 송수신부(170)는 제2 인쇄 회로 기판(60), 제2 메타 도파관(80), 제2 트랜시버(70)를 포함한다. 제2 송수신부(170)는 다층 인쇄 회로 기판 기반의 구조를 가지며, 이 구조는 스페이서(8)에 의해 제2 구조물(130)에 결합될 수 있다. 스페이서(8)는 나사일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제2 구조물(130)과 제2 송수신부(170) 사이의 소정의 에어 갭을 제공하며 제2 구조물(130)과 제2 송수신부(170)를 결합할 수 있는 임의의 패스너(fastener)가 사용될 수 있다.
제1 메타 도파관(20), 제2 메타 도파관(80)은 전자기 밴드갭(electromagnetic bandgap, EBG) 구조가 구비된 비접촉 도파관이다. 즉, 도파관을 이루는 베이스 금속과 인쇄 회로 기판 사이의 간격에도 불구하고 EBG 구조에 의해 특정 주파수 범위의 전자기파 신호의 전파가 불가능한 도파관을 의미한다.
제1 구조물(110)과 제2 구조물(130)는 볼 베어링(9)을 사용하여 결합될 수 있고 이에 따라 상호에 대한 구동성이 보장된다. 볼 베어링(9)은 임의의 다른 적절한 유형의 베어링 또는 서로에 대한 회전의 가능성과 함께 주어진 범위 내에서 상대적 위치를 보장하는 다른 요소로 대체될 수 있다.
실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자(100)는 밀리미터 파 전파를 통해 데이터를 전송하고 메타 도파관을 이용하여 데이터를 송수신한다. 밀리미터 파장 대역에 대해, 소형 도파관 크기를 유지하면서 최대 수 Gbit/s의 데이터 속도를 제공한다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 다른 실시예에서는, 필요한 데이터 전송률에 따라 다른 적절한 파장 범위가 신호 전송에 사용될 수 있다.
제1 메타 도파관(20), 금속 중공 도파관(120), 제2 메타 도파관(80)은 제1 트랜시버(30)와 제2 트랜시버(70) 간에 비접촉(contactless) 데이터 전송 경로를 제공한다. 이러한 구조는 신호 전송 성능을 손상시키지 않으며 회전형 데이터 전송 소자(100)를 360도 회전할 수 있음을 의미한다. 또한 이러한 구조는 차폐가 필요하지 않아 시스템 전체 구조의 무게와 재료 소비를 줄인다.
다음, 도 2a 내지 도 6b를 참조하여 제1 송수신부(150), 제2 송수신부(170)의 구조와 동작을 설명할 것이다. 이하에서는 제2 송수신부(170)를 예시하여 설명하지만, 이는 제1 송수신부(150)의 구조와 동작에도 적용될 수 있다. 제1 송수신부(150)와 제2 송수신부(170)는 제1 구조물(110)에 대한 상대적인 위치 관계에서 차이가 있으며, 즉, 제2 트랜시버(70), 제2 메타 도파관(80), 제2 인쇄 회로 기판(60)의 설명은 제1 트랜시버(30), 제1 메타 도파관(20), 제1 인쇄 회로 기판(10)에 대한 설명으로 적용될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 회전형 데이터 전송 소자에서 트랜시버가 위치하는 인쇄 회로 기판의 일부 영역을 확대하여 상세히 보인 단면도 및 평면도이다.
제2 인쇄 회로 기판(60)은 각각 두께 hPCB를 갖는 여러 층으로 구성되며 표면 및/또는 체적에 전자 회로를 구성하는 전기 전도성 회로들이 형성된 유전체 플레이트이다. 제2 인쇄 회로 기판(60)은 유전체(DE) 및 유전체(DE)의 내부 및 상, 하면에 형성된 다수의 금속층과 전도성 비어들을 포함한다. 제2 인쇄 회로 기판(60)은 높이 hgap을 갖는 에어 갭에 의해 제1 구조물(110)로부터 분리된다.
제2 인쇄 회로 기판(60)의 양면, 즉, 최상면과 최하면 중 제1 구조물(110)을 향하는 면에 제2 메타 도파관(80)이 배치되고, 다른 한 면에 제2 트랜시버(70)가 배치된다.
제2 트랜시버(70)는 데이터를 송수신하도록 구성되며, 전도성 비어로 이루어진 63신호선(61)을 통해 제2 트랜시버(70)로부터의 신호가 제2 인쇄 회로 기판(60)의 최상층에 위치한 제2 메타 도파관(80)으로 전송된다. 제2 인쇄 회로 기판(60) 내부에는 내부 접지층(65)이 배치되며, 내부 접지층(65)은 환형 갭을 구비하는 형상이다. 신호선(61)은 내부 접지층(65) 사이의 창, 즉, 내부 접지층(65)에 구비된 환형 갭을 통과하며 제2 인쇄 회로 기판(60)을 관통한다.
신호선(61) 근처에는 다수의 그라운드 비어(63)가 구비된다. 그라운드 비어(63)는 접지 도금된 전도성 비어이며, 이에 의해 제한되는 볼륨 내에서 전자기장(electromagnetic field)을 차단한다. 다수의 그라운드 비어(63)는 신호선(61)이 전송하는 파장의 대략 절반 정도의 간격으로 매우 조밀하게 배치되고 있으며, 전자기장이 다수의 그라운드 비어(63)로 둘러싸인 영역으로 전파되는 것을 차단한다.
내부 접지층(65)은 제2 트랜시버(70)가 배치된 영역과 제2 메타 도파관(80)에 구비된 전자기 밴드갭(EBG) 구조가 위치한 영역을 분리한다. 이는 트랜시버 측면에서 인쇄 회로 기판(60)의 유전체(DE)의 높이를 줄여 설계의 소형화에 영향을 미치고 스퓨리어스 방사(spurious radiation)를 방지한다. 유전체(DE)의 층 높이, hPCB는 전자기 밴드갭(EBG) 구조의 금지 구역(forbidden zone)의 존재에 의해 결정되며 대략, 1/4 파장 정도일 수 있다. 여기서 파장은 회전형 데이터 전송 소자(100)가 송수신하는 파의 파장 대역의 중심 파장을 의미하며, 다른 언급이 없을 때, 이하에서도 동일하다.
도 2b는 제2 인쇄 회로 기판(60) 일부 영역에 대한 저면도이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 제2 트랜시버(70)는 제2 인쇄 회로 기판(60)의 최상층에 위치한 제2 메타 도파관(80)에 신호를 전송하기 위한 신호선(61)에 연결되는 접지된 동일 평면 라인(coplanar line)(CL)에 연결된다. 다른 실시예에서, 접지된 동일 평면 라인(coplanar line) 대신에 마이크로 스트립라인(micro stripline)이 사용될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자에서 사용되는 트랜시버의 예시적인 블록도를 도시한다.
제2 트랜시버(70)는 전송될 디지털 데이터를 교환하기 위한 디지털 인터페이스(digital interface), 송수신하는 밀리미터파 범위의 신호의 디지털 데이터를 변환하기 위한 모뎀(modem) 및 밀리미터파 범위의 파를 수신 및 전송하도록 구성된 외부 RF-인터페이스(RF front-end)를 포함한다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 회전형 데이터 전송 소자에서 메타 도파관이 위치하는 인쇄 회로 기판의 일부 영역을 확대하여 상세히 보인 평면도 및 단면도이다. 도 4c는 도 4b에 나타난 전자기 밴드갭 구조물의 형상을 상세히 보인 사시도이다.
도 4a에서, 제2 인쇄 회로 기판(80)의 최상면과 제2 인쇄 회로 기판(80) 내부에 환형 갭을 가지는 형상의 내부 접지층(65)을 겹쳐서 도시하고 있다.
제2 메타 도파관(80)은 전도성 릿지(ridge)(84)와 이를 둘러싸는 복수의 전자기 밴드갭 구조물(86)을 포함하는 릿지 갭 도파관(ridge gap waveguide)일 수 있다.
전도성 릿지(84)는 원하는 전파 방향을 따라 돌출되어 제2 메타 도파관(80)의 도파관의 제1 접지층을 이루며, 전도성 릿지(84) 상부에 소정의 공극(air gap)을 사이에 두고 배치된 제1 구조물(110)이 제2 메타 도파관(80)의 제2 접지층의 역할을 한다. 제2 메타 도파관(80)의 두 접지층 사이의 영역에서 전도성 릿지(84)를 둘러싸는 다수의 전자기 밴드갭 구조물(86)이 배치되어, 제2 메타 도파관(80)에서 주변 환경으로 특정 주파수의 전자기파의 전파(누설)을 차단한다.
릿지 갭 도파관은 제1접지층을 지나며 서로 거리를 두고 배치되는 다수의 전도성 비어들이 제2 인쇄 회로 기판(60)의 표면에서 인쇄 라인을 통해 상호 연결되는 형태를 갖는다.
신호선(61)을 통한 신호는 제2 트랜시버(70)로부터 전송된 다음 제2 인쇄 회로 기판(60)의 최상층에 위치한 릿지 갭 도파관인 제2 메타 도파관(80)을 통해 전파된다. 전술한 바와 같이, 제1 구조물(110)은 제2 메타 도파관(80)의 제2접지층으로 작용한다. 이러한 도파관은 비접촉식이며, 제2 메타 도파관(80)과 제2접지층(즉, 제1구조물(110)) 사이의 회로 폐쇄(circuit closure)를 필요로 하지 않는다. 이것은 전자기파가 틈새로 전파되는 것을 방지하는 전자기 밴드갭 구조물(86)에 의해 보장된다.
제1 구조물(110)은 원형의 단면 형상을 가질 수 있고, 제2 구조물(130)과의 관계에서 임의의 회전 각도로 제2 메타 도파관(80) 위에 위치할 수 있다. 따라서, 제2 메타 도파관(80)을 통한 신호 전송의 특성이 회전형 데이터 전송 소자(100)의 어떤 위치에서도 변하지 않는다. 이 디자인은 추가 금속 실드가 필요하지 않으므로 작고 가벼울 수 있다. 제2 메타 도파관(80)으로 릿지 갭 도파관 구조를 사용하여 소산 열 손실(dissipative heat loss) 및 누설파(leaky wave)에 따른 누출 복사 손실을 크게 줄일 수 있다. 본 실시예에 따른 도파관 손실은 마이크로 스트립 또는 동일 평면 라인에 비해 약 10 배 더 낮다.
전도성 릿지(84)의 양쪽에는 전자기 밴드갭을 형성하는 다수의 전자기 밴드갭 구조물(86)이 배치된다. 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 전자기 밴드갭 구조물(86)은 제2 인쇄 회로 기판(60)의 최외면에 위치하는 전도성 패드(CP)와, 전도성 패드(CP)로부터 유전체(DE)를 관통하여 제2 인쇄 회로 기판(60)의 내부 접지층(65)으로 연장된 비어형 베이스(VB)를 포함한다. 전자기 밴드갭 구조물(86)은 버섯 머리(mushroom head) 형태의 전도성 패드(CP)와 실린더 형상의 버섯 다리(mushroom leg) 형태의 비어형 베이스(VB)를 구비하는 형상을 갖는다. 다만, 이는 예시적이며, 전도성 패드(CP)는 원형, 정사각형, 삼각형, 육각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다. 전도성 패드(CP)의 치수와 모양은 금지 구역의 경계에 영향을 미치며 특정 응용 분야의 요구 사항에 따라 선택된다. 다른 실시예에서, 전자기 밴드갭 구조는 금속 물질로부터 밀링에 의해 제조될 수 있고, 전자기 밴드갭 구조는 단순한 컬럼(column) 형태가 될 수도 있다.
다수의 전자기 밴드갭 구조물(86) 간의 거리는 공극 정도이어야 하므로 이에 따라 릿지 갭 도파관은 컴팩트(compact)한 기하학적 구조를 가지게 된다.
다른 실시예에서, 제2 메타 도파관(80)으로 릿지 갭 도파관 대신, 측벽이 없고 다수의 전자기 밴드갭 구조물을 구비하는 그루브 갭 도파관이 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 회전형 데이터 전송 소자의 일부 영역을 확대하여, 금속 중공 도파관 및 메타 도파관의 배치 관계를 상세히 보인 단면도 및 평면도이다.
도 5a는 회전축(C) 근처에서 금속 중공 도파관(120)과 제2 메타 도파관(80)의 접합 영역을 보이고 있다. 밀리미터 파 대역의 신호(S)는 제2 메타 도파관(80)을 통해 트랜시버로, 트랜시버로부터, 송수신되고, 접합 영역을 통해 금속 중공 도파관(120)으로 전송된다.
도 5b에서 접합 영역은 회전축(C)을 중심으로 하며 금속 중공 도파관(120)의 반경(RWG)을 갖는 원형으로 표시되고 있다. 제2 메타 도파관(80)을 구성하는 전도성 릿지(84)는 접합 영역에서 교차하는 복수의 브랜치를 구비한다. 복수의 브랜치는 금속 중공 도파관(120) 내에 TM01모드를 여기하도록 대칭적인 구성을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이 복수의 브랜치는 네 개의 브랜치(BR1, BR2, BR3, BR4)를 포함할 수 있다. 네 개의 브랜치(BR1, BR2, BR3, BR4)는 등위상(equiphase)으로 분기된 형태로서 각각 90도의 각도 차이로 배치될 수 있다. 네 개의 브랜치(BR1, BR2, BR3, BR4)는 접합 영역에서 갈바닉(galvanic) 연결된다. 설계 및 기타 요구 사항에 따라 4 개 이외의 분기 수를 사용할 수 있다. 이러한 대칭 분기 구성은 제1 구조물(110)에 만들어진 금속 중공 도파관(120)에서 모드 TM01의 여기를 제공하고 밀리미터파 대역의 신호가 제1 구조물(110) 상부에 배치된 제1 인쇄 회로 기판(10) 쪽을 향해 제1 메타 도파관(20)으로 전송되도록 한다. 이러한 제2 메타 도파관(80)과 금속 중공 도파관(120) 사이, 금속 중공 도파관(120)과 제1 메타 도파관(20) 사이의 신호 전송은 비접촉식이며 추가 차폐가 필요하지 않다. 신호 누출은 전자기 밴드갭 구조물(86)에 의해 거의 완전히 차단된다.
제2 인쇄 회로 기판(60)와 제1 구조물(110) 사이의 공극 높이는 다음 식에 의해 결정된다.
Figure pat00001
또는, 공극의 높이(Hgap)는 다음 조건을 만족할 수 있다.
Figure pat00002
여기서 λ0는 동작 주파수 범위 내에서의 중심 파장이다.
제1 금속 플랜지(215), 제2 금속 플랜지(235) 사이의 공극에서의 신호 누설에 의한 손실을 막기 위해, 그루브(gr)가 제1 금속 플랜지(215), 제2 금속 플랜지(235) 중 어느 하나에 구비될 수 있다. 도면에 표시된 개수는 예시적인 것이다. 그루브(215)는 원형 스로틀(throttle) 그루브일 수 있다. 그루브(215)의 높이는 작동 주파수 범위에서 중심 파장의 약 1/4일 수 있다.
Figure pat00003
제1 또는 제2 금속 중공 도파관(221)(222)의 중심축으로부터 인접하는 그루브(gr) 중심 축까지의 거리는 동작 파장 범위의 중심 파장의 약 1/4이다.
Figure pat00004
본 실시예의 회전형 데이터 전송 소자(200)는 총 무게를 감소하는 디자인을 제시한다. 이에 더하여, 추가적인 요소들(예를 들어, 무선 전력 전송 시스템의 요소들)이 제1 구조물(210)과 제2 구조물(230) 사이에 배치될 수 있다.
도 8 및 도 9는 또 다른 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 8의 회전형 데이터 전송 소자(101)는 제2 트랜시버(70)가 안테나 모듈(71)에 연결되어, 회전형 안테나 모듈(rotary antenna module)(72)을 이루는 점에서 도 1의 회전형 데이터 전송 소자(100)와 차이가 있다. 안테나 모듈(71)과의 연결을 위해 제2 구조물(131)에는 소정의 홀이 구비될 수 있다. 그 외 나머지 구성은 도 1의 회전형 데이터 전송 소자(100)와 실질적으로 동일하다.
본 실시예는 제1 구조물(110)이 고정부이고 제2 구조물(131)이 가동부인 경우를 예시한 것이고, 제1 구조물(110)이 가동부이고 제2 구조물(131)이 고정부가 되는 다른 실시예에서는 제1 송수신부(150)의 제1 트랜시버(30)가 안테나 모듈에 연결될 수 있다.
도 9의 회전형 데이터 전송 소자(201)는 제2 트랜시버(70)가 안테나 모듈(71)에 연결되어, 회전형 안테나 모듈(rotary antenna module)(72)을 이루는 점에서 도 7a의 회전형 데이터 전송 소자(200)와 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
본 실시예는 제1 구조물(210)이 고정부이고 제2 구조물(230)이 가동부인 경우를 예시한 것이고, 제1 구조물(210)이 가동부이고 제2 구조물(230)이 고정부가 되는 다른 실시예에서는 제1 송수신부(150)의 제1 트랜시버(30)가 안테나 모듈에 연결될 수 있다.
이러한 구조는 회전 안테나 시스템을 위한 컴팩트하고 경량이며 신뢰성 있는 데이터 전송 시스템을 제공한다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자에 구비되는 메타 도파관의 대칭 분기 구성을 보이는 평면도이다.
메타 도파관(80a)은 금속 중공 도파관과 마주하는 접합(junction) 영역에서, 네 개의 브랜치(BR1)(BR2)(BR3)(BR4)들은 갈바닉 연결되지 않고 갈바닉 절연(galvanic isolation)된 형태를 갖는다.
메타 도파관에 구비되는 대칭 분기 구성의 갈바닉 연결/절연의 여부나 형태는 마주하는 금속 중공 도파관과의 임피던스 매칭의 관계에서 적절히 선택될 수 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자에 구비되는 금속 중공 도파관의 구성을 보이는 개념도이다.
금속 중공 도파관(121)은 제2 메타 도파관(80)과 마주하는 일단에 임피던스 변환기(TF)를 더 포함할 수 있다. 도시한 바와 같이, 여러 섹션의 변환기(transformer)가 구비될 수 있다. 각 섹션의 높이는 대략 λ0/4 정도이며, 세부적인 높이(Ht1, Ht2, Ht3)와 반경(Rt1, Rt2, Rt3)와 반경, 섹션의 개수는 제2 메타 도파관(80)과의 임피던스 매칭을 고려하여 적절히 정해질 수 있다.
이러한 임피던스 변환기(TF)는 금속 중공 도파관(121)이 제1 메타 도파관(20)과 마주하는 다른 일단에도 구비될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 다른 실시예에 따른 회전형 데이터 전송 소자에 구비될 수 있는 전자기 밴드갭 구조물의 다양한 형상들을 예시한 평면도이다.
전자기 밴드갭 구조물은 사각형, 원형, 삼각형 등의 패드 형상을 가질 수 있으며, 이외에도 다양한 다른 다각형 형상이 채용될 수 있다.
상술한 데이터 전송 소자는 회전 구조를 가지며, 컴팩트하고 신뢰성있고, 단순하고 저렴한 데이터 전송이 가능하여 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다.
도 13a 내지 도 13d는 실시예들에 따른 회전형 데이터 전송 소자가 적용될 수 있는 예시적인 전자 장치들을 보인다.
도 13a는 회전 카메라를 구비한 비디오 시스템을 도시한다. 회전 관절(rotary joint)(RJ)에 전술한 실시예들에 따른 데이터 전송 소자가 채용될 수 있다.
또한, 도 13b는 로봇 암, 도 13c의 생체 보철물(bionic prosthesis), 도 13d의 레이더 안테나(radar antenna)의 회전 관절(rotary joint)(RJ)에 실시예들에 따른 데이터 전송 소자가 채용될 수 있다.
상술한 설명의 다양한 부분에 개시된 구현은 그러한 조합의 가능성이 명시적으로 기재되지 않은 경우라도 유리한 효과를 달성하기 위해 조합 될 수 있다. 예시적인 실시예가 상세하게 설명되고 첨부 도면에 도시되었지만, 이러한 실시예는 단지 예시적인 것이며 본 발명을 제한하도록 의도되지 않으며 본 발명은 도시되고 설명된 특정 구성으로 제한되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 본질 및 범위를 벗어나지 않는 본 발명의 다양한 다른 변형 및 실시예가 설명에 포함된 정보 및 관련 기술 분야의 지식에 기초하여 당업자에게 명백하기 때문이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
100, 101, 200, 201 - 회전형 데이터 전송 소자
110, 210 - 제1 구조물
120 - 금속 중공 도파관
221, 222 - 제1, 제2 금속 중공 도파관
130, 131, 230 - 제2 구조물
150 - 제1 송수신부
170 - 제2 송수신부
10, 60 - 제1, 제2 인쇄 회로 기판
20, 80 - 제1, 제2 메타 도파관
30, 70 - 제1, 제2 트랜시버
61 - 신호선
63 - 그라운드 비어
65 - 내부 접지층
86 - 전자기 밴드갭 구조물

Claims (20)

  1. 서로 마주하는 제1면과 제2면을 가지며, 중심부에 상기 제1면으로부터 상기 제2면을 관통하는 제1 관통홀을 구비하는 제1 금속 중공 도파관을 포함하는 제1 구조물;
    상기 제1 구조물의 회전 구동을 지지하거나 상기 제1 구조물에 의해 회전 구동이 지지되도록 상기 제1 구조물과 결합되는 제2 구조물;
    상기 제1면과 소정 거리를 두고 마주하며 상기 제1 구조물과 결합된 것으로, 제1 인쇄 회로 기판, 제1 메타 도파관, 제1 트랜시버를 포함하는 제1 송수신부; 및
    상기 제2면과 소정 거리를 두고 마주하며 상기 제2 구조물과 결합된 것으로, 제2 인쇄 회로 기판, 제2 메타 도파관, 제2 트랜시버를 포함하는 제2 송수신부;를 포함하는, 회전형 데이터 전송 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구조물 또는 상기 제2 구조물이 회전하는 회전축은 상기 제1 금속 중공 도파관의 중심축과 정렬되는 회전형 데이터 전송 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 메타 도파관, 상기 제1 금속 중공 도파관, 상기 제2 메타 도파관은 상기 제1 트랜시버와 상기 제2 트랜시버 간에 비접촉(contactless) 데이터 전송 경로를 형성하는, 회전형 데이터 전송 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인쇄 회로 기판의 양면 중 상기 제1 구조물을 향하는 면에 상기 제1 메타 도파관이 배치되고, 다른 한 면에 상기 제1 트랜시버가 배치되는, 회전형 데이터 전송 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 인쇄 회로 기판을 관통하는 전도성 비어로 이루어진 신호선에 의해 상기 제1 트랜시버와 제1 메타 도파관 사이의 송수신 경로가 형성되는, 회전형 데이터 전송 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 인쇄 회로 기판의 양면 중 상기 제1 구조물을 향하는 면에 상기 제2 메타 도파관이 배치되고, 다른 한 면에 상기 제2 트랜시버가 배치되는, 회전형 데이터 전송 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 인쇄 회로 기판을 관통하는 전도성 비어로 이루어진 신호선에 의해 상기 제2 트랜시버와 제2 메타 도파관 사이의 송수신 경로가 형성되는, 회전형 데이터 전송 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구조물은 상기 제1 메타 도파관 및 상기 제2 메타 도파관 각각에 대해 접지층의 역할을 겸하는, 회전형 데이터 전송 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구조물은 상기 제2면으로부터 상기 제2 구조물을 향해 돌출된 제1 금속 플랜지부를 포함하며, 상기 제1 금속 중공 도파관의 상기 제1 관통홀은 상기 금속 플랜지부를 관통하여 연장되고,
    상기 제2 구조물은 상기 제1 구조물을 향해 돌출된 제2 금속 플랜지부를 포함하며, 상기 제2 구조물과 상기 제2 금속 플랜지부를 관통하는 제2 관통홀이 구비되어 제2 금속 중공 도파관을 형성하며,
    상기 제1 금속 중공 도파관과 상기 제2 금속 중공 도파관은 비접촉 플랜지 결합하는, 회전형 데이터 전송 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 금속 플랜지, 상기 제2 금속 플랜지 중 적어도 하나에 그루브가 형성된, 회전형 데이터 전송 소자.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 구조물이 상기 제1 메타 도파관에 대해 접지층의 역할을 하고,
    상기 제2 구조물이 상기 제2 메타 도파관에 대해 접지층의 역할을 하는, 회전형 데이터 전송 소자.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 메타 도파관 및 상기 제2 메타 도파관 중 적어도 하나는 전도성 릿지와 상기 전도성 릿지를 둘러싸는 복수의 전자기 밴드갭 구조물을 포함하는 릿지 갭 도파관인, 회전형 데이터 전송 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 릿지 갭 도파관은
    상기 제1 트랜시버 또는 상기 제2 트랜시버로부터 연장되고, 상기 제1 금속 중공 도파관과 상기 릿지 갭 도파관 사이의 접합(junction) 영역에서 교차하는 복수의 등위상 브랜치를 가지는, 회전형 데이터 전송 소자.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 등위상 브랜치는 상기 제1 금속 중공 도파관 내에 TM01 모드를 여기하도록 대칭적인 구성을 가지는, 회전형 데이터 전송 소자.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 등위상 브랜치는 상기 접합 영역에서 갈바닉 연결되는, 회전형 데이터 전송 소자.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 등위상 브랜치는 상기 접합 영역에서 갈바닉 절연되는, 회전형 데이터 전송 소자.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 전자기 밴드갭 구조물은
    상기 제1 인쇄회로기판 또는 상기 제2 인쇄회로기판 각각의 최외면에 위치하는 전도성 패드와, 상기 전도성 패드로부터 상기 제1 인쇄회로기판 또는 상기 제2 인쇄회로기판 각각의 내부 접지층으로 연장된 비어형 베이스를 포함하는, 회전형 데이터 전송 소자.
  18. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 금속 중공 도파관은 상기 제1 메타 도파관 및/또는 상기 제2 메타 도파관과의 임피던스 매칭을 위한 임피던스 변환기를 구비하는, 회전형 데이터 전송 소자.
  19. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 트랜시버 및 상기 제2 트랜시버 중 어느 하나는 안테나 모듈에 연결되는, 회전형 데이터 전송 소자.
  20. 제1항의 회전형 데이터 전송 소자를 구비하는 전자 장치.
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