KR20240018896A - 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동축 커넥터의 전송선로와 기판에 포함된 마이크로스트립 라인의 연결 수단을 개선하고, 다양한 기판 설계에 따른 임피던스 변화에 가변이 가능한 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터에 관한 것이다.
이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은; 기판(10)에 실장되는 동축 커넥터로서, 외부 도체(100)와; 상기 외부 도체(100)의 내측에 위치하며, 상기 기판(10)의 마이크로스트립 라인과 연결되는 수평의 단자부(220)를 갖는 내부 도체(200)를 포함하여 구성되고, 상기 단자부(220)의 연결 측에 납을 포함한 솔더부(230)가 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터{Surface mounting High frequency Coaxial Connector}

본 발명은 동축 커넥터의 전송선로와 기판에 포함된 마이크로스트립 라인의 연결 수단을 개선하고, 다양한 기판 설계에 따른 임피던스 변화에 가변이 가능한 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터에 관한 것이다.

일반적으로, 통신 시스템은 2차 세계대전 이후 이동 통신, 군용 통신, 위성 통신 등 기술 발전 및 수용 증가에 따라 지금까지 비약적으로 발전하고 있다.

이러한 통신 시스템이 발전함에 따라 활용 주파수 대역은 초고주파수의 높은 주파수 대역으로 확대되며, 이에 적용되는 전송선로는 동축 전송선로와 함께 기판 상에 설계되는 다양한 형태의 마이크로스트립, 스트립 라인을 접목한 구조로 설계된다.

또한, 초고주파수 대역에서의 손실을 최소화하고, 신호를 안정적으로 인가하기 위한 기판상의 마이크로 스트립과 기판과 수직으로 위치하여 기판의 마이크로스트립 라인에 신호를 인가하는 다양한 형태와 기술의 표면 실장형 커넥터가 개발되고 있다.

최근 5G 혹은 6G 시대의 도래로 인해 수 GHz 또는 수 THz의 높은 주파수 대역을 사용하는 통신 시스템이 확대되고 있으며, 적용 분야 및 활용 주파수 대역에 따라 기판의 최소 손실과 안정적 성능 구현이 주요한 기술적 과제로 대두되고 있다.

그러나 10GHz 이상의 주파수 대역에서는 짧은 파장 길이와 자유공간상의 전파손실이 큰 특성으로 인하여 작은 변화에도 균일한 성능 확보가 어려운 현실이며, 기존의 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터를 이용하여 기판에 솔더를 이용한 결합시 납의 양과 영역에 따른 특성 편차에 의해 성능 변화의 폭이 매우 크게 작용하는 문제점이 있었다.

또한, 적용 분야 및 목적에 따른 설계 조건은 기판의 재료와 크기, 두께 유전율 조건을 고려한 다양한 디자인이 적용되고 있으며, 이와 연결되는 커넥터는 고효율 저손실, 및 최적의 임피던스 정합 조건을 만족하여야 하는데, 높은 주파수 대역을 사용하는 다양한 기판에 적용되는 커넥터는 다양한 설계 조건에 따라 안정적 결합 구조와 임피던스 정합에 용이한 구조를 제공하지 못하는 문제점이 있었다.

한국등록특허공보 제10-2054657호(등록일:2019.12.05)

본 발명은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 동축 커넥터의 기판상의 마이크로스트립 라인과 연결되는 내부 도체의 단자 부분에 음각 형상으로 납을 포함한 솔더부를 마련하여 10GHz 이상의 높은 주파수 대역에서 납의 양과 영역에 따른 특성 편차를 일정하고 균일하게 제공하여 안정적인 성능을 확보하도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 다양한 설계 조건에 따른 임피던스 부정합을 솔더부에 음각 형상으로 형성된 부분을 기준으로 절단하여 솔더부의 길이를 가변시키는 작용을 통해 임피던스를 최적화할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은;

기판에 실장되는 동축 커넥터로서,

외부 도체와;

상기 외부 도체의 내측에 위치하며, 상기 기판의 마이크로스트립 라인과 연결되는 수평의 단자부를 갖는 내부 도체를 포함하여 구성되고,

상기 단자부의 연결 측에 납을 포함한 솔더부가 형성된 것을 특징으로 하는 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터를 제공한다.

이러한 본 발명에 따르면, 마이크로스트립 라인과 연결되는 내부 도체의 단자 부분에 납이 포함된 솔더부가 마련되어 기판상의 마이크로스트립 라인과 연결 시 납의 양과 영역에 따른 조건 변화에서 상이한 결과 및 높은 편차를 최소화하여 안정적 성능 구현 및 신뢰성 확보가 가능한 효과가 있다.

또한, 마이크로스트립 라인과 연결되는 내부 도체의 단자 부분이 음각 형태를 기준으로 절단되면서 임의 길이로 가변되어 다양한 기판 설계 조건에 따른 임피던스 부정합을 개선 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터의 사시도.
도 2는 도 1의 측면도.
도 3은 도 1의 정면도.
도 4는 도 1의 구성 중 기판 실장 형상을 나타낸 도면.
도 5는 종래기술에 따른 기존 성능 변화를 나타낸 그래프.
도 6은 도 1에 따른 성능 변화를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터의 구성도.
도 8은 도 7에 따른 성능 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터의 구성도.
도 10은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터의 구성도이다.

본 발명에 따른 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터를 첨부된 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예들에 의해 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

한편, 실시 예를 설명함에 있어 본 발명이 속하거나 속하지 아니한 기술분야에서 광범위하게 널리 알려져 사용되고 있는 구성요소에 대해서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 하며, 이는 불필요한 설명을 생략함과 더불어 이에 따른 본 발명의 요지를 더욱 명확하게 전달하기 위함이다.

또한, 도면의 도시와 관련하여 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위해 설명과 관계없거나 통상의 구성요소의 경우 도시를 생략하도록 한다.

이하, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터를 설명하면 다음과 같다.

이에 따른, 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터(1)는, 외부 도체(100); 내부 도체(200);를 포함하여 구성되고, 내부 도체(200)는 납을 포함한 솔더부(230)를 갖는 것을 특징으로 한다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 상기 외부 도체(100)는 원통형으로 이루어져 기판(10)에 실장되는 것으로서, 외부 도체(100)는 상부에 신호를 인가하기 위한 상대 커넥터와 체결되는 체결부(110)를 갖고, 외부 도체(100)의 하부는 기판(10)에 수직방향으로 위치하면서 기판(10)에 포함되어 있는 그라운드면(11)에 연결되어 접지되는 연결부(120)를 갖는다.

이때, 외부 도체(100)는 기판(10) 실장 및 내부 구조의 형상 유지, 외부 연결 구조에 적합하도록 설계된다.

그리고, 상기 내부 도체(200)는 상기 외부 도체(100)의 내측에 위치하며, 상기 기판(10)의 마이크로스트립 라인(12)과 연결되는 수평의 단자부(220)를 갖는 것으로서, 내부 도체(200)는 상부는 원통형의 외부 도체(100) 중심 측에 위치하여 외부로부터 상대 커넥터를 통해 신호가 전달되며, 내부 도체(200)의 하부는 기판(10)에 포함되어 있는 마이크로스트립 라인(12)으로 신호를 인가하는 역할을 한다.

여기서, 상기 내부 도체(200)는 외부 도체(100)의 상부 중심축 방향으로 수직 위치되는 접속부(210) 및 상기 접속부(210)의 하단에 직각 방향으로 꺾이면서 수평 위치되는 단자부(220)로 구성된다.

상기 접속부(210)는 외부 도체(100)의 접속부(210) 중심축에 수직으로 위치하며, 상기 접속부(210)는 외부로부터 상대 커넥터의 내부도체와 연결되는데, 상기 접속부(210)의 하부 외측에 유전체(300)가 구비되게 된다.

상기 단자부(220)는 외부 도체(100)의 연결부(120) 내부 일측에 하부 기판(10)에 수평 방향으로 위치하면서 상기 기판(10)에 포함된 마이크로스트립 라인(12)에 연결되어 외부로부터의 신호를 인가하는 역할을 한다.

한편, 상기 외부 도체(100)와 내부 도체(200)는 그 사이에 삽입되는 유전체(300)를 더 포함한다.

상기 유전체(300)는 외부 도체(100)와 내부 도체(200) 사이로 상기 내부 도체(200)의 접속부(210) 측에 위치하여 기구적인 형상을 유지하고, 주요 성능지표인 임피던스 정합에 필요한 최적 설계 조건으로 반영되어 있다.

이때, 유전체(300)는 동축 커넥터(1)의 전파모드인 TEM 모드와 기판(10)의 전파모드인 Quasi TEM 모드로 변환되는 위치에 있어서 임피던스 정합에 주요한 역할을 한다.

여기서, 상기 유전체(300)는 하부에 단자부(220)가 위치하는 공간인 유전체슬롯(310)이 형성된다.

상기 유전체슬롯(310)은 내측에 단자부(220)가 위치하는 공간으로서 단자부(220)의 형상 및 간격을 유지시켜 주는 역할을 한다.

또한, 상기 내부 도체(200)는 상기 단자부(220)의 연결 측에 납을 포함한 솔더부(230)를 더 포함한다.

여기서, 상기 솔더부(230)는 하나 또는 그 이상의 음각형상(231)이 일렬로 일정간격 배치되어 형성되고, 상기 음각형상(231)에 납이 삽입된 구조를 갖는다.

상기 솔더부(230)는 단자부(220)의 하측으로 기판(10)과 수평 방향으로 마련되어 상기 기판(10)에 포함된 마이크로스트립 라인(12)에 별도의 납을 이용한 납땜 작업을 적용하지 않고 납의 녹는점 이상의 열을 가하여 단자부(220)와 마이크로스트립 라인(12)이 연결되게 한다.

이 경우, 도 5는 종래기술에 따른 솔더 영역의 두께와 길이 조건에 따른 성능 변화 그래프를 나타낸 도면으로서, 첫번째 그래프는 사용 주파수 범위 0 ~ 40GHz에서 두께(H) 별 성능 비교 그래프이고, 두번째 그래프는 사용 주파수 범위 0 ~ 40GHz에서 길이(L) 별 성능 비교 그래프로서, 이를 살펴보면 솔더 영역의 두께 및 길이 변화 변화에 따라 주요 성능 지표인 전압 정재파비(VSWR)의 변화량이 크고 민감한 것을 알 수 있다.

이때, 그래프의 특징으로 솔더 영역의 두께(H)와 길이(L) 변화에 따라 10GHz 이후의 높은 주파수 영역에서 성능 변화량이 크게 발생하는 것을 볼 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터의 성능 그래프를 나타낸 도면으로서, 0 ~ 40GHz 대역에서 VSWR Max. 1.29의 성능을 나타내며, 이는 5G 통신 시스템 및 클라우드 데이터 통신 방식 시스템에 적용되는 요구 사양에 만족하는 결과를 나타내고, 본 발명의 단자부(220)에 구비되어 있는 음각형상(231)에 일정량의 납이 포함되어 기판(10)의 마이크로스트립 라인(12)에 연결되는 구조로 기판(10) 연결 작업시 도 5의 그래프와 같은 편차를 최소화하여 일정하고 안정적인 성능 확보를 가능하게 한다.

예컨대 본 발명은 상기 솔더부(230)가 음각형상(231)의 내부에 납이 삽입된 구조를 갖음에 따라 10GHz 이상의 고주파수 대역에서 납의 양과 영역에 따른 특성 편차를 일정하고 균일하게 제공하여 안정적인 성능을 확보하게 한다.

이하, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터를 설명하면 다음과 같다.

도 7 내지 도 8을 참조하면, 상기 솔더부(230)는 다양한 기판(10) 설계 조건에 따라 상기 음각형상(231)을 기준으로 절단하여 상기 단자부(220)를 임의 길이로 가변시키는 것을 더 포함한다.

상기 단자부(220)를 음각형상(231)을 기준으로 절단하여 길이를 가변시키고, 단자부(220)와 기판(10)의 중첩부(221) 역시 이에 대응하여 길이를 가변시키는데, 이와 같은 길이 가변은 다양한 기판(10) 설계 조건에 따라 VSWR 성능을 가변시킬 수 있게 한다.

이 경우, 도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 성능 변화 그래프를 나타낸 도면으로서, 단자부(220)와 중첩부(221)의 길이가 0.85mm일 경우, 15GHz 보다 낮은 주파수 대역에서 성능이 우수하고, 단자부(220)와 중첩부(221)의 길이가 0.15mm일 경우, 15GHz 보다 높은 주파수 대역에서 성능이 우수하며, 단자부(220)와 중첩부(221)의 길이가 0.45mm일 경우, 20GHz 대역을 중심으로 낮은 주파수 대역과 높은 주파수 대역 성능 편차를 최소화하여 고르게 분포되는 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.

예컨대, 본 발명은 도 8의 성능 그래프와 같이 단자부(220)와 중첩부(221)의 변화에 따른 주파수 대역별 특성을 나타내기 위해 단자부(220)에 포함되어 있는 솔더부(230)의 음각형상(231)을 기준으로 절단하여 구현할 수 있으며, 이는 적용되는 시스템의 목적과 요구 사양에 따른 다양한 기판 설계 기법에 맞추어 적용 가능하게 된다.

이하, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터를 설명하면 다음과 같다.

도 9를 참조하면, 상기 음각형상(231)은 톱니 모양, 반원형, 다각형 중 어느 하나의 형상으로 형성된 것을 더 포함한다.

상기 음각형상(231)은 내측에 납을 일정량 포함하기 위한 공간을 제공하는 형태로 이루어지는데, 음각형상(231)은 톱니 모양에 제한을 두지 않으며, 도 9에 도시한 바와 같이 톱니, 반원형, 다각형 등의 목적에 부합하는 다양한 형상으로 이루어질 수 있고, 상기 솔더부(230)에 형성되는 음각형상(231)의 개수는 성능 및 용도에 맞는 기판(10) 조건에 따라 하나 또는 그 이상의 개수로 형성할 수 있다.

이하, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터를 설명하면 다음과 같다.

도 10을 참조하면, 상기 외부 도체(100)는 연결부(120)의 내측에 탈착 가능하게 구비되는데, 상기 유전체(300)가 내측에 수용되고, 상기 유전체(300) 및 내부 도체(200)의 형상, 치수 변화에 대응하여 크기가 가변되는 분리형외부도체(150)를 더 포함한다.

종래의 원통형의 외부도체는 사용 목적 및 조건에 따라 별도의 설계를 필요로 하게 되어 외부 도체의 종류 및 형상이 다양하게 제공되어야 하는 문제점을 갖고 있으며, 이에 따라 분리형외부도체(150)를 제공하여 국제 규격에 해당하는 부분인 체결부(110)는 공용으로 사용하고, 분리형외부도체(150)를 분리 사용하는 것으로 사용 목적 및 환경에 따라 설계 가변 및 성능 최적화를 가능하게 한다.

한편, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이 상기 분리형외부도체(150)는 기준선(L)을 기준으로 상측은 외부로부터 신호를 인가하기 위한 상대 커넥터가 체결되는 체결부(110)로서 국제 규격에 의거하여 치수 및 형상을 변경하지 못하는 영역이며, 하측의 연결부(120)는 사용 목적 및 설계 조건에 따라 치수 및 형상의 변경이 가능한 영역이다.

이 경우 상기 분리형외부도체(150)는 연결부(120)의 내측으로 탈착 가능하게 결합되고, 분리형외부도체(150)의 내측으로 유전체(300)가 삽입되는 공간을 갖으며, 유전체(300)가 삽입되는 내부 공간을 가변시켜 사용 목적 및 설계 조건에 대응되게 한다.

또한, 도 10의 (b)는 분리형외부도체(150)의 또 다른 변형 예시로서, 내부 도체(200)의 형상 또는 치수 변화에 대응하여 내부 도체(200)가 삽입되는 분리형외부도체(150)의 상부측 내경을 확장 또는 축소시킬 수 있다.

또한, 도 10의 (C)는 분리형외부도체(150)의 또 다른 변형 예시로서, 유전체(300)의 형상 또는 치수 변화에 대응하여 유전체(300)의 외경이 가변되는 경우 유전체(300)가 삽입되는 분리형외부도체(150)의 내부 공간의 내경을 확장 또는 축소시킬 수 있다.

또한, 도 10의 (d)는 분리형외부도체(150)의 또 다른 변형 예시로서, 유전체(300)의 형상 또는 치수 변화에 대응하여 유전체(300)의 두께가 가변되는 경우 유전체(300)가 삽입되는 분리형외부도체(150)의 내부 공간의 깊이를 축소시킬 수 있다.

한편, 상기 도 10의 경우 분리형외부도체(150)의 바람직한 변형 예시를 설명한 것으로서, 분리형외부도체(150)는 다양한 설계 요구 사양에 대응하여 다양한 형태로 변형할 수 있으며, 상기 실시 예들에 특별히 한정되지는 않는다.

예컨데, 상기 분리형외부도체(150)를 통해 종래의 표면실장형 동축 커넥터와 같이 사용 목적 및 환경에 따라 각각 다른 외부 도체를 설계해야 하는 문제를 해결할 수 있으며, 국제 규격에 의해 규정되어 있는 외부 도체(100)의 체결부(110)는 공통으로 사용하고, 분리형외부도체(150) 부분을 사용 목적 및 환경에 따라 변형시켜 최적화 설계가 용이하도록 한다.

또한, 국제 규격에 의해 규정되어 있는 외부 도체(100)의 체결부(110)는 공용으로 사용함으로써, 균일한 신뢰성 확보가 가능하고, 원가 절감 효과를 기대할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 특정의 바람직한 실시 예를 예시한 설명과 도면으로 표현하였으나, 여기서 사용하는 용어들은 본 발명을 용이하게 설명하기 위함으로 이 용어들에 대한 의미 한정이나, 청구범위에 기재된 범위를 제한하기 위함이 아니며,

본 발명은 상기한 실시 예에 따른 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 수준에서 발명을 용이하게 실시하기 위해 다양하게 변경 및 개조, 수정 등이 가능할 수 있음을 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

1; 동축 커넥터 100; 외부 도체
110; 체결부 120; 연결부
150; 분리형외부도체 200; 내부 도체
210; 접속부 220; 단자부
230; 솔더부 231; 음각형상
300; 유전체 10; 기판
11; 그라운드면 12; 마이크로스트립 라인

Claims (5)

1. 기판(10)에 실장되는 동축 커넥터로서,
   외부 도체(100)와;
   상기 외부 도체(100)의 내측에 위치하며, 상기 기판(10)의 마이크로스트립 라인과 연결되는 수평의 단자부(220)를 갖는 내부 도체(200)를 포함하여 구성되고,
   상기 단자부(220)의 연결 측에 납을 포함한 솔더부(230)가 형성된 것을 특징으로 하는 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 솔더부(230)는 하나 또는 그 이상의 음각형상(231)이 일렬로 일정간격 배치되어 형성되고, 상기 음각형상(231)에 납이 삽입되는 것을 더 포함한 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 솔더부(230)는 다양한 기판(10) 설계 조건에 따라 상기 음각형상(231)을 기준으로 절단하여 상기 단자부(220)를 임의 길이로 가변시키는 것을 더 포함한 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터.
4. 제2항에 있어서,
   상기 음각형상(231)은 톱니 모양, 반원형, 다각형 중 어느 하나의 형상으로 형성된 것을 더 포함한 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 외부 도체(100)와 내부 도체(200) 사이에는 유전체(300)가 삽입되는 것을 더 포함한 표면 실장형 고주파수용 동축 커넥터.

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