군사 응용 제품을 위한 RF 커넥터의 선택과 구현을 최적화하는 방법

RF 동축 커넥터와 케이블은 평범한 부품이지만 군사 응용 제품에서 눈에 띄지 않게 매우 중요한 역할을 합니다. 이 조립품의 역할은 안테나에서 수신기로 최대 수십 기가헤르츠(GHz) 대역의 RF 신호를 전송하는 것입니다. 이 커넥터는 민감한 RF 신호의 무결성을 안정적으로 처리하고 이를 유지하는 동시에 전쟁터의 혹독한 상황을 견딜 수 있을 만큼 충분히 견고해야 합니다.

RF 커넥터를 필요로 하는 엔지니어는 수백 가지 옵션 중 선택할 수 있으며, RF 커넥터는 기본적인 요구 사항 몇 가지만 충족하는 한 대부분 동일할 것이라는 생각으로 인해 그중 가장 저렴한 옵션을 선택하고 싶은 유혹을 받을 수 있습니다. 하지만 그것은 잘못된 생각입니다. 대다수의 RF 커넥터는 엔지니어링 사양에 정확하게 부합하도록 제작되지 않았으며, 중요한 순간에 잘못 설계된 부품의 고장으로 인해 수백만 달러의 군사용 하드웨어가 작동하지 않을 수 있습니다. 따라서 선택된 부품이 널리 인정되는 국제 표준에 따라 제작되는 것이 매우 중요합니다.

내구성, 습기 및 방진과 같은 기계적 특성과 임피던스, 주파수 범위, 전압 정재파비(VSWR) 및 절연 저항과 같은 전기적 특성 외에도 다른 요소들이 설계의 성공을 좌우할 수 있습니다. 예를 들어, 로켓 발사대 레일, 광학 부품의 내부 표면 및 소형 무기 응용 제품과 같은 특정 군사용 응용 제품에서 표준 스테인리스강으로 만들어진 커넥터에서의 빛 반사는 작동 문제를 일으킬 수 있다는 점입니다.

견고하고 신뢰할 수 있는 RF 커넥터에 대한 탐색을 시작하는 좋은 방법은, RF 커넥터가 관련된 군사 성능 규격 및 표준에 따라 제조되었음을 입증할 수 있는 우수한 제조업체를 찾는 것입니다.

이 기사에서는 군사용 RF 동축 커넥터의 주요한 전기적 및 기계적 선택 기준에 대해 살펴봅니다. Amphenol SV Microwave의 실제 사용 예를 제시하고 그 적용에 대해 설명합니다. 특히 검은색 크롬 RF 커넥터를 사용하는 틈새 응용 제품을 위해 고품질, 내구성, 무반사 마감을 사용하는 것에 중점을 둡니다.

고성능 RF 동축 케이블 및 커넥터

RF 부품이 군사용 응용 제품의 엄격한 기준에 충족함을 보장하는 가장 확실한 방법은 관련 군사 성능 사양(MIL-PRF)을 준수하는 부품을 구입하는 것입니다. 그런 기준에 적합한 RF 커넥터를 제공할 수 있는 업체는 몇 안 됩니다. 바로 그 기준에 적합한 등급의 제품을 만드는 회사 중 하나가 Amphenol SV Microwave입니다. 이 회사는 MIL-PRF M39012를 준수하는 400개 이상의 RF 커넥터를 제공합니다.

MIL-PRF-39012는 RF 커넥터의 핵심 표준입니다. 이 핵심 표준은 규정 준수를 보장하기 위해 여러 제조 단계에서 육안, 기계적 및 전기적 테스트가 필요합니다. 이 규격은 제조 시설 및 공정 또한 품질 표준을 충족하도록 요구합니다. MIL-PRF-39012를 충족하는 동축 커넥터 및 어댑터는 레이더, SATCOM 지상 장비, 항공우주 RF극초단파 조립품을 포함한 군사용(및 기타 고신뢰성) 응용 제품에 적합합니다.

MIL-PRF-39012 커넥터의 핵심 기준은 중앙 핀이 표준화된 깊이와 접착 품질 그리고 마감 품질로 금 도금이 되어 있어야 한다는 것입니다. 내부 접점의 금 도금은 혹독한 환경에서 장기간의 삽입 손실을 최소화하고 우수한 전기 접촉 단자를 보장합니다(그림 1).

그림 1: MIL-PRF-39012 커넥터의 핵심 기준은 중앙 핀이 표준화된 깊이와 접착 품질 그리고 마감 품질로 금 도금이 되어 있어야 한다는 것입니다. (이미지 출처: Amphenol)

RF 동축 케이블 설계 고려 사항

군사용 RF 동축 솔루션을 설계할 때, 케이블과 커넥터를 완전한 시스템으로 고려하는 것이 중요합니다. 이 시스템의 성능은 완벽한 조화를 이루어 작동하는 두 부품에 크게 의존합니다.

일반적인 동축 케이블은 구리 또는 구리 코팅된 강철선의 코어로 구성됩니다. 코어는 연결된 장비로 및/또는 장비에서부터 고주파수 입/출력 신호를 전달합니다. 종종 플라스틱으로 만들어진 유전체 절연체가 코어를 둘러싸고 있습니다. 절연체는 두께가 일정하며, 유전체를 둘러싸고 있는 금속 차폐와 코어 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 합니다. 이는 두께의 변화가 임피던스의 변화를 야기하고 신호 무결성에 후속적인 영향을 미치기 때문에 중요합니다.

금속 차폐는 구리, 알루미늄 또는 기타 금속으로 짜여져 있으며, 절연체를 단단히 감쌉니다. 그 역할은 내부 코어를 외부 전자파 장해(EMI)으로부터 보호하는 것입니다. 그런 다음 내부 도체를 절연하고 보호하기 위해 조립품을 고무 또는 플라스틱 재킷으로 감쌉니다(그림 2). 야외용 정격 케이블은 햇빛과 습기로부터 전선을 보호하기 위해 추가적인 절연과 특수 재킷이 필요합니다.

내부 코어는 고주파 신호를 전송하는 반면, 차폐류는 리턴 라인으로만 작동합니다. 두 도체 사이에는 전자기장이 존재하지만 전자기장은 차폐를 넘어 확장되지 않습니다. 이는 케이블을 통해 이동하는 RF 신호가 근처의 전기 및 전자 장비에 영향을 미치지 않는다는 것을 의미합니다.

그림 2: 동축 케이블은 내부 컨덕터, 플라스틱 유전체, 리턴 컨덕터/차폐 및 외관의 (검은색) 고무 또는 플라스틱 재킷의 네 부분으로 구성됩니다. (이미지 출처: Amphenol)

유전체 절연체가 중심 컨덕터에 닿으면 전기 에너지의 일부를 흡수합니다. 케이블 길이가 긴 경우, 신호 감쇠가 상당할 수 있습니다. 고효율 케이블은 스페이서를 사용하여 내부 도체와 최소한의 접촉을 하고 내부 도체와 외부 도체 사이에 일정한 공극을 형성하여 효율적인 유전체 역할을 하게 합니다.

임피던스의 중요성

고주파 RF 시스템에서, 전송 효율은 안테나의 임피던스를 송신기 또는 수신기의 임피던스와 일치시키는 데 달려 있습니다.

심각한 불일치는 순방향 이동 전력을 방해하고 정상 전압파를 발생시키기 때문에 안테나 효율성 저하를 초래합니다. 임피던스가 얼마나 잘 균등화되었는지에 대한 일반적인 척도는 전압 정재파비(VSWR)입니다. VSWR이 1이면 임피던스 불일치 손실이 없음을 나타내는 반면, 수치가 높을수록 손실이 증가함을 나타냅니다. 예를 들어 VSWR이 3.0이면 송신기 전력의 약 25%가 안테나 시스템에서 손실됨을 나타냅니다.

RF 커넥터와 케이블은 안테나 임피던스의 일부분을 구성하므로, RF 시스템의 효율성을 최대화하려면 설계자가 부품의 임피던스 값을 아는 것이 중요합니다. 동축 케이블의 특징적인 임피던스는 외부 컨덕터의 내부 지름에 대한 내부 컨덕터의 외부 지름의 비율에 비례합니다. 유전체 절연체의 주요 기능은 이러한 분리를 설정하고 유지하는 것입니다.

케이블 제조업체는 다른 임피던스의 제품도 제조하지만, 대부분의 경우 임피던스가 50Ω, 75Ω 또는 95Ω인 RF 케이블을 제공합니다. 다양한 고정 임피던스 외에도 케이블은 다양한 유전체 유형, 정전 용량, 외부 지름, 감쇠 특성 및 차폐 재료로 ​​제공됩니다.

이는 일반적으로 두 가지 시스템의 버전으로 분류됩니다. 이는 LMR(약자는 과거의 명칭을 그대로 사용하며, 중요한 것은 이 케이블들이 저손실 유형이라는 점)과 무선 통신 가이드(RG)로 분류됩니다. RG 유형에는 더 다양한 옵션이 있지만 모든 옵션이 군사용 사양을 충족하는 것은 아닙니다. 우수한 제조업체는 군사용 응용 제품을 선택하는 데 도움을 제공할 수 있습니다.

RF 동축 커넥터 고려 사항

RF 동축 커넥터를 사용하면 케이블을 무선 통신 장비에 단단히 부착할 수 있습니다. 아무리 좋은 케이블이라도 커넥터가 제대로 결합되지 않으면 전기 성능이 저하됩니다. 케이블과 커넥터 사이에서의 기계적으로 안정적이며 전기적으로 견고한 결합은 높은 주파수에서도 우수한 신호 무결성과 일관된 임피던스를 보장합니다. 무결성을 제공하는 한 방법은 케이블과 커넥터를 함께 지정하여, 제조업체로부터 완전한 조립품의 형태로 납품받는 것입니다. 제조업체는 고품질 연결을 보장할 수 있는 최고의 장비를 갖추고 있으며, 배송 전에 조립품의 무결성도 테스트합니다.

표준 분극화 수 커넥터는 센터 핀이 있고 셸 내부에 나사산이 있는 반면, 표준 분극화 암 커넥터는 센터 핀이 없고 셸 내부에 나사산이 있습니다. 수 커넥터와 암 커넥터를 결합하여 케이블을 연결하는 것은 케이블의 고유한 신호 손실을 증가시키므로 좋은 설계 방법이 아닙니다. 긴 길이의 케이블의 경우, 커넥터가 없는 일체형 케이블을 지정하는 것이 신호 손실이 적고 임피던스가 일관되므로 더 좋은 방법입니다. 수 커넥터를 다른 수 커넥터에 연결하거나 암 커넥터를 다른 암 커넥터에 연결하는 올바른 방법은 동축 케이블 어댑터를 사용하는 것입니다. 이 방법은 효과가 있지만, 신호 손실도 증가하므로 고사양 응용 제품에서는 권장하지 않습니다.

케이블과 마찬가지로 RF 커넥터는 다양한 유형과 고정 임피던스값으로 제공됩니다. 일반적인 예는 초소형 버전 A(SMA)입니다. 이 커넥터는 견고한 나사 유형 결합 메커니즘이 특징이며 표준 임피던스가 50Ω이며 DC 0Hz ~ 18GHz 사이에서 사용하도록 설계되었습니다. 응용 제품에는 극초단파 시스템과 핸드헬드 라디오 등이 있습니다(그림 3).

그림 3: SMA 커넥터는 스크루온 연결, 50Ω 임피던스를 제공하며 최대 18GHz의 RF 신호를 처리할 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol)

흔히 볼 수 있는 또 다른 유형은 초소형 버전 B(SMB)입니다. SMA보다 작고 스냅온 결합 설계를 제공합니다. 50Ω 및 75Ω 임피던스로 제공되며 최대 4GHz에서 작동합니다. 이 커넥터는 SMA 제품보다 덜 견고하므로, 열악한 환경에는 적합하지 않습니다.

다른 유형의 RF 커넥터는 다음과 같습니다. 케이블 모뎀 및 케이블 TV와 같은 응용 제품에 사용되는 F 유형, 두꺼운 케이블을 사용하는 상업용 응용 제품에 사용되는 N 유형, 셀룰러 통신 장치에 사용되는 FME, 야외 셀룰러 응용 제품에 사용되는 TNC, 아마추어 및 해양 무선 통신용 UHF가 있습니다.

RF 동축 케이블에 부착된 RF 커넥터는 통상적으로 벌크 헤드에 부착된 반대 유형의 커넥터에 나사로 고정하거나 RF 신호를 수신 또는 송신하는 장비에 직접 나사로 고정합니다. 벌크 헤드 유형은 외부 나사산이 있고, 거기에 케이블 커넥터의 내부 나사산이 결합됩니다 (그림 4). 표준화 덕분에 동일한 유형의 커넥터라면 어떤 제조업체의 제품 간에도 호환성이 거의 보장되기는 하지만, 그중에서도 케이블 RF 커넥터를 만드는 제조업체가 벌크 헤드 커넥터의 최상의 공급원입니다.

그림 4: SMA 벌크 헤드 커넥터는 외부 나사산이 있고, 거기에 케이블 커넥터의 내부 나사산이 결합됩니다 (그림 4). (이미지 출처: Amphenol)

무반사 RF 커넥터 옵션

우수한 제조업체는 다양한 종류의 직선형 커넥터, 각진 커넥터, 암/수 커넥터를 제공합니다. 그중에서도 Amphenol SV Microwave와 같은 제조업체에서는 특수 부품도 제공합니다. 이 회사 제품군에 추가된 주요 제품은 케이블 및 벌크 헤드 응용 제품 모두를 위한 무반사형 SMA RF 커넥터입니다.

산업용 RF 커넥터에서 사용하는 표준 스테인리스강 또는 황동 마감 처리는 여러 군사용 응용 제품에서는 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 소형 무기에 사용될 경우, 이러한 RF 커넥터는 자연광을 반사하여 전투원의 위치가 드러날 수 있습니다. 또는 항공기나 헬리콥터의 광학 장치에 사용되는 RF 커넥터는 표적 시스템의 정밀도를 훼손시키는 가벼운 잔광을 생성할 수도 있습니다.

무반사형 RF 커넥터에 대한 수요를 충족하기 위해, Amphenol은 검은색 크롬 SMA 수 케이블 커넥터 2911-61008(그림 5(왼쪽))과 짝이 맞는 검은색 크롬 SMA 암 벌크 헤드 커넥터 2921-61689(그림 5(오른쪽)를 출시했습니다. 이 제품의 임피던스는 50Ω이며 최대 500회의 연결 주기 동안 최대 18GHz의 RF 신호를 지원할 수 있습니다. 각 제품의 중앙 접촉 단자는 금 도금된 베릴륨 구리입니다. RF 커넥터는 RG-405(0.085in.), 반강성 RF 동축 케이블, 군사 사양에 부합하는 유형과 함께 사용하도록 설계되었으며, 방위 응용 제품에서 널리 사용됩니다.

그림 5: Amphenol의 군사 사양 SMA 수 케이블 커넥터(왼쪽) 및 암 벌크 헤드 커넥터(오른쪽)는 무반사형 검은색 크롬 도금 형태로 제공될 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol)

RF 커넥터의 본체 소재는 스테인리스강으로, 여기에 MIL-C-14538 표준을 충족하는 검은색 크롬 도금이 적용되었습니다. 이 사양이 적용된 검은색 크롬 도금은 군사 전용으로 단단하고 밀착성이 뛰어나며 내열성이 있고 반사가 전혀 없습니다. 이 커넥터는 케이블이 분리되었을 때 암 벌크 헤드 커넥터와 함께 사용할 수 있도록 무반사 SMA 수 먼지막이 캡 2911-61009가 지원됩니다.

결론

군사용 응용 제품은 먼지, 그리스, 열 및 진동의 영향을 받습니다. 이러한 군사용 응용 분야에서 커넥터와 케이블은 다년간 고주파수 신호를 안정적으로 전송할 것이 요구됩니다. 이러한 다양한 종류의 커넥터는 깨짐이나 마모 없이 열과 충격을 견딜 수 있을 만큼 견고하고 내구성이 뛰어난 무반사 코팅이 필요합니다.

RF 군사용 응용 제품 설계자는 군사 성능 사양 및 표준을 준수하는 제품을 제공하는 Amphenol SV Microwave와 같은 제조업체를 선택하여 자신의 설계가 성능 요구 사항을 충족하도록 할 수 있습니다.