RF 응용 분야를 위한 동축 커넥터 선택, 사용 및 유지 방법

무선 주파수(RF) 회로는 Wi-Fi 및 사물 인터넷(IoT)에 사용되는 다양한 무선 기술을 포함하여 유무선 통신 모두에서 확산되고 있습니다. 이러한 고주파 신호는 최소 손실 또는 스퓨리어스 방사로 시스템, 회로 부품, 하위 조립품 사이에 분배되어야 합니다.

이는 전통적으로 RF 동축 케이블 및 커넥터의 역할이지만, 설계자는 시간, 비용, 신뢰성 측면에서 최적의 RF 커넥터를 신속하게 선택하고 올바르게 적용하여 최대 성능 및 긴 사용 수명을 확보해야 합니다.

이 기사에서는 RF 커넥터를 크기, 주파수 범위, 손실, 내구성과 같은 주요 파라미터의 관점에서 바라보고, 설계자가 자신의 커넥터를 RF 응용 제품과 연결할 수 있도록 도움을 제공합니다. 또한 적절한 솔루션을 제시하고 이를 적용하고 유지 관리하는 방법에 대한 유용한 정보를 제공합니다.

RF 동축 커넥터

RF 동축 커넥터와 케이블은 통신, 동보 통신, 무선, 테스트 및 측정 용도에서 주요 RF 링크를 제공합니다. 또한 RF 시스템, 부품, 하위 조립품 및 동축 케이블 또는 스트립 라인을 사용하는 장치 사이에 저손실 경로를 제공합니다. 기본 동축 구조는 동심원의 절연 유전체층으로 둘러싸인 중심 컨덕터로 구성됩니다. 그 다음에는 원통형 전도성 셸에 의해 둘러싸입니다. 케이블 소자의 크기는 전송선으로서 효율적으로 기능하는 데 요구되는 일정한 컨덕터 크기와 간격을 제공하도록 정밀하게 제어됩니다. RF 커넥터는 동축 케이블 및 스트립 라인 전송 라인을 다른 부품 또는 하위 조립품에 결합하기 위한 접합부를 제공합니다. 이 커넥터는 지속적인 전기 임피던스를 유지하면서 잠금 매커니즘과 함께 인터로크 컨덕터를 추가하여 동축 구조를 확장합니다. 그림 1에서는 Amphenol RF의 서브미니어처 유형 A(SMA) 커넥터 소자 결합 쌍을 보여 줍니다.

그림 1: SMA 커넥터 쌍은 동축 커넥터의 한 예이며, 이 이미지에서는 결합 내부 컨덕터, 유전체층, 잠금 외부 컨덕터를 보여줍니다. (이미지 출처: Amphenol RF)

왼쪽 이미지는 커넥터 쌍의 수 또는 플러그 반쪽입니다. 오른쪽 이미지는 커넥터 쌍의 암, 잭, 또는 리셉터클 반쪽입니다. 일반적으로 플러그에는 돌출된 중심 컨덕터가 있으며 외부 컨덕터에 내부 잠금 나사가 있습니다. 리셉터클에는 오목한 내부 컨덕터와 외부 잠금 나사가 있습니다. ‘역극성’ 커넥터 유형 중 일부는 잠금 나사가 반대로 있어서, 수 부품에 외부 나사가 있고 암 부품에 내부 나사가 있습니다. 기타 잠금 매커니즘에는 트위스트 잠금, 베이요넷 연결 또는 스냅 잠금 링이 있습니다.

이 SMA 커넥터 쌍과 같은 대부분의 동축 커넥터는 암수 구별이 있어, 각 반쪽의 구조가 다릅니다. 일부 커넥터는 접합부의 각 면이 동일한 구조로 되어 있습니다. 이는 주로 실험실 응용 제품용으로 고안된 고정밀 커넥터입니다.

동축 커넥터 유형

무수히 많은 RF 커넥터가 있지만 각 커넥터는 여러 주요 파라미터로 차별화됩니다. 이러한 사양에는 물리적 크기, 임피던스, VSWR, 결합 유형, 대역폭 또는 주파수 범위가 포함됩니다(표 1).

표 1: 일반적으로 사용되는 동축 커넥터 사양 요약표 (데이터 출처: DigiKey)

커넥터 대역폭

동축 커넥터의 핵심 사양은 커넥터의 대역폭입니다. 대역폭은 커넥터가 사용될 수 있는 최고 주파수를 알려줍니다. 커넥터의 최대 사용 가능 주파수는 외부 셸의 지름과 유전체로 사용되는 재료의 함수입니다. 셸 지름이 작을수록 사용 가능한 최대 주파수가 높아집니다. 마찬가지로, 공기를 유전체로 사용하면 다른 유전체에 비해 가장 높은 주파수 성능을 제공합니다. 따라서, 가장 높은 대역폭의 커넥터는 공기를 유전체로 사용합니다.

커넥터 임피던스

최대 전력 전달을 보장하고 반사로 인한 전력 손실을 줄이려면, 커넥터의 특성 임피던스가 소스 및 부하와 일치해야 합니다. 일반적인 RF 응용 분야를 위한 대부분 커넥터는 50Ω 임피던스를 제공하도록 설계되었습니다. 75Ω 커넥터는 비디오 관련 응용 제품에 사용할 수 있습니다.

VSWR

전압 정재파비(VSWR)는 결합된 커넥터의 유효 임피던스의 척도입니다. VSWR가 높을수록 임피던스 불일치로 인해 커넥터에서 더 많은 전력이 반사됩니다. VSWR는 주파수 함수이므로, 커넥터 VSWR 값은 동일한 주파수에서만 비교되어야 합니다.

결합 매커니즘

결합 열에는 사용된 기계식 잠금 매커니즘의 유형이 나열되어 있습니다. 이는 커넥터가 진동의 영향을 받는 응용 분야에서 매우 중요합니다. 결합은 일반적으로 연결의 용이성과 안전한 잠금 사이의 트레이드 오프입니다. 이전의 그림 1에 표시된 SMA 커넥터 쌍은 나선형 결합 방식의 예입니다. 그림 2에는 베이요넷과 스냅온 결합의 예가 나와 있으며, 각각 BNC 및 SMP 커넥터 유형을 사용합니다.

그림 2: 베이요넷과 스냅온 결합의 예 이 결합 방법은 진동이 예상되는 응용 분야에서 중요하며, 사용 용이성과 안전한 잠금 사이의 트레이드 오프입니다. (이미지 출처: DigiKey)

커넥터 크기와 내구성

소형화 추세를 고려할 때, 커넥터 선택에 있어서 크기는 중요한 역할을 합니다. 다시, 표 1는 나열된 커넥터의 크기 등급을 보여줍니다. 크기와 커넥터 수명 사이에는 트레이드 오프가 있습니다. 커넥터가 작을수록 사용 가능한 연결/분리 결합 주기가 줄어듭니다. 큰 N 커넥터가 500회의 결합 주기 이상의 내구성을 가질 수 있는 것에 반해, 마이크로 미니어처 U.FL 커넥터의 내구성은 30회 결합 주기로 제한됩니다. 모든 커넥터의 수명은 제조업체에 따라 다르며, 수명이 중요한 파라미터라면 사양을 반드시 확인해야 합니다.

테스트 및 측정 장비와 같이, 일반적으로 결합 주기가 많은 응용 분야에 사용되는 동축 커넥터는 대개 '커넥터 세이버'를 사용하여 보호됩니다. 이렇게 쉽게 교체할 수 있는 어댑터는 계측 커넥터와 결합하여 여러 용도로 사용할 수 있는 소모성 커넥터 본체를 제공합니다.

커넥터 등급 및 산업 사양

커넥터는 몇 가지 다른 등급으로 분류됩니다. 표 1에서 1mm ~ 2.92mm의 정밀 커넥터와 N 커넥터는 IEEE-STD-287에 속합니다. 이러한 커넥터는 광대역폭 응용 제품에 지정된 대로, 더욱 정밀한 치수 허용 오차를 가집니다. 더 보편적인 커넥터는 MIL-STD-348에 속하거나 CECC 22220과 같은 유럽 표준 중 하나에 속합니다. 이러한 커넥터의 허용 오차 범위는 상대적으로 덜 엄격하므로, 비용을 절감할 수 있습니다.

연결 호환성

다양한 제품군에서 커넥터를 연결할 수 있는 성능 역시 커넥터 등급과 관련이 있습니다. 표 1는 교체 가능한 여러 가지 커넥터 결합을 보여줍니다. 1.85mm 및 2.4mm 커넥터는 서로 교체가 가능하고, 마찬가지로 2.92mm 및 3.5mm 커넥터도 서로 교체 가능합니다. 2.92mm와 3.5mm 수 커넥터 본체는 SMA 암 커넥터와 결합할 수 있으며 전반적 대역폭의 감소가 따릅니다. 허용 오차 범위 등급의 차이로 인해 SMA 수 커넥터와 2.92mm 또는 3.5mm 암 커넥터 중 하나를 결합하는 것은 좋지 않습니다. SMA의 더 넓은 기계적 허용 오차 범위로 인해 정밀 커넥터의 리셉터클 핀이 손상될 수 있습니다.

커넥터 전력 등급

제조업체는 응용 제품에 따라 내전력 사양이 매우 다르기 때문에 커넥터의 내전력을 평가하지 않습니다. 커넥터의 내전력은 주파수, 시스템 VSWR, 온도, 고도 및 부하 임피던스에 따라 다릅니다. 일반적으로 전력 핸들링은 커넥터의 크기와 열 방출 능력에 따라 직접적으로 달라집니다. 최대 내전력은 주파수가 증가함에 따라 감소합니다.

최상의 전력 핸들링 성능을 갖춘 커넥터는 300W와 400W를 핸들링할 수 있는 N 커넥터입니다. BNC 및 SMA 커넥터가 각각 2위와 3위입니다. 정밀 커넥터는 수십 와트로 제한됩니다. 또한, 고전력 작동이 필요한 경우에는 제조업체에 문의하여 정밀한 내전력 사양에 관한 추가 정보를 얻어야 합니다.

커넥터 사용

커넥터를 사용하기 전에 금속 입자, 구부러진 중심 컨덕터, 으스러지거나 변형된 외부 셸(그림 3) 등의 손상이 없는지 점검해야 합니다. 모든 손상은 수리하거나, 손상된 커넥터를 교체해야 합니다. 커넥터는 먼지 및 기타 오염 물질이 쌓여 있지 않은 상태로 깨끗해야 합니다. 커넥터 본체는 들러붙음이나 전파 방해 없이 매끄럽게 결합해야 합니다. 커넥터를 억지로 결합하지 마십시오. 문제가 발생할 경우 커넥터를 다시 검사하여 문제의 원인을 확인해야 합니다.

나사식 커넥터를 결합할 때는 커넥터 본체나 케이블이 아니라 외부 셸만 돌려주십시오. 커넥터 본체를 돌리면 중심 컨덕터가 손상될 수 있습니다. 외부 페룰이 손으로 조여지면, 보정된 토크 렌치를 사용하여 제조업체의 지시에 따라 지정된 잠금 토크를 획득합니다.

Figure 3: (왼쪽) 먼지와 금속 부스러기가 유전체 위에 쌓여 있을 때의 SMA 커넥터의 예. (오른쪽) 같은 커넥터를 이소프로필 알코올과 면봉으로 청소한 후의 이미지 (이미지 출처: DigiKey)

커넥터 유지 보수

커넥터는 깨끗하게 유지해야 합니다. 커넥터를 사용하지 않을 때는 보호 캡을 사용하는 것이 청결 유지를 위한 가장 좋은 방법입니다. 커넥터가 먼지로 오염될 경우 청소를 해야 합니다. 고체 유전체가 있는 커넥터는 이소프로필 알코올을 묻힌, 보푸라기가 없는 면봉으로 닦아낼 수 있습니다. 중심 컨덕터 핀이 구부러지지 않도록 주의하십시오. 나사식 커넥터의 내부 및 외부도 청소하는 것이 좋습니다. 소자를 고정하는 유전체 비드가 용제에 의해 손상될 수 있으므로, 공기 유전체를 사용하는 커넥터에는 면봉을 사용하지 마십시오. 이러한 커넥터는 건조한 압축 공기를 사용하여 청소할 수 있습니다.

동축 커넥터 선택

동축 커넥터를 선택하려면 사용되는 신호를 처리하는 데 필요한 대역폭에 대한 고려를 비롯하여 크기 및 기계적 구성(플러그, 리셉터클, 납땜, 패널 실장 등)을 고려해야 합니다. 1GHz 신호 발생기의 출력 커넥터를 예로 들어보겠습니다. 이 커넥터는 테스트 및 측정 신호 소스이므로, BNC 커넥터가 일반적으로 사용됩니다. BNC의 대역폭은 1GHz 이상이며 패널 실장 리셉터클로 사용할 수 있습니다. Amphenol의 RF 모델 31-221-RFX BNC 리셉터클은 좋은 선택입니다.

10Ghz가 넘는 주파수 신호용 커넥터를 선택하는 경우에는 Amphenol SV Microwave의 SF2950-6062와 같은 SMA 커넥터 또는 Amphenol SV Microwave의 SF1521-60013과 같은 정밀 2.92mm 커넥터를 고려해 보십시오. 이 선택은 대역폭과 비용 간의 트레이드 오프에 의해 결정될 수 있습니다. 2.9mm 커넥터는 SMA 대역폭의 2배 이상이지만, 이러한 대역폭의 장점을 누리는 대신 거의 3배의 비용이 듭니다.

크기가 지배적인 사양이라면, 커넥터의 내구성을 고려해야 합니다. 예를 들어, Molex LLC의 MMCX 잭 모델 0734152063은 500회 결합 주기로 등급이 매겨져 있습니다. Hirose Electric Co.의 U.FL-R-SMT(10)은 더 작지만, 30회 결합 주기만 유지할 수 있습니다. 또한 상당한 비용 차이가 있을 수 있습니다.

결론

이 기사에서는 다양한 RF 동축 커넥터를 살펴보고 각각의 기본 특성을 요약 검토했습니다. 이러한 요약 검토는 설계자가 자신의 설계에 적합한 커넥터를 선택할 때 좋은 출발점이 됩니다. 위에서 살펴본 바와 같이, 겉보기에는 단순한 RF 동축 커넥터를 선택할 때, 면밀하게 엔지니어링 요구 사항을 검토하는 것이 중요합니다. 보다 자세한 추가 정보를 위해서는 제조업체의 규격서를 더 면밀히 참고하는 것을 권장합니다.