극한 환경에서의 작동을 위한 RF 설계 최적화

무선 연결에 대한 의존도가 점점 더 커져감에 따라 해양 GPS, 산업용 IoT, 스마트 농업, 무인 항공기와 같은 응용 분야를 위한 시스템 설계자는 극한의 환경 조건에서 안정적으로 작동할 수 있는 RF 부품을 필요로 합니다. 해당 과제에는 진동, 먼지, 높은 습도, 물이나 다른 유체에 대한 노출, 염수 분사가 포함됩니다. 시스템은 이러한 열악한 환경을 견디도록 설계되어야 하지만 가장 중요한 것은 동축 연결을 통해 장치 간 또는 장치와 안테나 간에 RF 신호를 전송하는 RF 상호 연결입니다. 설계자는 작업에 적합한 커넥터와 케이블을 사용해야 하며 이와 동시에 늘어나는 성능 및 연결 밀도 요구 사항을 충족해야 합니다.

이 기사에서는 열악한 환경을 위한 설계 과제를 간단히 설명한 후 Amphenol RF의 RF 어댑터, 커넥터, 케이블 조립품을 소개합니다. 또한 이러한 부품이 습기, 먼지, 진동, 부식으로부터 보호를 제공하여 인클로저를 밀폐하는 동시에 고밀도 패키징에 적합한 소형 커넥터 본체에서 뛰어난 RF 성능을 제공하는 데 어떻게 도움을 주는지 보여줍니다.

극한의 환경

작업 현장부터 석유 굴착 장치에 이르기까지 산업용 사물 인터넷(IIoT)은 높은 습도, 증기, 액체 분무 또는 스플래시, 먼지, 부식성 화학 물질(예: 염수)을 포함한 환경에서 RF 장치를 사용하는 응용 제품의 한 예입니다(그림 1).

그림 1: 에지 게이트웨이와 통신하는 원격 무선 및 유선 센서를 갖춘 IIoT 시스템의 개념 구상도(전체적으로 RF 커넥터가 사용되었음). (이미지 출처: Art Pini)

IIoT는 센서, 액추에이터, 로봇 및 유사 장치를 사용하여 제조 공정을 향상시킵니다. 이러한 장치는 네트워크로 연결되어 있어 데이터 수집, 교환, 분석, 제어를 제공합니다. 여러 기계와 시스템에서 데이터를 공유하면 더욱 효율적이고 안정적인 산업 공정을 구현하는 데 도움이 됩니다.

이러한 장치를 설계할 경우 환경을 고려해야 합니다. 극한 환경에서는 장치를 밀폐해야 하며 모든 포트가 내식 및 누수/누손 기능을 갖춰야 합니다. 금속 인클로저는 외부 안테나를 필요로 합니다. 또한 장치 외부에 있는 센서와 다른 장치와의 신호 상호 연결을 위해 커넥터가 필요합니다. 안테나 또는 신호 케이블을 위한 동축 커넥터는 이러한 노출 허용 오차 요구 사항을 충족하기 위해 하우징과 가스켓을 사용하여 밀폐되어야 합니다. 산업 표준 IEC 60529는 침투 보호(IP) 등급을 사용하여 지정된 커넥터가 제공하는 보호 수준을 정의합니다. IP 등급은 문자 IP 다음에 2자리 숫자로 구성됩니다. 첫 번째 숫자는 먼지 및 고체 입자에 대한 보호 수준을 나타냅니다. 두 번째 숫자는 물 침투에 대한 보호 수준을 나타냅니다. IP 등급에 대한 정의는 보호 없음부터 완전한 보호까지 다양하며 숫자가 높을수록 더 강력한 보호 수준을 나타냅니다(그림 2).

그림 2: IEC 60529에 따른 먼지 및 물 유입에 대한 침투 보호 (이미지 출처: Amphenol RF)

극한 환경에 적합한 커넥터는 IP 등급 67 또는 68을 갖춰야 합니다. IP67 등급은 방진 밀폐와 물에 대한 보호(최대 1미터 깊이에서 30분 동안 완전 침수)를 나타냅니다.

IP67 등급 동축 커넥터

Amphenol RF는 다양한 방진 및 방수 IP 등급 SMA, BNC, TNC 유형 동축 커넥터를 제공합니다. 모델 901-10746-EE는 벌크헤드 실장을 위해 고안된 RG-58 케이블용 SMA 잭의 한 예이며 IP67 등급입니다(그림 3).

그림 3: RF 901-10746-EE 벌크헤드 잭은 IP67 등급으로 방수, 방진 및 염부 부식에 대한 내성을 갖추고 있습니다. (이미지 출처: Amphenol RF)

이 SMA 커넥터(암)의 전기적 특성에는 RG-58 동축 케이블의 경우 공칭 50옴(Ω)의 임피던스가 포함됩니다. 이 커넥터는 DC ~ 6기가헤르츠(GHz)의 주파수 범위에서 작동하며 1.30:1의 최대 전압 정재파비(VSWR)을 제공합니다(-18데시벨(dB)의 반사 손실에 해당함). 또한 1000볼트 RMS(Vrms)의 유전 파괴 등급을 갖추고 있습니다. 이 장치의 작동 온도 범위는 -65°C ~ +165°C입니다. 조립 공정은 중앙 컨덕터를 커넥터 핀에 납땜하는 것으로 시작합니다. 핀과 케이블은 널링 상에 브레이드가 있는 상태로 커넥터에 삽입됩니다. 그런 다음 페룰이 브레이드 위에 크림프됩니다. O-링 가스켓은 커넥터 본체를 실장 패널에 밀폐시킵니다.

커넥터 본체는 황동이고 페룰은 구리이며 둘 모두 내부식성 주석-니켈 합금 도금으로 처리되었습니다. 이 도금은 720시간 반복된 5% 염용액에 대해 MIL-STD-202 방법 101 염수 분무 표준을 충족합니다. 염수 분무 노출 후 도금 무결성이 검증되고 접촉 저항 및 반사 손실을 포함하여, 커넥터의 RF 성능이 다시 테스트됩니다.

중앙 컨덕터 접점은 금도금을 사용하는 베릴륨-구리로 구성되어 있으며 테플론 유전체에 삽입됩니다. 이는 케이블과 페룰을 사용하여 조립된 경우 비결합 상태에서 IP67 요구 사항을 충족합니다.

이 커넥터는 스테인리스강 하드웨어를 통해 패널에 실장되며 실리콘 고무로 밀폐되어 있어 물리적 무결성과 IP67 준수를 보장합니다.

결합되는 SMA 플러그는 Amphenol RF 901-9876-RFX-EE입니다. 이 인라인, 케이블 실장 SMA 플러그는 벌크헤드 잭과 동일한 재료 구성과 도금을 사용하며 동일한 온도 범위에서 작동합니다. 이 플러그는 잭의 나사형 본체에서 나사형 페룰을 사용하여 잭과 결합됩니다. 901-10746-EE와 같이 이 플러그는 IP67 등급이며 RG-58 케이블과 함께 사용하도록 설계되었습니다. 또한 DC ~ 12.4GHz의 작동 주파수 범위를 가집니다.

극한 환경을 위한 이러한 RF 커넥터는 또한 BNC 및 TNC 유형으로 제공됩니다. TNC 커넥터는 BNC 커넥터의 나선형 버전입니다. 나선형 커넥터는 지정된 토크에 맞게 조여질 경우 내진동성을 가집니다. 031-6501-EE(그림 4, 왼쪽)는 동일한 재료를 사용하는 TNC 직각 플러그이며 SMA 커넥터와 동일한 IP67 및 내부식성 표준을 충족합니다. 이는 -40°C ~ 85°C의 온도 범위에서 작동합니다. 전기적으로는 50Ω 특성 임피던스와 최대 6GHz의 작동 주파수 범위를 가집니다. 직각 커넥터는 케이블 굽힘에 대한 필요성을 제거하여 동축 케이블에 대한 손상 가능성을 최소화합니다. 이와 동시에 IIoT 및 유사 시스템에서 사용되는 소형 인클로저에서 공간을 절약합니다. 031-6501-EE는 짝을 이루는 벌크헤드 어댑터(예: AD-TNCJTNCJ-EE)와 결합할 수 있습니다(그림 4, 오른쪽).

그림 4: 직각 031-6501-EE TNC 플러그 및 AD-TNCJTNCJ-EE TNC 벌크헤드 어댑터는 케이블을 구부리지 않고도 정확하게 방향을 돌릴 수 있으며 콤팩트한 IIoT 인클로저에서 공간을 절약할 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol RF)

AD-TNCJTNCJ-EE는 IP68 등급이고 내부식성이 있으며 -65°C ~ +165°C 온도 범위에서 작동합니다. 특성 임피던스는 50Ω이며 최대 18GHz에서 작동합니다. VSWR은 0GHz ~ 11GHz 주파수의 경우 1.2:1(-21dB의 반사 손실에 해당함)이고 11GHz ~ 18GH의 주파수의 경우 1.3:1(-18 dB의 반사 손실에 해당함)입니다. 벌크헤드 어댑터를 사용하면 실장 패널이나 도어에서 케이블을 분리하여 서비스 시 쉽게 제거할 수 있습니다.

BNC 커넥터는 TNC 장치와 유사하므로 잠금 메커니즘에서 우선적으로 구별됩니다. BNC는 빠른 연결/분리 커넥터로, 잭 측에서 플러그 조립에서 슬롯을 맞물리게 하는 2개의 베이요넷 러그를 사용하여 쿼터(1/4) 회전을 통해 함께 고정합니다. 또한 IP67 침투 보호와 염수 분무에 대한 내부식성을 제공합니다.

031-6924-EE BNC 플러그(그림 5, 왼쪽)는 -40°C ~ +85°C의 작동 온도를 가집니다. 50Ω 특성 임피던스는 RG-58 케이블과 호환됩니다. VSWR 1.30:1(반사 손실 -18dB에 해당) 및 DC ~ 6GHz의 주파수 범위를 제공합니다.

AD-BNCJBNCJ-EE 결합 리셉터클(그림 5, 오른쪽)은 잭-잭 벌크헤드 어댑터로 12GHz의 최대 주파수를 가진 50Ω 커넥터이기도 합니다. VSWR은 DC ~ 4GHz에서 1.30:1(반사 손실 -18dB에 해당함), 4GHz ~ 12GHz에서 1.45:1 (반사 손실 -15dB에 해당함)입니다. 작동 온도 범위는 -40°C ~ +85°C입니다.

그림 5: BNC 극한 노출 커넥터 부품은 빠른 연결/분리에 사용됩니다. (이미지 출처: Amphenol RF)

결론

무선 장치를 설계할 경우 기능 및 수명을 보장하기 위해 물리적 및 전기적 응용 요구 사항을 고려해야 합니다. 무선 시스템에 사용되는 동축 RF 커넥터는 주변 환경에 관계없이 신호 무결성을 유지하는 일차적 과제가 있습니다. 이 과제를 해결하기 위해서는 반드시 진동, 액체 침입, 먼지, 부식을 견딜 수 있는 고신뢰성 커넥터 및 어댑터를 선택해야 합니다. Amphenol RF 극한 노출 커넥터는 열악한 환경에서 작동하도록 고안된 설계에 이상적입니다.