유용성이 뛰어난 동축 어댑터의 기본 사항 이해를 통해 이 유용한 부품의 활용도 개선

고주파 전기 신호의 전송 또는 수신에 관련된 전자 기기 장비 사용자는 빈번하게 사용되는 동축 연결에 익숙합니다. 따라서 이러한 연결 유형은 다소 당연하다고 간주될 수 있습니다. 여러 기기를 서로 연결하거나 동축 케이블을 연장하기 전까지는 말입니다. 이 시점에서, 설계자 또는 다른 장비 사용자는 어댑터로 전환할 수 있습니다. 그러나 이러한 전환을 수행하기 전에, 사용되는 어댑터 유형 각각에 대한 영향과 특성을 완전하게 이해해야 합니다.

어댑터가 다양한 데에는 이유가 있습니다. “티”는 단일 신호 소스를 여러 기기에 연결하고 “배럴”은 동축 케이블 연결을 연장합니다. 그 다음에는 DC 블록, 바이어스 티, 임피던스 패드, 서지 보호기, 종단이 있습니다. 모두 흔하게 사용되지만 완전히 이해하기 어려운 경우도 있습니다. 이러한 어댑터를 올바르게 사용하려면 전송선에 대한 기본 지식이 필요하며 신중하게 선택해야 합니다.

이 기사에서는 전송선에 대한 간략한 개요를 제공합니다. 그런 다음 다양한 유형의 동축 어댑터를 소개하고 이러한 동축 어댑터의 작동 방식을 설명하며 최적의 응용 방법을 보여줍니다. Amphenol RF, Amphenol의 Times Microwave Systems 및 Crystek Corporation의 실제 예가 사용됩니다.

전송선이란?

동축 케이블, 플랫선, 마이크로 스트립 등의 형태로 제공되는 전송선은 신호 소스를 부하에 연결합니다. 전송선은 컨덕터의 물리적 치수, 간격, 컨덕터를 분리하는 데 사용되는 유전체 재료에 의해 결정되는 특성 임피던스를 가집니다. 가장 일반적으로 사용되는 동축 케이블은 일반 RF 작업을 위한 50옴(W) 또는 비디오 응용 제품을 위한 75W의 특성 임피던스를 가집니다.

소스에서 부하로 전력을 전송하는 데 최대 효율을 보장하려면 소스의 임피던스, 전송선의 특성 임피던스, 부하 임피던스가 일치해야 합니다. 임피던스가 다를 경우 부정합 접합에서 일부 에너지가 반사됩니다. 예를 들어, 부하 임피던스가 소스 및 전송선 임피던스와 다를 경우 부하에서 소스 방향으로 에너지가 역반사됩니다(그림 1).

그림 1: 부정합 부하를 가진 동축선은 부하에서 소스 방향으로 에너지가 역반사되므로 전송 경로에 정상파가 생성됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

전송 경로를 따라 입사파 및 반사파가 부가적으로 결합되어 정상파를 생성하며 이 정상파는 경로의 물리적 길이에 걸쳐 증폭이 주기적으로 달라집니다. 정상파로 인해 측정 오차가 발생하며 부품에 손상을 줄 수 있습니다. 소스, 전송선 및 부하의 임피던스 일치는 정상파가 생성되지 않도록 방지하므로 전력을 소스에서 부하로 가장 효율적으로 전송할 수 있도록 합니다.

임피던스 일치 요구 사항으로 인해, 적절한 어댑터를 사용하는 것이 중요합니다. 그러나 설계자는 곧 어댑터가 많고 다양하며 기본 연결을 형성하는 그 이상의 특징을 갖는다는 사실을 알게 될 것입니다.

티 어댑터

단일 소스, 오슬로스코프, 스펙트럼 분석기로 구성된 기본 기기 시스템을 고려해 보겠습니다(그림 2).

그림 2: 티 어댑터를 사용하여 이 예의 3개 기기를 연결하려면 신호 소스에서의 부정합을 방지하기 위해 오실로스코프의 입력 임피던스를 조정해야 합니다. (이미지 출처: DigiKey)

신호 소스는 50Ω의 출력 임피던스를 가지며 50Ω 부하에서 작동하도록 고안되었습니다. 티 어댑터를 사용하여 모두 50Ω 입력 종단으로 설정된 오실로스코프와 스펙트럼 분석기를 연결하는 경우 신호 소스에는 25Ω 부하가 나타나 출력을 감소시키고 케이블에 정상파가 형성됩니다. 여기서 비밀은 위와 같이 동축선의 중간에 있는 기기를 고임피던스 입력 종단으로 설정하고 동축선의 끝 편에 있는 기기를 50Ω 입력 종단으로 설정하는 것입니다. 신호 소스는 이를 50Ω 부하로 인지하므로 이제 모든 것이 잘 작동할 것입니다.

Amphenol RF 112461(그림 3)은 단일 BNC 플러그, 2개의 BNC 잭, 4GHz의 대역폭을 갖는 BNC 티입니다. 대역폭이 4GHz 미만인 기기의 경우 이 예에 표시된 구성으로 사용될 수 있습니다.

그림 3: Amphenol 112461 BNC 티는 4GHz 대역폭을 제공합니다. 그림 1에 표시된 예에서, 플러그는 오실로스코프 입력으로 연결되며 동축 케이블은 BNC 잭에서 신호 소스 및 스펙트럼 분석기로 연결됩니다. (이미지 출처: Amphenol RF)

선택할 티 유형은 기기에서 사용되는 커넥터에 따라 달라지며 해당 기기의 대역폭을 기준으로 합니다. 일반적으로, 티와 같은 동축 어댑터는 40GHz를 초과하는 대역폭에 사용할 수 없습니다. 이러한 주파수에서는 신호 손실이 어댑터의 문제가 되기 때문입니다. 일반적으로 어댑터가 제공되는 일반적인 기기 동축 커넥터 목록이 각각의 핵심 속성과 함께 표시되어 있습니다(표 1).

표 1: 어댑터가 제공되는 일반적인 동축 커넥터 제품군. 40GHz가 넘는 경우 어댑터에 작동 적합성에 방해가 되는 손실이 발생합니다. (표 출처: DigiKey)

커넥터 제품군 어댑터

커넥터 유형이 여러 개인 경우 커넥터 유형 간에 변환할 수 있어야 합니다. 오실로스코프 또는 스펙트럼 분석기에 있는 입력 BNC 커넥터에서 SMA 케이블을 피팅해야 하는 경우를 고려해 보겠습니다. 이런 경우를 위해 Amphenol RF 242103은 기기에 연결하기 위한 BNC 플러그와 SMA 케이블을 받기 위한 SMA 잭을 제공합니다(그림 4).

그림 4: A BNC - SMA 어댑터는 SMA 케이블을 기기 입력에 연결하는 데 필요할 수 있으므로 BNC 잭과 SMA 플러그 사이에 피팅됩니다. (이미지 출처: Amphenol RF)

장비 사용자는 어댑터가 사용될 때마다 두 커넥터 제품군의 대역폭을 낮추기 위해 상호 연결의 대역폭을 줄여야 한다는 점에 유의해야 합니다. BNC - SMA 어댑터의 경우 대역폭은 BNC에서 상속되는 4GHz입니다.

50Ω에서 75Ω으로 또는 75Ω에서 50Ω으로의 임피던스 변경을 제공하는 어댑터도 있습니다.

배럴 및 벌크헤드 어댑터

케이블을 연장하거나 패널을 통해 케이블을 가져오려면 직류 배럴 또는 벌크헤드 어댑터를 사용해야 합니다. 이는 표 1에 표시된 커넥터 제품군에 사용 가능합니다. 예를 들어 Amphenol RF 132170 벌크헤드 어댑터는 SMA 플러그를 사용하는 케이블을 통해 벌크 헤드 또는 패널의 한 쪽에 연결할 수 있는 2개의 SMA 잭을 제공합니다(그림 5).

그림 5: 예를 들어 벌크헤드 SMA 커넥터는 패널에 실장하여 이를 통해 동축 연결을 전달할 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol RF)

배럴 커넥터는 잭-잭, 플러그-플러그 및 플러그-잭(자주 사용되지는 않음)으로 구성될 수 있습니다.

종단

50Ω 소스에서 여러 개의 고임피던스 입력 기기를 직렬로 연결하려면 50Ω 종단이 필요합니다(그림 6).

그림 6: 여러 고임피던스 입력 장치를 50Ω 소스에 연결할 경우 동축선에서의 반사를 방지하기 위해 외부 50Ω 종단기가 필요합니다. (이미지 출처: DigiKey)

Amphenol RF 202120 50Ω 종단기는 BNC 잭으로 구성된 동축 종단의 한 예입니다(그림 7).

그림 7: Amphenol RF 202120은 BNC 잭으로 구성된 50Ω 종단입니다. (이미지 출처: Amphenol RF)

BNC 잭은 동축 케이블을 바로 수용합니다. BNC 잭과 결합하는 BNC 플러그 형태의 종단도 있습니다. 이는 프런트 패널에서 기기를 직접 종단할 때 유용합니다. 대부분의 오실로스코프가 고임피던스 및 50Ω 입력을 모두 제공하지만 50Ω 범위 입력에 대해 일반적으로 5V의 전압 제한이 있습니다. 오실로스코프는 또한 50Ω 입력에 대해 0.5W 전력 제한이 있습니다. 202120은 1W를 기준으로 정격화되었으며 7V 이상을 처리할 수 있습니다.

다른 임피던스에 대해서도 종단이 제공됩니다. 예를 들어, 75Ω 종단기는 일반적으로 텔레비전 및 비디오 응용 제품에서 일반적으로 사용됩니다. 0Ω 또는 단락 종단은 네트워크 분석기를 보정할 때 사용됩니다.

DC 블록 및 바이어스 티

DC 블록은 직류 신호를 차단하고 RF 신호를 통과시키는 동축 어댑터입니다. 이는 커패시터에 의해 차단되는 DC로부터 민감한 RF 부품을 보호하는 데 사용됩니다. 3가지 유형의 DC 블록이 있습니다.

• 내부 DC 블록은 동축 케이블의 내부 또는 중간 컨덕터와 직렬로 단일 커패시터를 사용합니다.
• 외부 DC 블록은 동축 케이블의 실드 컨덕터와 직렬로 커패시터를 사용합니다.
• 내부/외부 DC 블록은 내부 및 외부 컨덕터와 직렬로 커패시터를 사용합니다.

DC 블록의 모든 유형은 특정 특성 임피던스, 일반적으로 50Ω 또는 75Ω에 대해 지정되었습니다. Crystek Corporation CBLK-300-3은 작동 주파수 범위에 걸쳐 낮은 삽입 및 반사 손실로 최대 16V의 DC 레벨을 차단하면서 300kHz ~ 3GHz 주파수의 신호를 전달하는 50Ω, 내부 컨덕터 DC 블록입니다.

그림 8: Crystek CBLK-300-3은 DC를 차단하고 300kHz ~ 3GHz 주파수의 신호를 전달합니다. (이미지 출처: Crystek Corporation)

바이어스 티

바이어스 티는 DC 블록과 연관이 있습니다. 이는 DC 전력이 포트에 인가되는 3포트 어댑터입니다. 두 번째 포트는 DC 바이어스와 분리된 RF 포트의 인시던트 RF 신호를 결합합니다(그림 9).

그림 9: 바이어스 티에는 3개 포트가 있습니다. 하나는 DC 바이어스를 인가하기 위한 것이고 두 번째는 분리된 RF 포트이며 세 번째는 RF 신호와 DC 바이어스를 결합합니다. (이미지 출처: Crystek Corporation)

바이어스 티는 RF 수신기에 연결하기 위한 비DC 포트를 제공하면서, DC 전력을 포함한 안테나에 실장된 저전력 증폭기(LNA)와 같은 원격 전자 기기에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. DC 바이어스는 RF가 DC 소스에 인가되지 않도록 차단하는 직렬 연결 인덕터를 통해 인가됩니다. DC 블록처럼 RF 전용 포트는 직렬 연결 커패시터에 의해 DC 입력에서 분리됩니다. 결합된 포트는 RF 부품 및 DC 부품을 모두 통과합니다.

Crystek Corporation BTEE-01-50-6000은 SMA 잭을 사용하고 50MHz ~ 6GHz의 RF 대역폭을 갖는 바이어스티 입니다. RF 포트는 2W의 최대 전력 레벨을 갖는 RF 신호를 받습니다. DC 포트는 16V의 최대 DC 입력을 갖습니다. 바이어스 티의 삽입 손실은 일반적으로 0.5dB(2GHz 기준)입니다. 작동 시 RF+DC 포트는 LNA 및 안테나에 연결됩니다. DC 전원은 DC 포트에 연결되고 수신기는 RF 포트에 연결됩니다.

인라인 필터

인라인 필터는 또 다른 유용한 동축 어댑터입니다. BNC 또는 SMA 커넥터 유형에 대해 저역 통과 필터, 고역 통과 필터, 대역폭 필터가 제공됩니다. 이는 케이블에서 전송되는 신호의 스펙트럼을 제어하기 위해 사용됩니다. 예를 들어, 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 유효 비트 수를 측정하려면 신호 생성기와 ADC 사이에 저역 통과 필터를 삽입할 수 있습니다. 이 필터는 생성기의 고조파 레벨을 감쇠시키므로 측정 정확도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 따라서 더 저가의 신호 생성기를 사용할 수 있습니다.

이러한 장치의 좋은 예로 100MHz의 차단 주파수를 갖는 Crystek의 CLPFL-0100, 7차, 100MHz 저역 통과 필터를 들 수 있습니다(그림 10).

그림 10: CLPFL-0100은 SMA 케이블로의 인라인 삽입을 위한 7극, 100MHz 저역 통과 필터입니다. (이미지 출처: Crystek Corporation)

100MHz 입력 신호는 30dB 감쇠되는 두 번째 고조파를 가지며 더 높은 고조파는 60dB 이상 감쇠됩니다. 위의 예에 있는 신호 생성기가 -66dB의 고조파 레벨 사양을 갖는 경우, 필터를 통해 -96dB 밑으로 줄일 수 있습니다.

서지 보호기

낙뢰 방지기라고도 하는 서지 보호기는 낙뢰와 같은 과도 서지로부터 민감한 전자 부품을 보호합니다. 이는 보호 장치를 손상시키기 전에 전기 서지를 접지로 방전하기 위해 전기적으로 분해되는 스파크 갭, 가스 튜브 또는 다이오드를 통해 수행할 수 있습니다.

Amphenol Time Microwave Systems LP-GTR-NFF는 교체 가능한 가스 방전 튜브를 사용하는 N 유형 커넥터 인라인 서지 보호기입니다. 이 튜브는 ±90V/20A를 초과하는 DC 전압을 분해하고 최대 50W의 서지를 처리할 수 있습니다. 이 튜브는 인라인으로 삽입되며 DC ~ 3GHz의 대역폭과 0.1dB(최대 1GHz까지) 및 0.2dB(최대 3GHz까지)의 삽입 손실을 가집니다(그림 11).

그림 11: Amphenol Times Microwave Systems LP-GTR-NFF 서지 보호기는 최대 50W의 과도 서지에 대해 동축선을 보호하는 데 사용되는 인라인 N 커넥터 장치입니다. (이미지 출처: Amphenol Times Microwave Systems)

서지 보호기는 대형, 저유도용량 컨덕터를 사용하여 저임피던스 접지에 전기적 및 기계적으로 연결되는 L 브라켓에 일반적으로 실장됩니다. 접지 연결의 품질이 서지 보호기의 성능에 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

인라인 감쇠기

감쇠기는 신호 파형을 왜곡하지 않고 신호의 전력 레벨을 줄입니다. 동축 인라인 버전은 고정 감쇠를 제공하며 다양한 플러그 및 잭 구성을 가진 여러 커넥터 유형으로 제공됩니다.

Crystek Corporation CATTEN-03R0-BNC는 0 ~ 1GHz의 대역폭과 2W의 전력 정격을 가진 3dB, 50Ω, BNC 감쇠기입니다(그림 12). 이는 1dB ~ 20 dB의 감쇠를 가진 생산 라인에 제공되는 13개 감쇠기 모델 중 하나입니다.

그림 12: Crystek의 CATTEN-03RO-BNC는 0 ~ 1GHz의 대역폭을 갖는 인라인 동축 BNC 3dB 감쇠기입니다. (이미지 출처: Crystek Corporation)

인라인 감쇠기는 확실히 신호의 전력 레벨을 강압시키는 데 사용되지만, 드물게는 임피던스 부정합 및 원치 않는 반사를 줄이고 직렬로 연결된 장치의 임피던스 사이에 분리를 제공하기 위해 사용되기도 합니다.

부정합 부하 임피던스 앞에 부정합 3dB 감쇠기를 삽입하는 경우를 고려해 보겠습니다. 감쇠기 입력 신호는 부정합 부하에 전파되면서 감쇠기에 의해 3dB 감소됩니다. 부정합이 개방 회로라고 간주하면 전체 신호는 부하에서 반사되고 감쇠기를 통해 다시 바운스되어 감쇠기 입력 기준에서 3dB의 또 다른 손실이 발생합니다. 감쇠기 입력에서의 반사 손실은 6dB 개선됩니다. 감쇠기의 입력에서 관측된 부정합은 감쇠기 값의 2배 크기만큼 향상됩니다. 이 경우 총 6dB의 감소가 발생했습니다.

이 기술은 관통 신호의 진폭이 3dB 감소한다는 단점이 있으며, 이러한 감소는 네트워크의 다른 곳에서 반드시 보정되어야 합니다. Crystek CATTEN-03R0-BNC는 이러한 응용 사례에 효과적으로 작동할 수 있습니다.

결론

동축 어댑터를 사용하여 기기 또는 다른 장치를 연결할 때 설계자 및 다른 장비 사용자는 전송선에 대한 기본 사항에 대해 알고 있어야 합니다. 이러한 사항을 이해하는 사용자는 변화하는 커넥터 유형 및 특성 임피던스, 신호 분기, 필터링, 서지 보호, 신호 감쇠, DC 제어 및 분리를 포함한 광범위한 유용성을 가진 이 유용한 부품을 최대한 활용할 수 있습니다.