글_ Bill Schweber
Digi-Key 북미 지역 편집부 제공
무선 주파수(RF) 커넥터와 동축(coax) 케이블 조립품은 회로 기판, 하위 조립품 및 섀시 간에 필수 신호 경로를 제공합니다. 적절한 커넥터는 최소한 요구되는 최소 전기적 성능과 기계적 견고성을 제공합니다. 그러나 수년 동안 사용되어 온 RF 커넥터 제품군, 특히 베이요넷 장착 BNC 커넥터는 물리적 크기와 성능 제한으로 인해 이제는 적합하지 않습니다.
오늘날 설계의 많은 과제를 해결하기 위해 엔지니어는 여러 주요 제품군에서 사용할 수 있는 다양한 특정 유형 중에서 선택할 수 있으며, 각 유형은 더 높은 대역폭과 작은 부피 및 더 얇은 동축 케이블 사용을 지원합니다. 이러한 커넥터는 다양한 물리적 설치 우선 순위를 충족하기 위해 광범위한 PC 기판 종단 유형과 케이블 종단 유형으로 제공됩니다. 따라서 설계자는 먼저 설계 요구 사항을 충족하는 적절한 커넥터 제품군을 선택한 다음 해당 제품군 내의 유형을 선택해야 합니다.
이 기사에서는 널리 사용되는 5개의 기가헤르츠(GHz) 범위의 RF 커넥터 제품군에 대해 알아봅니다. 또한 Würth Elektronik의 다양한 제품군의 구성 요소를 사용하여 선택한 커넥터로 종단 처리된 완전한 케이블 조립품의 밀접한 관련 문제를 알아봅니다.
RF 커넥터 기본 사항
커넥터와 관련된 용어를 명확히하는 것이 중요합니다. ‘커넥터’는 필요에 따라 결합 및 분리할 수 있는 금속 종단이며, ‘케이블’은 커넥터가 부착된 내부 구리 도체, 스페이서 유전체, 외부 차폐 및 절연체로 구성된 동축 케이블입니다. ‘케이블 조립품’은 케이블과 한쪽 또는 양쪽 끝 커넥터의 조합입니다. 그러나 ‘케이블’이라는 용어는 일상적인 대화에서 ‘케이블 조립품’ 대신 사용되는 경우가 많으며, 실제 의미는 일반적으로 문맥을 통해 알 수 있습니다. 이 기사에서는 이러한 용어를 엄격한 의미로 사용합니다.
커넥터는 수동 부품이며 신호 처리 또는 향상된 기능을 제공하지 않지만 거의 모든 제품 설계에 필수적인 요소입니다. ‘이상적인’ 커넥터는 결합 및 분리의 용이성, 기계적 및 전기적 무결성과 같은 필수적인 기계적 특성을 나타내며 DC 옴 저항 또는 RF 임피던스 불연속성 없이 전기적으로 보이지 않아야 합니다. 커넥터의 설계, 제조 및 사용 문제는 작동 빈도에 따라 증가합니다. 커넥터에 필요한 작동 주파수가 기가헤르츠(GHz) 범위 이상의 RF 도메인 영역으로 확장됨에 따라, 커넥터의 기계 구조는 많은 중요한 성능 속성 및 파라미터로 인해 정확도가 점점 개선되고 있습니다.
50Ω 및 75Ω 버전(비디오 및 TV용)으로 제공되는 BNC(베이요넷 Neil-Concelman)와 같은 클래식 커넥터는 1950년대부터 널리 사용되어 왔으며 지금까지 계속 사용되고 있습니다(그림 1). 이 잠금 커넥터는 ‘베이요넷’ 시스템을 통한 1/3 회전, 빠른 연결/분리 작업을 제공합니다. 주파수 응답은 형식적으로 4GHz로 정격되었지만 커넥터 손실은 고주파수에서 허용되지 않는 수준으로 증가합니다. 물리적으로, 비교적 크기가 크고 완전한 케이블 조립품의 최소 곡률 반경이 커서 오늘날의 콤팩트하고 조밀한 설계에는 적합하지 않습니다.
새 응용 제품을 위한 최신 제품군
고주파 응용 제품에 더 효율적이고 더욱 콤팩트한 다양한 산업 표준 커넥터 제품군이 있습니다. 가장 인기 있는 제품군으로는 SMA, SMB, SMP, MMX 및 MMCX 제품군이 있으며 모두 표준 50Ω RF 임피던스를 제공합니다. 각 제품군은 전기적 및 기계적 특성의 서로 다른 조합을 제공합니다. BNC 커넥터의 지름이 17mm(mm)인 것에 비해 이러한 커넥터의 지름은 5mm로 훨씬 더 작습니다.
이 기사에서는 이러한 각 제품군의 단일 커넥터 제품을 살펴봅니다. 그러나 각 제품군 내에는 거의 동일한 전기적 사양을 갖추고 있지만 매우 다른 기계적 구성 및 배열을 지닌 많은 제품들이 포함되어 있습니다. 여기에는 직각 본체 또는 직선 본체, 표면 실장, 스루홀 또는 종단 장착 종단, 후면 실장 벌크헤드 유형, 납땜 컵, 플랫 탭 또는 원형 포스트 연결 버전의 인쇄 회로 기판(pc 기판)이 포함됩니다. 또한 직선 및 직각 변형과 같이 케이블 종단에 위치하는 결합 커넥터도 다양한 배열을 지닙니다.
특정 커넥터 유형에 대해 이처럼 많은 옵션이 제공되는 것은 설계자 입장에서는 매우 좋습니다. 제품의 설계 및 제약 조건에 잘 맞는 특정 폼 팩터를 가진 규격품을 찾을 수 있는 가능성이 높기 때문입니다. 이는 제품의 기계적 설계 우선 순위에 거의 또는 전혀 변경이 필요 없음을 의미합니다. 이제 이 5가지 제품군을 자세히 살펴보겠습니다.
•SMA: 서브미니어처 SMA 계열 동축 커넥터는 심한 진동에도 높은 기계적 안정성을 보장하는 나선형 결합 방식 기술로 설계되었습니다(그림 2). 커넥터에 장착된 중심 접점 및 절연체는 축 방향 힘과 토크를 증가시킵니다. 중심 접점의 두꺼운 금 도금으로 향상된 전기적 성능 및 최대 500회의 결합 주기가 제공됩니다.
이러한 유형의 커넥터의 좋은 예로는 Würth Elektronik의 60312242114510이 있으며, 소켓(암)을 갖춘 DC ~ 10GHz SMA 커넥터 잭입니다(그림 3). 이 패널 실장 납땜 커넥터는 또한 전면에 너트와 잠금 와셔가 함께 제공되어 벌크 헤드(패널)에 쉽게 부착하여 최종 제품의 견고성을 높입니다.
주요 RF 사양에는 1.2미만의 전압 정재파비(VSWR)와 DC ~ 12.4GHz에서 0.14dB미만의 삽입 손실(IL)이 포함되며, 해당 VSWR 및 IL 수치는 12.4GHz ~ 18GHz에서 1.4dB 및 0.2dB입니다.
•SMB: SMB 계열 커넥터는 DC ~ 4GHz의 광대역 기능을 갖춘 스냅온 커플링용으로 설계되었습니다. SMA 계열 커넥터보다 크기가 작으므로 회로 소형화에 적합합니다. 사용 가능한 SMB 커넥터로는 스루홀 및 표면 실장용 PC 기판 리셉터클뿐만 아니라 플러그 및 잭 케이블용 에지 카드 및 케이블 커넥터가 있습니다(그림 4).
SMB 커넥터의 예로는 61611002121501, 핀(수), 직각, 스루홀, 납땜 커넥터 잭이 있으며, VSWR은 1.5, 삽입 손실은 0.2dB 미만입니다(그림 5). SMA 장치와 마찬가지로 500회의 결합 주기로 정격되었습니다.
•SMP 계열: 슬라이드인 및 스냅온 모두의 기능을 갖춘 이 미니어처 커넥터는 최대 40GHz의 응용 제품에서 사용할 수 있습니다. 높은 진동 저항에 대해 최대 유지력을 가진 완전한 ‘덴트'(100회 주기), 중간 또는 낮은 유지력으로 제한된 덴트(500회 주기), 모듈식 시스템 및 응용 분야를 위한 슬라이딩 접점을 통해 유지력이 가장 낮은 ‘스무드 보어'(1000회 주기) 등 세 가지 유형의 인터페이스로 제공됩니다(그림 6).
이 계열의 커넥터 중 하나는 60114202122305로, 최대 1.2mm 두께의 회로 기판용 확장 솔더 레그가 있는 표면 실장 에지 기판 커넥터입니다(그림 7). VSWR은 1.5, 삽입 손실은 DC ~ 12GHz에서 0.42dB입니다.
•MCX 계열: MCX(마이크로 동축) 계열은 빠르고 편리한 연결을 위한 스냅온 커플링 메커니즘이 특징이며, DC ~ 6 GHz의 작동을 위해 설계되었습니다(그림 8). 이 커넥터는 IEC 61169-36을 준수합니다(“라디오 주파수 커넥터 – 36부: 스냅온 커플링 포함 마이크로 미니어처 r.f 커넥터 – 특성 임피던스 50Ω(유형 MCX)”).
MCX 계열의 60612202111308은 표면 실장, 에지 장착 잭으로 최대 1.6mm 두께의 기판에 적합합니다. VSWR은 1.3, 삽입 손실은 해당 범위에서 0.25dB이며, 500 주기로 정격되었습니다.
•MMCX 계열: 이 커넥터는 MCX 커넥터보다 약 30% 더 작으며 초소형 설계 요구 사항이 있는 응용 제품에 적합합니다(그림 10). 빠르고 간편한 연결을 위한 스냅온 커플링 메커니즘이 있고, 이 커넥터 역시 IEC 61169-36을 충족합니다.
예를 들어 66046011210320 MMCX 플러그는 MMCX 제품군의 수 핀, “자유 장착”(인라인), 크림프 커넥터입니(그림 11). 이 6GHz 커넥터는 RG174, RG316 및 RG188 동축 케이블과 함께 작동하며 VSWR이 1.3이고 삽입 손실이 0.3dB입니다.
제품군을 완성하는 특수 커넥터, 어댑터
다양한 유형의 커넥터가 사용되면 한 제품군과 다른 제품군 간의 상호 연결을 가능하도록 하는 어댑터가 꼭 필요합니다. Würth Elektronik은 한 커넥터 유형 및 암수에서 다른 커넥터 유형으로의 전환(예를 들어 SMA 플러그 및 잭에서 다른 커넥터 플러그 및 잭 계열로)을 지원하는 다양한 완전한 어댑터 계열을 제공합니다(그림 12).
처음에 설계자가 혼동할 수 있는 또 다른 특수 커넥터 유형인 역극성(RP) 커넥터가 있습니다. 표준 커넥터 구성은 플러그에 수(핀) 중앙 접점이 있고 잭에 해당 암(리셉터클)이 있는 것입니다. 그러나 미국에서는 연방 통신 위원회(FCC) 규정에 따라 일부 고유한 경우에 역암수 ‘극성’이 요구됩니다.
이러한 상황은 소비자용 무선 Wi-Fi 라우터가 처음 출시된 수십 년 전으로 거슬러 올라갑니다. 작은 안테나를 사용하여 제한된 범위에서 사용되도록 설계되었으므로, 커넥터가 Wi-Fi 장치의 안테나 연결에 직접 고정되어 해당 위치의 변경이 불가능했습니다. 그러나 FCC가 우려했던 점은 최종 사용자가 애드온 증폭기 및/또는 외부 안테나를 사용하여 장치의 범위를 증대시키려고 노력함으로써 Wi-Fi 대역을 방해하는 것이었습니다. 이에 대한 ‘해결책’은 이러한 무선 장치(흔히 SMA 커넥터를 사용하는)에서 RP 커넥터를 사용하도록 하여 이러한 추가 기능이 쉽게 연결되는 일을 방지함으로써 표준 추가 기능과 호환되지 않도록 하는 것이었습니다(그림 13).
그러나 짧은 시간 내에 RP 커넥터 쌍으로 종단된 케이블 조립품이 널리 사용 가능하게 되었으며 외부 재배치 가능한 Wi-Fi 안테나와 같은 장치의 표준 추가 기능이 되었습니다(그림 14).
사용 가능한 RP-SMA 잭 커넥터 중 하나는 패널 실장, 스루홀 납땜 63012042124504입니다(그림 16). 이 커넥터는 DC ~ 12.4GHz에서 1.2, 12.4GHz ~ 18GHz에서 1.4의 VSWR을 특징으로 하며, 이 두 범위의 삽입 손실은 각각 0.14dB 및 0.2dB입니다.
케이블과 조립품으로 연결 완료
커넥터만은 RF 신호 경로 시나리오의 일부분일 뿐입니다. 커넥터의 플러그는 일반적으로 RG174, RG316, RG188과 같은 표준 동축 케이블에 알맞습니다. 모두 RF 작업용 50 Ω 케이블이지만(75 Ω 케이블 및 커넥터는 비디오 시스템에 사용 가능) 주파수 범위, 감쇠, 지름, 유전체 유형, 위상 특성, 전력 처리, 최소 곡률 반경, 외부 재킷 및 기계적 및 전기적 속성 등이 다릅니다(그림 17).
설계자는 또한 직접 동축 케이블 조립품을 만들지 아니면 이미 제작된 것을 구매할지 결정해야 합니다. 이는 늘 있었던 ‘제조 대 구매’의 문제입니다. 필요에 따라 선택한 커넥터를 사용하여 이러한 동축 케이블을 종단할 수 있지만(‘제조’ 옵션) 그럴 경우 기술, 연습, 시간, 적합한 크림핑 도구 및 기타 도구가 필요한 경우가 대부분입니다.
또한 이러한 완성된 케이블 조립품은 단순한 연속성 테스트 이상이 필요합니다. 또한 RF 성능 요인(예, 대역폭 및 평탄도, 임피던스 불연속성, 손실 및 위상 변이)을 확인해야 합니다. 이러한 전기 테스트는 시간이 걸리고 정교한 측정 장비가 필요하며, 조립품에는 스트레인 완화 장치를 통해 추가된 기계적 견고성이 필요합니다.
다행히도 케이블 조립품은 가장 일반적인 케이블 및 커넥터 유형을 위해 표준, 재고 품목으로 다양한 길이로 제공됩니다. 또한 전달 시간이 상당히 짧은 맞춤형 길이 및 커넥터 쌍으로도 제공됩니다. 예를 들어 스트레인 완화 및 견고성을 위해, 커넥터/케이블 접합부에 열 수축 튜브가 추가된 RG-316 동축 케이블(외경 0.102인치/2.59mm)을 사용하여 양쪽 끝에 일자형 SMA 수 플러그가 있는 12인치/305mm 케이블 조립품인 Würth 65503503530505를 살펴보겠습니다(그림 18).
이 케이블 조립품의 규격서에는 포괄적인 기계적 사항 및 재료 세부 정보와 크기, VSWR(1.3) 및 DC ~ 6GHz)에서의 삽입 손실(1.2dB)이 포함되어 있습니다. 또한 100피트 당 감쇠 대비 주파수를 보여주는 도표도 있으므로 사용자는 이 길이 또는 선택한 길이의 케이블 조립품 유형에 대한 감쇠를 신속하게 결정할 수 있습니다(그림 19).
공급업체에서 제공하는 다양한 케이블 조립품은 양쪽 끝에 동일한 커넥터 유형을 갖는 것으로 제한되지 않고 대신 상호 연결 및 전환 문제도 직접 해결할 수 있습니다. 예를 들어 65530260515303은 짧은(6인치/152mm) 케이블 조립품으로 RG-174 케이블이 사용되며, 한 쪽 종단에는 RP-SMA 벌크 헤드 잭(수)이, 다른 쪽에는 일자형 MMCX 잭(수)이(그림 20) 있습니다.
이러한 커넥터 및 케이블 조립품과 관련하여 한 가지 더 알아야 할 점은, 크기가 작기 깨문에 나사산 몸체를 조이거나 풀 때 다루기 어려울 수 있다는 것입니다. 또한 지정된 값으로 토크해야 해서, 토크가 너무 적으면 안정적인 접점이 될 수 없고 너무 많으면 나사산에 응력이 가해지고 변형되어 결합/분리 주기가 줄어들 수 있습니다. 그러한 이유로 Würth Elektronik에서는 6006330101 WR 도구를 제공하는데, 이는 모든 WR-SMA 커넥터를 위한 작은 토크 렌치입니다(그림 21).
이 도구를 사용하면 적용된 커넥터 토크가 지정된 수준에 있는지 확인하여 적절한 접점 결합을 보장하고 신뢰성을 극대화하며 일관된 성능을 제공합니다.
결론
주파수가 기가헤르츠 범위로 확장되는 RF 회로 및 시스템의 설계자는 다양한 크기, 본체 스타일, 성별 배열 및 기타 중요한 매개 변수를 가진 커넥터를 선택할 수 있습니다. 적절한 전기 및 기계 사양을 갖춘 커넥터를 선택하고 올바르게 조임으로써 회로, 서브 회로 및 시스템 간 안정적이고 일관된 저손실 신호 경로를 보장해야 하는 난관을 최소화할 수 있습니다.
