RF 어플리케이션을위한 동축 커넥터 선택, 사용 및 유지 보수 방법

무선 인터넷 (RF) 회로는 Wi-Fi 및 IoT (Internet of Things)에 사용되는 다양한 무선 기술을 포함하여 유무선 통신 모두에서 확산되고 있습니다. 이러한 고주파 신호는 시스템, 회로 부품 및 서브 어셈블리 사이에 최소 손실 또는 불요 방사선으로 분배 할 필요가 있습니다.

이것은 전통적으로 RF 동축 케이블 및 커넥터의 역할이지만 설계자는 시간, 비용 및 신뢰성 측면에서 최적의 RF 커넥터를 신속하게 선택하여 최대 성능 및 긴 수명을 위해 올바르게 적용해야합니다.

이 기사에서는 크기, 주파수 범위, 손실 및 내구성과 같은 중요한 매개 변수의 관점에서 RF 커넥터를보고 설계자가 자신의 커넥터를 RF 애플리케이션과 일치시키는 데 도움을 줄 것입니다. 또한 적절한 솔루션을 제시하고이를 적용하고 유지 관리하는 방법에 대한 유용한 정보를 제공합니다.

RF 동축 커넥터
RF 동축 커넥터 및 케이블은 통신, 방송 및 무선, 테스트 및 측정 용도에서 주요 RF 링크를 제공합니다. 동축 케이블 또는 스트립 라인을 사용하는 RF 시스템, 구성 요소, 서브 어셈블리 및 장치간에 저손실 경로를 제공합니다. 기본 동축 구조는 동심원의 절연 유전체층으로 둘러싸인 중심 도체로 구성됩니다. 이것은 차례로 원통형 전도성 쉘에 의해 둘러싸인 다. 케이블 요소의 치수는 전송선으로 효율적으로 기능하는 데 필요한 일정한 도체 치수 및 간격을 제공하도록 정밀하게 제어됩니다. 

RF 커넥터는 동축 케이블 및 스트립 라인 전송 라인을 다른 구성 요소 또는 서브 어셈블리에 연결하기위한 접합부를 제공합니다. 그들은 지속적인 전기 임피던스를 유지하면서 로킹 메커니즘과 함께 연동 도체를 추가하는 동축 구조를 확장합니다. Amphenol RF의 초소형 A (SMA) 커넥터 요소의 결합 쌍이 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 : SMA 커넥터 쌍은 동축 커넥터의 한 예이며 이미지는 내부 도체, 유전체 레이어 및 잠금 외부 도체가 결합 된 모습을 보여줍니다.

왼손 이미지는 남성 또는 플러그 절반입니다. 오른쪽 이미지는 커넥터 쌍의 암, 잭 또는 콘센트 절반을 나타냅니다. 일반적으로 플러그에는 중심 도체가 튀어 나오고 외부 도체에 내부 잠금 나사가 있습니다. 리셉터클에는 오목한 내부 도체와 외부 잠금 나사가 있습니다. '역 극성'커넥터 유형 중 일부는 수나사에 외부 나사산이 있고 암수 구에 암나사가있는 잠금 나사산이 역전됩니다. 다른 로킹기구는 트위스트 로크, 베이어 닛 연결 또는 스냅 로크 링을 포함 할 수있다.

이 SMA 커넥터 쌍과 같은 대부분의 동축 커넥터는 '섹스 (sexed)'이며, 각 절반마다 구조가 다릅니다. 접합부의 각면에는 동일한 구조를 가진 커넥터가 있습니다. 이들은 주로 실험실 어플리케이션을위한 고정밀 커넥터입니다.

동축 커넥터 유형
무수히 많은 RF 커넥터가 있지만 여러 주요 매개 변수로 차별화됩니다. 이 사양에는 물리적 크기, 임피던스, VSWR, 커플 링 유형 및 대역폭 또는 주파수 범위 (표 1)가 포함됩니다.

표 1 : 일반적으로 사용되는 동축 커넥터 사양 요약표

커넥터 대역폭
동축 커넥터의 주요 사양은 대역폭입니다. 이것은 사용할 수있는 최고 주파수를 나타냅니다. 커넥터의 최대 사용 가능 주파수는 외부 쉘의 직경과 유전체로 사용되는 재료의 함수입니다. 셸 직경이 작을수록 사용 가능한 최대 주파수가 높아집니다. 마찬가지로 유전체로 공기를 사용하면 다른 유전체에 비해 가장 높은 주파수 성능을 제공합니다. 결과적으로 가장 높은 대역폭의 커넥터는 공기를 유전체로 사용합니다.

커넥터 임피던스
최대 전력 전달을 보장하고 반사로 인한 전력 손실을 줄이려면 커넥터의 특성 임피던스가 소스 및 부하와 일치해야합니다. 일반적인 RF 애플리케이션을위한 대부분의 커넥터는 50 W 임피던스를 제공하도록 설계되었습니다. 75 W 커넥터는 비디오 관련 어플리케이션에 사용할 수 있습니다.

VSWR
전압 정재파 비 (VSWR)는 결합 된 커넥터의 유효 임피던스의 척도입니다. VSWR이 높을수록 임피던스 불일치로 인해 커넥터에서 더 많은 전력이 반사됩니다. VSWR은 주파수의 함수이며 커넥터 VSWR 값은 동일한 주파수에서만 비교되어야합니다.

커플 링 메커니즘
연결 열에는 사용 된 기계식 잠금 장치 유형이 나열되어 있습니다. 이것은 커넥터가 진동의 영향을받는 어플리케이션에서 매우 중요합니다. 커플 링은 일반적으로 연결의 용이성과 보안 잠금 사이의 절충안입니다. 그림 1에서 이전에 표시된 SMA 커넥터 쌍은 나사 식 커플 링의 예입니다. 베이어 닛과 스냅 온 커플 링의 예가 그림 2에 나와 있으며 BNC 및 SMP 커넥터 유형을 각각 사용합니다.

그림 2 : 베이어 닛과 스냅 온 커플 링의 예. 커플 링 방법은 진동이 예상되는 어플리케이션에서 중요하며 종종 사용 용이성과 잠금 장치 사이의 균형입니다. 

커넥터 크기 및 내구성
소형화 추세를 고려할 때 커넥터를 선택하는 데 크기가 중요한 역할을합니다. 표 2는 다시 나열된 커넥터의 크기 클래스를 보여줍니다. 크기와 커넥터 수명 사이에는 트레이드 오프가 있습니다. 커넥터가 작을수록 연결 / 분리 짝짓기주기가 줄어 듭니다. 큰 N 커넥터가 500 결합주기보다 긴 내구성을 가질 수있는 경우, 초소형 U.FL 커넥터의 내구성은 30 결합 주기로 제한됩니다. 모든 커넥터의 수명은 제조업체에 따라 다르며 수명이 중요한 매개 변수라면 사양을 확인해야합니다.

많은 짝짓기주기가 전형적인 테스트 및 측정 장비와 같은 어플리케이션에 사용되는 동축 커넥터는 일반적으로 '커넥터 보호기'를 사용하여 보호됩니다. 이처럼 쉽게 교체 할 수있는 어댑터는 계측기 커넥터와 결합하여 여러 용도로 사용할 수있는 커넥터 바디를 제공합니다.

커넥터 클래스 및 산업 사양
커넥터는 몇 가지 다른 클래스로 분류됩니다. 표 2에서 1 mm에서 2.92 mm 및 N 커넥터와 같은 정밀 커넥터는 IEEE-STD-287에 속합니다. 이 커넥터는 넓은 대역폭 어플리케이션으로 인해보다 정밀한 치수 공차를 갖습니다. 보다 일반적인 커넥터는 MIL-STD-348 또는 CECC 22220와 같은 유럽 표준 중 하나에 속합니다. 이 커넥터의 허용 오차가 느슨해 지므로 비용을 절감 할 수 있습니다.

짝짓기 호환성
커넥터 클래스와 관련하여 다양한 제품군의 커넥터를 연결할 수 있습니다. 표 2에는 가능한 상호 연결 가능한 여러 커넥터가 나열되어 있습니다. 1.85 mm 및 2.4 mm 커넥터는 2.92 mm 및 3.5 mm 커넥터와 같이 상호 교환 가능합니다. 2.92 mm 및 3.5 mm 수 커넥터 몸체는 SMA 암 커넥터와 결합하여 전체 대역폭을 감소시킬 수 있습니다. 허용 오차 등급이 다르기 때문에 SMA 수컷과 2.92 mm 또는 3.5 mm 암 커넥터를 결합하는 것은 좋지 않습니다. SMA의 더 넓은 기계적 허용 오차로 인해 정밀 커넥터의 소켓 핀이 손상 될 수 있습니다.

커넥터 전력 정격
제조업체는 해당 사양이 응용 프로그램에 따라 매우 다르기 때문에 커넥터의 전력 소모를 평가하지 않습니다. 주파수, 시스템 VSWR, 온도, 고도 및 부하 임피던스에 따라 다릅니다. 일반적으로 전원 처리는 커넥터의 크기와 열 방출 능력에 따라 직접적으로 다릅니다. 최대 전력 손실은 주파수가 증가함에 따라 감소합니다.

최상의 전원 처리 기능을 갖춘 커넥터는 N 커넥터이며 300 및 400 와트 (W)를 처리 할 수 ​​있습니다. BNC 및 SMA 커넥터가 순서대로 이어집니다. 정밀 커넥터는 10s (와트)로 제한됩니다. 다시 한 번, 고전력 동작이 필요한 경우,보다 정확한 전력 손실 사양에 대해서는 제조업체에 문의하는 것이 중요합니다.

커넥터 사용법
커넥터를 사용하기 전에 금속 입자, 구부러진 중심 도체 또는 부서 지거나 변형 된 외부 쉘 (그림 3)과 같은 손상이 있는지 검사해야합니다. 손상된 부분을 수리하거나 손상된 커넥터를 교체해야합니다. 커넥터는 먼지 나 다른 오염물이 없도록 깨끗해야합니다. 커넥터 본체는 고착이나 걸림없이 매끄럽게 연결되어야합니다. 커넥터 결합을 강제하지 마십시오. 문제가 발생하면 커넥터를 다시 검사하여 출처를 확인하십시오.

나사 식 커넥터를 결합 할 때는 커넥터 몸체 또는 케이블이 아닌 외부 쉘 만 돌리십시오. 커넥터 몸체를 돌리면 중심 도체가 손상 될 수 있습니다. 바깥 쪽 페룰이 손으로 조여지면 조정 된 토크 렌치를 사용하여 제조업체의 지침에 따라 지정된 잠금 토크를 얻으십시오.

그림 3 : (왼쪽) 유전체 위에 먼지와 금속 물질이 쌓인 SMA 커넥터의 예 (오른쪽) 면봉과 이소 프로필 알코올로 세척 한 후 동일한 커넥터. 

커넥터 유지 관리
커넥터는 깨끗하게 유지해야합니다. 커넥터를 사용하지 않을 때 보호 캡을 사용하는 것이 가장 좋은 방법입니다. 커넥터가 먼지로 오염되면 청소해야합니다. 고체 유전체가있는 커넥터는 보푸라기가없는 면봉으로 이소 프로필 알코올에 담글 수 있습니다. 중심 도체 핀이 구부러지지 않도록주의하십시오. 나사 식 커넥터의 내부 및 외부 나사도 청소하는 것이 좋습니다. 엘리먼트를 고정하는 유전체 비드가 용제에 의해 손상 될 수 있으므로 공기 유전체를 사용하는 커넥터에는 면봉을 사용하지 마십시오. 건조한 압축 공기를 사용하여 청소할 수 있습니다.

동축 커넥터 선택
동축 커넥터를 선택하는 것은 사용되는 신호를 처리하는 데 필요한 대역폭부터 시작하여 크기 및 기계적 구성 (플러그, 콘센트, 솔더 인, 패널 마운트 등)을 고려해야합니다. 예를 들어 1 GHz 신호 발생기의 출력 커넥터를 생각해보십시오. 이것은 테스트 및 측정 신호 소스이기 때문에 BNC 커넥터는 일반적인 선택입니다. BNC의 대역폭은 1 GHz보다 크며 패널 장착형 콘센트로 사용할 수 있습니다. 

10 GHz를 초과하는 주파수 신호용 커넥터를 선택할 때는 SMA 커넥터를 고려하십시오. 이 선택은 대역폭과 비용 사이의 절충안에 의해 결정될 수 있습니다. 2.9 mm 커넥터는 SMA 대역폭의 두 배를 초과하지만 대역폭 이점은 거의 3 배에 달합니다.

결론
이 기사에서는 RF 동축 커넥터의 기본 특성을 요약 한 범위를 검토했습니다. 설계자가 설계에 적합한 커넥터를 선택할 때 좋은 출발점이됩니다. 도시 된 것처럼 단순한 RF 동축 커넥터를 선택하는 경우 엔지니어링 요구 사항을 면밀히 검토하는 것이 중요합니다. 

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