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主要なRFコネクタの種類とその高周波性能の特徴

SMA、2.92mm、2.4mm、SMPコネクタ：周波数上限、再現性、および使用用途

SMAコネクタは、携帯電話の基地局から無線システムまで、至る所で見られる18GHz未満の用途において依然として広く使用されています。これは耐久性に優れ、コストもそれほどかからないためです。ただし、欠点もあります。これらのねじ部は約500回の接続・切断を繰り返すと摩耗し始め、時間とともに反復接続の信頼性が低下します。一方、より高周波数での動作が必要になる場合には、エンジニアは他の選択肢へと目を向けます。2.92mmコネクタ（Kコネクタとも呼ばれる）は最大40GHzまでの周波数に対応でき、さらに小型の2.4mmタイプになると約50GHzまで拡張されます。これらのコネクタは導体間の誘電体に固体材料ではなく空気を使用しており、製造精度もはるかに高いため、信号損失が少なく、接続全体でより良好な電気的連続性を維持できます。また、SMPコネクタファミリーはスプリング式のスライド接触構造で、カチッと簡単に着脱できます。占有スペースが小さく、360度完全に回転可能であるため、設置空間が限られたフェーズドアレイ構成に最適です。これらも同様に40GHzの信号を確実に扱えます。ただし注意点があります。柔軟な接触部は、剛性の高い精密コネクタに比べて信号損失が大きくなるという点です。測定によると、30GHzではおよそ0.3dB余分に損失が発生します。

高精度エア・ダイオール (例: APC-7) および BMAM コネクタ：40 GHzを超える周波数での位相安定性と帯域幅の利点

40 GHzを超える周波数で動作する場合、APC-7シリーズなどの空気誘電体コネクタは、PTFE材料による位相の不安定さの問題を解消し、110 GHzまで±0.05 dB以内の優れた振幅安定性を実現します。ビーズを排除した設計により、厄介なインピーダンスの急激な変化を低減し、50 GHzのレベルでも電圧定在波比を1.05未満に保つことができます。長期間の高性能が求められる用途では、BMAMコネクタがさらに進化した特殊な溶融気密シールを備えており、酸化の問題を防止します。これは、数千回の接続サイクルを必要とする人工衛星の分野では特に不可欠です。これらの高度なインターフェースにより、現代のレーダーシステムにおいて複数のポート間で同期動作が可能になり、70 GHzにおいても位相追従性がわずか0.5度のずれにとどまる高い精度を維持します。IEEE MTT-S規格に基づく試験では、時間経過に伴う安定性において、ポリマー充填型のものと比較して約40%優れていることが示されています。

ミリ波システムにおける重要なRFコネクタ選定基準

ミリ波システム（周波数 > 30 GHz）向けRFコネクタの選定では、以下の3つの電磁的性能リスクに対して厳密な検証が求められます。

• カットオフ動作 ：コネクタの寸法は高次モードを抑制しなければなりません。40 GHzでは、2.92mmコネクタの理論的カットオフは約46 GHzですが、製造公差により早期にモード励振が発生し、信号の忠実度が低下する可能性があります。
• ハーモニック歪み ：非線形の接触界面は、基本周波数の整数倍の周波数で不要な信号を発生させます。金メッキされたベリリウム銅製の接触部は、銀メッキ黄銅と比較して相互変調歪みを15 dBc低減し、スペクトル純度を維持します。
• 誘電体共振 ：ポリマー絶縁体は26 GHz以上で共振吸収ピークを示します。空気誘電体構造はこの現象を完全に排除し、50 GHzまでVSWR <1.15を維持します。

挿入損失の要因：導体材料、表面粗さ、および幾何学的スケーリングがRFコネクタ損失に与える影響

ミリ波RFコネクタにおける挿入損失は、3つの主要な要因により非線形に変化する。

1. 導体の抵抗率 ：無酸素銅（σ = 58 MS/m）は、60 GHzにおいて真鍮と比較して表皮効果損失を22%低減する。
2. 表面粗さ ：RMS粗さが0.4 µmを超えると、40 GHzで損失が0.05 dB/cm増加する。鏡面研磨された接点は、接続あたり0.01 dB未満の劣化を維持する。
3. 幾何学的不連続性 ：中心導体の5 µmの位置ずれは、電流集中による50 GHzでの追加損失0.2 dBを引き起こす。これは双曲線状または段付き接触構造の必要性を示している。

周波数範囲の検証：カットオフ特性、モード抑制、および26 GHzを超える高調波リスク

26 GHzを超える位相安定動作には、以下の3つのパラメータを厳密に制御する必要がある。

• インピーダンス公差 ：50 Ω ±0.5 Ωの維持により、VSWRによる反射を制限できる。標準SMAコネクタは18 GHz以上で±2 Ωを超える公差となり、ミリ波用途には不適である。
• リターンロス : 20 dBを超える仕様はテスト環境での定在波を防止し、高精度コネクタは40 GHzまで26 dBを超える性能を実現します。
• 熱漂流 : 温度範囲−55°Cから+125°CにおいてVSWR <0.05を維持することで、レーダーや航空宇宙環境での安定した性能を保証します。

高周波RFコネクタインタフェースにおけるインピーダンスの整合性とVSWR制御

許容誤差の累積、中心接触部のアライメント、および20 GHzを超える場合のリターンロスの劣化

インピーダンスを安定させることは、20 GHzを超える周波数帯域に達すると非常に困難になります。このような高周波領域では、マイクロメートル規模の微小な機械的変化でも電圧定在波比（VSWR）に著しい影響を与える可能性があります。部品間で5オームの不整合が生じると、ミリ波システムにおいて信号反射が約40%増加します。もう一つ注目すべき点は中心導体の位置ずれ問題です。時間とともに公差が重なり合うことで0.05 mm以上ずれることが頻繁に発生し、40 GHzでのリターンロスが3〜6 dB低下します。これは電力損失や位相歪みといった実際の問題につながり、フェーズドアレイアンテナの正常な動作にとって極めて重要な課題となります。

高精度のアライメント技術により、これらの影響を緩和できます。

• 双曲線接触プロファイルにより、VSWRを1.15:1以下に低減
• 段状インターフェースは−40°Cから+85°Cへの温度サイクル時において18%優れた熱的安定性を示す
• 空気ギャップを最小限に抑えることで、誘電体によるインピーダンスの変動を防止

30 GHzを超える周波数では、表面粗さが損失特性を支配します。0.1 µm Ra未満に研磨された接点では、1接続あたりの挿入損失を0.1 dB以下に抑えることができます。このような対策がなければ、VSWRが1.5:1を超えて、送信電力の4%以上が反射され、256-QAM変調信号の誤差ベクトル振幅（EVM）が著しく劣化します。

ケーブルからRFコネクタへの統合：不連続性および反射の最小化

日々使用している高周波システムにおいて、ケーブルとRFコネクタ間の接続を適切に保つことは、信号の整合性を維持する上で非常に重要です。5Ω程度のわずかなインピーダンスの不整合でも、最大40％に達する信号の反射を引き起こすことがあります。このような反射は変調信号のEVM測定に大きな影響を与えます。ミリ波帯域では波長が非常に短いため、この問題はさらに顕著になります。一見些細な不連続部でも、高周波では信号散乱の主要な原因となり得ます。エンジニアはこの点に注意を払い、コネクタの適切な取り付けがシステム性能に大きく影響することを認識する必要があります。こうした課題に対処する際、エンジニアは不要な反射を低減するために通常いくつかの対策を講じます。

• すべてのインターフェースにわたり、厳密に50Ωのインピーダンス連続性を維持する
• VSWRを1.2:1未満に抑えることを目標とし、特にカスケード状に不整合が重なり合うマッシブMIMO基地局で重要
• −40°Cから+85°Cの温度サイクルにおいて、平滑な導体と比較して熱的安定性を18%向上させる波状導体を採用しています。

中心接触部と誘電体支持構造の精密なアライメントにより、20GHzを超える周波数域でもリターンロスの劣化を防ぎます。業界の分析では、都市部における5Gの遅延問題の約3分の1が同軸線路の不整合に起因しているとされており、幾何学的な一貫性に加え、表面粗さを最小限に抑え、不要なモード励振を抑制するように設計された材料との最適な統合が重要であることを示しています。

よくある質問セクション

• SMAコネクタの主な欠点は何ですか？

  SMAコネクタの主な欠点は、約500回の着脱を繰り返すとねじ部が摩耗し、時間の経過とともに接続の信頼性が低下する点です。

• 40GHzを超える周波数で空気誘電体コネクタが好まれる理由は何ですか？

  APC-7シリーズなどの空気誘電体コネクタは、40GHzを超える周波数で好まれます。これは、位相の不安定性を排除し、優れた振幅一貫性を維持することでインピーダンスの急激な変化を低減し、より高い性能を実現するためです。

• ミリ波RFコネクタにおける挿入損失に影響を与える要因は何ですか？

  ミリ波RFコネクタの挿入損失は、導体の抵抗率、表面粗さ、および幾何学的な不連続性によって影響を受けます。

• 高周波システムにおいてエンジニアはどのようにして信号反射を最小限に抑えていますか？

  エンジニアは、厳密な50Ωインピーダンスの継続性を保ち、VSWRを<1.2:1以下に抑えることで信号反射を最小限に抑えます。また、熱サイクル時におけるより優れた熱的安定性のために、段付き導体を使用します。

• 20GHzを超える周波数で中心接触部の整列が重要な理由は何ですか？

  20GHzを超える周波数では、中心接触部の整列が極めて重要です。アライメントのずれはリターンロスを著しく劣化させ、電力損失やフェーズドアレーアンテナ動作に不可欠な位相歪みを引き起こす可能性があるためです。