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주요 RF 커넥터 유형 및 고주파 성능 특성

SMA, 2.92mm, 2.4mm 및 SMP 커넥터: 주파수 한계, 반복성 및 사용 사례

SMA 커넥터는 셀 타워에서 무선 시스템에 이르기까지 우리가 흔히 접하는 18GHz 이하 응용 분야에서 여전히 널리 사용되고 있으며, 내구성이 뛰어나고 비용도 비교적 저렴합니다. 단점은 약 500회 정도의 연결 및 분리 반복 후 나사산이 마모되기 시작하여 시간이 지남에 따라 반복적인 연결의 신뢰성이 떨어진다는 점입니다. 그러나 더 높은 주파수에서 작동이 필요한 경우에는 엔지니어들이 다른 옵션을 선택하게 됩니다. 2.92mm 커넥터(때때로 K-커넥터라고도 함)는 최대 40GHz까지의 주파수를 처리할 수 있으며, 더 작은 2.4mm 버전은 약 50GHz까지 확장됩니다. 이러한 커넥터들은 도체 사이에 고체 물질 대신 공기를 사용하며 훨씬 더 엄격한 제조 사양을 따르기 때문에 신호 손실이 적고 연결 전반에 걸쳐 더 우수한 전기적 연속성을 유지합니다. 또한, 슬라이딩 스프링 부하형 접점을 사용해 딸깍 소리와 함께 쉽게 결합되는 SMP 커넥터 군도 있습니다. 이들은 공간을 덜 차지하고 완전히 회전이 가능하여 공간이 중요한 밀집된 위상 배열 구조에 매우 적합합니다. 이러한 커넥터들도 40GHz에서 신뢰성 있게 신호를 처리할 수 있습니다. 하지만 주의할 점이 하나 있습니다. 바로 유연한 접점이 실제로 더 엄격한 정밀 커넥터보다 신호 손실을 더 많이 발생시킨다는 점으로, 측정 결과에 따르면 30GHz에서 약 0.3dB 정도 추가 손실이 발생합니다.

정밀 에어-유전체(예: APC-7) 및 BMAM 커넥터: 40GHz 이상에서의 위상 안정성 및 대역폭 이점

40GHz 이상의 주파수에서 작동할 때, APC-7 시리즈와 같은 공기 유전체 커넥터는 PTFE 재료로 인한 위상 불안정성을 제거하여 110GHz까지 ±0.05dB 이내의 뛰어난 진폭 일관성을 달성합니다. 비드가 없는 설계는 성가신 임피던스 급변을 줄여주며, 50GHz 수준에서도 전압 정재파비(VSWR)를 1.05 이하로 유지합니다. 장기간 성능이 요구되는 응용 분야의 경우, BMAM 커넥터는 산화 문제를 방지하는 특수 용융 기밀 밀봉 구조를 채택하여 더 나아갑니다. 이는 수천 회의 연결 사이클이 필요한 위성 응용 분야에서 특히 중요합니다. 이러한 고급 인터페이스는 위상 추적이 70GHz에서 단 0.5도의 편차만으로 매우 정확하게 유지되는 현대 레이더 시스템의 다중 포트에 걸친 동기화된 작동을 가능하게 합니다. IEEE MTT-S 표준에 따른 테스트 결과에 따르면, 시간 경과에 따른 안정성 유지 측면에서 폴리머 충진형 제품보다 약 40% 우수한 성능을 보입니다.

밀리미터파 시스템을 위한 핵심 RF 커넥터 선택 기준

밀리미터파 시스템(주파수 > 30GHz)에 사용할 RF 커넥터를 선택할 때는 세 가지 전자기적 성능 위험에 대해 엄격한 검증이 필요합니다.

• 컷오프 동작 : 커넥터의 치수는 고차 모드를 억제해야 합니다. 40GHz에서 2.92mm 커넥터의 이론적 컷오프 주파수는 약 46GHz이지만, 제조 공차로 인해 조기에 모드가 여기될 수 있어 신호 품질이 저하될 수 있습니다.
• 고조파 왜곡 : 비선형 접점 인터페이스는 기본 주파수의 정수배 주파수에서 잡음 신호를 발생시킵니다. 은도금 황동 대비 금도금 베릴륨 구리를 사용한 접촉부는 상호변조 왜곡을 15dBc 낮춰 스펙트럼 순도를 유지합니다.
• 유전체 공진 : 폴리머 절연체는 26GHz 이상에서 공진 흡수 피크를 나타냅니다. 공기 유전체 설계는 이러한 현상을 완전히 제거하여 최대 50GHz까지 VSWR <1.15를 유지합니다.

삽입 손실 요인: 도체 재료, 표면 거칠기 및 기하학적 스케일링이 RF 커넥터 손실에 미치는 영향

밀리미터파 RF 커넥터에서의 삽입 손실은 세 가지 주요 요인으로 인해 비선형적으로 변화한다:

1. 도체 저항률 : 산소 프리 구리(σ = 58 MS/m)는 60 GHz에서 황동 대비 스킨 효과 손실을 22% 감소시킨다.
2. 표면 거칠기 : 0.4 µm를 초과하는 RMS 거칠기는 40 GHz에서 0.05 dB/cm만큼 손실을 증가시키며, 미러 폴리싱 처리된 접점은 연결당 0.01 dB 미만의 열화를 유지한다.
3. 기하학적 불연속성 : 중심 도체의 5 µm 오프셋은 전류 밀집 현상으로 인해 50 GHz에서 추가적으로 0.2 dB의 손실을 유발하므로, 쌍곡선형 또는 주름진 접점 기하 구조가 필요함을 보여준다.

주파수 범위 검증: 26 GHz 이상에서의 컷오프 동작, 모드 억제 및 고조파 위험

26 GHz 이상에서 위상 안정 동작을 위해서는 다음 세 가지 파라미터를 정밀하게 제어해야 한다:

• 임피던스 허용오차 : VSWR로 인한 반사를 제한하기 위해 50 Ω ±0.5 Ω를 유지해야 한다. 표준 SMA 커넥터는 18 GHz 이상에서 ±2 Ω 이상의 허용오차를 초과하므로 밀리미터파 응용에는 부적합하다.
• 반사 손실 : 20dB 이상의 사양은 테스트 설정에서 정재파를 방지하며, 정밀 커넥터는 40GHz까지 26dB 이상을 달성합니다.
• 열 유동 : VSWR <0.05는 -55°C에서 +125°C 범위에서 레이더 및 항공우주 환경에서 일관된 성능을 보장합니다.

고주파 RF 커넥터 인터페이스에서의 임피던스 무결성 및 VSWR 제어

허용 오차 누적, 중심 접점 정렬 및 20GHz 이상에서의 리턴 로스 열화

임피던스를 안정적으로 유지하는 것은 20GHz를 초과하는 주파수 대역에 도달하면 매우 어려워진다. 이러한 고주파 영역에서는 마이크론 단위의 미세한 기계적 변화조차도 전압 정재파비(VSWR)를 크게 저해할 수 있다. 부품 간에 5옴의 임피던스 불일치가 발생하면 밀리미터파 시스템에서 신호 반사가 약 40% 증가하게 된다. 주목할 만한 또 다른 요소는 중심 도체 정렬 문제인데, 시간이 지나면서 여러 허용오차가 누적되어 0.05mm 이상 어긋나는 경우가 자주 발생하며, 이로 인해 40GHz에서 리턴 로스가 3~6dB 감소한다. 이는 위상 배열 안테나의 정상 작동에 필수적인 전력 손실 및 위상 왜곡과 같은 실질적인 문제로 이어진다.

정밀 정렬 기술을 통해 이러한 영향을 완화할 수 있다:

• 쌍곡선형 접촉 프로파일을 적용하면 VSWR을 1.15:1 이하로 낮출 수 있다
• 골판형 인터페이스는 -40°C에서 +85°C까지 온도 사이클링 시 열 안정성이 18% 향상된다
• 공기 갭을 최소화함으로써 유전체로 인한 임피던스 변화를 방지할 수 있다

30GHz 이상에서는 표면 거칠기가 손실 특성을 지배한다. 0.1µm Ra 이하로 연마된 접점은 연결당 삽입 손실을 0.1dB 이하로 유지한다. 이러한 제어가 없을 경우, VSWR이 1.5:1을 초과하여 송신 전력의 4% 이상을 반사하게 되며, 이는 256-QAM 변조 신호의 오류 벡터 크기(EVM)를 심각하게 저하시킨다.

케이블-RF-커넥터 통합: 불연속성 및 반사 최소화

매일 사용하는 고주파 시스템에서 신호를 깨끗하게 유지하려면 케이블과 RF 커넥터 간의 연결을 정확하게 하는 것이 매우 중요합니다. 5옴 정도의 사소한 임피던스 불일치만으로도 신호 반사가 최대 40%까지 증가할 수 있으며, 이러한 반사는 변조 신호의 EVM 측정에 큰 영향을 미칩니다. 밀리미터파 주파수 대역에서는 파장이 매우 짧기 때문에 문제가 더욱 심각해집니다. 연속성의 사소한 단절로 보일 수 있는 부분도 이러한 고주파에서 신호 산란의 주요 원인이 될 수 있습니다. 엔지니어들은 올바른 커넥터 설치가 시스템 성능에 큰 차이를 만든다는 점을 유의해야 하며, 이러한 문제에 대처하기 위해 엔지니어들은 일반적으로 원치 않는 반사를 줄이기 위한 여러 가지 방법을 사용합니다.

• 모든 인터페이스에 걸쳐 엄격한 50Ω 임피던스 연속성 유지
• VSWR <1.2:1 달성, 특히 캐스케이드된 불일치가 누적되는 대규모 MIMO 기지국에서 중요
• 고랑 구조의 도체를 사용하여 −40°C에서 +85°C의 온도 사이클 동안 매끄러운 도체 대비 18% 더 뛰어난 열 안정성을 제공합니다.

중심 접점과 유전체 지지 구조의 정밀한 정렬을 통해 20GHz를 초과하는 주파수에서 리턴 로스 성능 저하를 방지합니다. 업계 분석에 따르면 도심 지역의 5G 지연 문제의 거의 3분의 1이 동축선의 임피던스 불일치에서 기인하며, 이는 기하학적 일관성과 최소한의 표면 거칠기 및 잡음 모드의 여진을 억제하도록 설계된 재료의 최적 통합이 중요함을 강조합니다.

자주 묻는 질문 섹션

• SMA 커넥터의 주요 단점은 무엇입니까?

  SMA 커넥터의 주요 단점은 약 500회 정도의 연결 및 분리 후 나사산이 마모되어 시간이 지남에 따라 반복 연결의 신뢰성이 떨어진다는 것입니다.

• 왜 40GHz 이상에서는 공기 유전체 커넥터가 선호됩니까?

  APC-7 시리즈와 같은 공기 유전체 커넥터는 40GHz 이상에서 위상 불안정 문제를 제거하고 뛰어난 진폭 일관성을 유지하여 임피던스 급변을 줄이고 성능을 향상시키기 때문에 선호됩니다.

• 밀리미터파 RF 커넥터에서 삽입 손실을 유발하는 요인은 무엇인가요?

  밀리미터파 RF 커넥터의 삽입 손실은 도체 저항률, 표면 거칠기 및 기하학적 비연속성의 영향을 받습니다.

• 고주파 시스템에서 엔지니어는 어떻게 신호 반사를 최소화합니까?

  엔지니어는 엄격한 50Ω 임피던스 연속성을 유지하고 VSWR <1.2:1을 목표로 하며 사이클링 동안 더 나은 열 안정성을 위해 주름진 도체를 사용함으로써 신호 반사를 최소화합니다.

• 왜 20GHz 이상에서 중심 접점 정렬이 중요한가요?

  20GHz 이상에서 중심 접점 정렬은 정렬 오류가 리턴 로스를 크게 저하시켜 전력 손실과 위상 배열 안테나 작동에 필수적인 위상 왜곡을 유발할 수 있기 때문에 중요합니다.