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우영 엽
5 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 1 pp , 자동차통신을위한광대역커넥터특성연구 김병우 1* 1 울산대학교전기공학부 A study on the characteristics of wide bandwidth connector for automotive communication Byeong-Woo Kim 1* 1 Department of Electrical Engineering, Ulsan University 요약본연구에서는나선형형태의와이어를자동차무선통신 (5.925GHz) 용차량커넥터에적용가능성을제안하였다. 이나선형와이어형태의커넥터설계는나선형평균반경, 나선형피치, 나선형와이어자체의반경, 나선형와이에서접지부분까지의거리를중요설계인자로판단하여실시하였다. 이같은설계해석및결과는자동차통신용커넥터설계를위한가장적합한나선형와이어치수결정에사용될수있을것이다. 나선형와이어가삽입된최적화된자동차 WAVE용커넥터는삽입손실이 5.925GHz 대역에서 0.76dB 이내로발생되었다. 이삽입손실결과는기존의일반커넥터에비하여 21% 성능이향상된것이다. 따라서, 본커넥터해석결과는자동차통신을위한고주파대역의최적커넥터설계에유용하게사용할수있을것이다. Abstract In this paper, helical wave wire have been proposed as the vehicle connector for the wireless access in vehicular environments(5.925ghz) communication. This helical slow wave connector is design by considering the properties of critical parameter like helical mean radius, helical pitch, helical wire radius and distance of helical wire to shield. The design simulation and results can be used to determine the most suitable helical wave wire dimensions for vehicle communication connector. The optimized WAVE connector inserted the helical wave wire has insertion loss less than 0.76dB at 5.925GHz. It provides 31% of insertion loss with good performance. Therefore, the simulated results can be effectively used for optimum design of high frequency connector for vehicle communication. Key Words : FAKRA Connector, Bandwidth, Insertion Loss, Vehicular Communication, Helical Wave Wire 1. 서론 자동차로의 IT 기술융합이급진전되면서자동차용무선통신시스템은실시간정보제공이요구된다. 자동차무선통신시스템을활용하여교통정보를제공받게되면더욱효율적이고최적화된길안내를제공받을수있을것이다. 또한, 주행중인자동차사이의교통및사고정보제공을통하여자동차안전을확보할수있을것이다. 이같은차량사이통신과차량과노변기지국사이의통신을위해서는대용량정보처리를위한고주파수및광대역통신시스템개발이필요하다. 자동차용통신시스템으로적용되어활발히연구되고있는 WAVE(Wireless Access Vehicle Environment) 기반의통신주파수는 GHz 까지의고주파수대역이필요하다.[1] 자동차용 WAVE 통신시스템을구현하기위해서는안테나, 커넥터, 통신모듈등이필요한데, 안테나및통신모듈은다양한연구및상용화가진행되고있다.[2] 이와달리, 자동차 WAVE 통신에적용되는커넥터는고주파대역에적합한전용커넥터가존재하지않고있기때문에일반적으로텔레매틱스용으로사용되고있는 FAKRA(FAchKReis Automobile) 커넥터를사용하고있다. 일반파크라커넥터는통신기능을담당하는통신 본논문은울산대학교일류화사업일환으로수행되었음. * 교신저자 : 김병우 (bywokim@ulsan.ac.kr) 접수일 11 년 10 월 05 일수정일 (1 차 11 년 10 월 18 일, 2 차 11 년 10 월 27 일 ) 게재확정일 12 년 01 월 05 일 33

한국산학기술학회논문지제 13 권제 1 호, 2012 와이어가일반와어어형상으로되어있기때문에임피던스매칭에제한요인으로작용하고있다.[2] 일반파크라커넥터를 5.925GHz 대역의 WAVE 통신용에적용하게되면미소한임피던스불일치에의하여 4GHz 주파수대역이외의고주파대역에서는손실이대폭증가하게된다.

[5] 기존에수행하였던연구에서는커넥터의물리적인체결력과내구신뢰성측면의기계적특성연구와정해진통신와이어에대한손실특성및전자기노이즈해석에주안점을두고실시되었다. 따라서, 주파수 4 GHz 이상에서삽입손실이최소화될수있는파크라통신커넥터에대한연구는전무한실정이다. 따라서, 자동차용파크라커넥터의삽입손실특성을결정하는통신와이어의구성부품에대한설계변수다양화가요구된다.

2 한국산학기술학회논문지제 13 권제 1 호, 2012 와이어가일반와어어형상으로되어있기때문에임피던스매칭에제한요인으로작용하고있다.[2] 일반파크라커넥터를 5.925GHz 대역의 WAVE 통신용에적용하게되면미소한임피던스불일치에의하여 4GHz 주파수대역이외의고주파대역에서는손실이대폭증가하게된다. 자동차커넥터와관련된기존연구에서는자동차진동및열과같은내환경조건에서강인성을해석하고검증을실시하였다.[3] 또한, 커넥터접합면에서스크래치가삽입손실에미치는영향에대한연구를실시하였다.[4] 자동차고전압용커넥터인경우에는커넥터하우징재질에의한전자기노이즈방출을해석하였다.[5] 기존에수행하였던연구에서는커넥터의물리적인체결력과내구신뢰성측면의기계적특성연구와정해진통신와이어에대한손실특성및전자기노이즈해석에주안점을두고실시되었다. 따라서, 주파수 4 GHz 이상에서삽입손실이최소화될수있는파크라통신커넥터에대한연구는전무한실정이다. 따라서, 자동차용파크라커넥터의삽입손실특성을결정하는통신와이어의구성부품에대한설계변수다양화가요구된다. 본연구에서는국제적인표준화된자동차용파크라커넥터의기본규격을기반으로하되통신용와이어의형상을일반와이어에서나선형와이어로형상변경을실시하였다. 이를통하여, 자동차 WAVE에활용가능한 GHz 고주파대역에서삽입손실저감효과를검증하였다. 또한, 나선형구조의커넥터세부형상이삽입손실에미치는영향을정량적으로규명하여 5.9GHz 고주파대역의커넥터설계가능성을제시하였다. 2. 나선형커넥터특성해석 (a) 조립모델 (b) 단면도 [ 그림 1] 파크라커넥터기존 ( 상용 ) 모델 [Fig. 1] Conventional Model of FAKRA connector. (a)assembly model (b)sectional figure 기존자동차에적용되고있는파크라커넥터의임피던스를측정한결과, 주파수 6GHz에서 45+j11[Ω] 의임피던스값이측정되었다. 이와같은현상은 WAVE 주파수대역에서 50+j0[Ω] 로이상화시킬수있는임피던스매칭이불완전하게발생되었기때문이라판단된다. 스미스차트를이용하여불완전한임피던스매칭을해결하기위해서는커패시턴스값 C=2.5[pF], 인턱턴스값 L=1.1[nH] 을등가회로로구성하면될것이다. 상기에서언급한 C, L 성분을커넥터내부에삽입하는것이가장간단한방법이나공간여유와경제성이문제시되기때문에파크라커넥터를구성하고있는통신와이어, 실드와이어, 유전체의형상을변경하여야한다. 그러나, 기존의파크라커넥터에서는통신와이어의형상이연직선상으로간단한구조를갖고있기때문에형상변경을통한 C, L 값조정에제한요인으로작용하게된다. 2.1 기존커넥터특성해석텔레매틱스를비롯한자동차정보통신시스템에적용되고있는커넥터는독일 DIN 규격의파크라커넥터가사용되고있다. 기존자동차용파크라커넥터는일반와이어형태를취하고있으며 4GHz 대역까지는임피던스저항이 50Ω에적합하게매칭되어기준성능을만족하고있다. 반면, 6GHz 대역의고주파수가적용되는 WAVE 통신대역에서는파크라커넥터의삽입손실이 0.9dB 까지저하되어성능향상이필요하다. 기존파크라커넥터의구조는아래 Fig. 1과같이외부하우징은체결측면에서표준화가되어있고통신와이어는제한된범위에서설계변경이가능하다. [ 그림 2] 파크라커넥터스미쓰차트 [Fig. 2] Smith chart of FAKRA connector 34

5는본연구에서중점적으로실시하게될나선형커넥터의해석의정확성검증의일환으로삽입손실에대하여실험과해석의정확성을비교평가하였다. Fig. 5에서알수있듯이, 기존에자동차정보통신용으로적용되고있는파크라커넥터는 4GHz의주파수대역까지자동차규격에서요구하는것을만족시키고있었다. 기존파크라커넥터인경우, 주파수 2.4GHz 대역까지의삽입손실은 0.

3 자동차통신을위한광대역커넥터특성연구 (a) 조립모델 (b) 단면도 [ 그림 3] 나선형구조의파크라커넥터모델 [Fig. 3] Helical model of FAKRA connector (a) Assembly model (b) Side section Table 1에서 a는나선형커넥터의반경이고 P는나선형사이의피치, r은와이어자체의반경, d는통신도체에서접지선까지의거리를나타내고있다. Fig. 5는본연구에서중점적으로실시하게될나선형커넥터의해석의정확성검증의일환으로삽입손실에대하여실험과해석의정확성을비교평가하였다. Fig. 5에서알수있듯이, 기존에자동차정보통신용으로적용되고있는파크라커넥터는 4GHz의주파수대역까지자동차규격에서요구하는것을만족시키고있었다. 기존파크라커넥터인경우, 주파수 2.4GHz 대역까지의삽입손실은 0.25dB 이하로서비교적우수한성능을나타냈다. 반면에주파수 2.4GHz 대역이상의고주파대역으로진행되면서삽입손실이지속적으로증대되고있었다. 정보통신신호가흐르는도체에는특정한자장이팽창과수축모드로작용하게되는데, 이모드가신호전송을방해하게되기때문이다. [ 그림 4] 상용파크라커넥터시뮬레이션모델 [Fig. 4] Simulation model of conventional FAKRA connector 이와같은임피던스변경제한성을확인하고본연구에서제안한신개념의나선형통신와이어와의임피던스매칭특성을검증하기위하여 HFSS 해석 Tool을활용하여시뮬레이션을실시하였다. HFSS 프로그램을이용하여 7GHz 대역까지시뮬레이션할수있도록모델링하였고커넥터의전기적인경계조건을반영하였다. Fig. 3은본연구에서제안한나선형구조의파크라커넥터의시뮬레이션모델이고 Fig. 4는본연구제안대비기존에활용되고있는상용커넥터의시뮬레이션모델이다. 광대역커넥터의최적화변수를도출하여시뮬레이션에적용하였다. 나선반경, 나선피치, 나선와이어의반경에대한최적화를위한설계인자를도출하였고이에대한모델링을실시하였다. [ 표 1] 광대역커넥터의최적화파라미터 [Table 1] Optimization parameters of wide bandwidth connector Symbol Parameters Helical mean radius a Helical pitch P Wire radius r Shield distance d [ 그림 5] 상용파크라커넥터의삽입손실 [Fig. 5] Insertion loss of conventional FAKRA connector. 이는모든커넥터에서발생되는고주파대역의대표적손실특성이라할수있다. 기존자동차파크라커넥터의손실특성을개선하기위해서는통신와이어를포함한 C, L 성분을변경하여야하나기존커넥터의형상이일직선상의단조로운구조이고외부하우징의크기가제한적이기때문에설계변경범위가제한적이다. 2.2 제안광대역커넥터특성해석 나선형타입의커넥터모델 기존파크라커넥터의 6GHz 대역임피던스매칭문제를해결하기위하여기존커넥터의통신와이어를일직선상의일반와이어형태에서탈피하여 Fig. 5와같은나선형구조를제안하였다. Fig. 5에서알수있듯이, 나선형와이어는기존일직선상의통신와이어를탈피하여나선형통신와이어형태를취하고있기때문에설계변 35

한국산학기술학회논문지제 13 권제 1 호, 2012 경범위를확대시킬수있을것이다. 이를위하여, 연속적인나선형와이어의피치형상, 와이어반경형상, 와이어자체의직경변화, 접지선과통신와이어사이의거리변화등을변경시켰다. 이를통하여, 기존파크라커넥터에서애로사항으로존재하였던임피던스매칭의설계변수를확대시킬수있을것이다. 2.2.2 나선형타입커넥터의수학적모델자동차용파크라커넥터의구조를나선형구조로디자인하기위한최적화등가식을식 (1), (2) 로나타낼수있다.

d : shield radius S : helical 단면적 a : helical mean radius l : helical 길이 r o : helical wire radius N : helical turn 수 p : helical pitch ε o : 공기의유전상수 (8.

4 한국산학기술학회논문지제 13 권제 1 호, 2012 경범위를확대시킬수있을것이다. 이를위하여, 연속적인나선형와이어의피치형상, 와이어반경형상, 와이어자체의직경변화, 접지선과통신와이어사이의거리변화등을변경시켰다. 이를통하여, 기존파크라커넥터에서애로사항으로존재하였던임피던스매칭의설계변수를확대시킬수있을것이다 나선형타입커넥터의수학적모델자동차용파크라커넥터의구조를나선형구조로디자인하기위한최적화등가식을식 (1), (2) 로나타낼수있다. 커패시턴스와인덕턴스값을갖는나선형구조를제안하였고커넥터구조형상변화에따른특성을조사하고자하였다. d : shield radius S : helical 단면적 a : helical mean radius l : helical 길이 r o : helical wire radius N : helical turn 수 p : helical pitch ε o : 공기의유전상수 (8.854*10-12 ) μ o : 공기의투자상수 (4π*10-7 ) ε r : 유전체의유전율 (teflon = 2.2) 주요관심주파수에대한나선구조의평균반경과나선간격에대한수식을도출하였다. 나선평균반경 a는위상이 가되는특성주파수에의해서결정된다. (5) 여기에서 는 π 에서의주파수, c= 빛의속도나선형 (a) 측면도 (b) 정면도 [ 그림 6] 나선형구조 [Fig. 6] Helical architecture (a) Side view (b) Front view 커패시턴스 C는단위길이에따른나선반경과나선회전에따른커패시턴스특성이다. 인덕턴스 L은단위길이에따른인덕턴스특성이다. 커패시턴스 C는동축선의단위길이당커패시턴스특성과비슷하다. 이것은나선형태가연속적인내부전도표면에적용되지않기때문이다. (1) (2) (3) (4) 커넥터구조를디자인하기위한파라미터를도출하여최적화설계를위한기반을마련하고자한다. 2.3 FAKRA 커넥터시뮬레이션 시뮬레이션결과분석기존파크라커넥터의구조와대비되는나선형와이어의평균반경, 피치, 와이어자체의반경, 와이어와절연선까지의거리를조절하여삽입손실특성을해석하였다. Fig. 7은나선형통신와이어의평균반경변화가삽입손실에끼치는영향을나타낸것이다. 기존자동차용파크라커넥터자체의임피던스매칭에한계성이존재하기때문에삽입손실이 -1.0dB까지확대됨을알수있었다. 이같은삽입손실증대는기존커넥터에서해석한결과와같이커패시턴스 C와인덕턴스 L의부조화에기인하는현상이다. 이와달리, 나선형커넥터를장착한파크라커넥터는커패시턴스 C와인덕턴스 L의값다양화를통한최적화값선정이가능하였다. 즉, 주파수 6.0GHz 이내에서는기존파크라커넥터에비하여삽입손실이 -0.2dB 이내에포함되는우수한결과를얻을수있었다. 이같은현상은통신와이어의반경변화가확대됨에따라서커패시턴스 C와인덕턴스 L 크기를확대시켜서삽입손실이축소되기때문이다. Fig. 8은파크라커넥터에서일반와이어형과나선형와이어에대한삽입손실을비교하여해석한결과이다. 나선형와이어를장착한커넥터의삽입손실이주파수 6GHz 이하에서 -0.2dB로나타나일반와이어형에비하여우수한특성을나타냈다. 이같은현상은일반와이어 36

5 자동차통신을위한광대역커넥터특성연구 에비하여나선형와이어는일정간격의피치배치에따른인덕턴스 L과커패시턴스 C의확대를초래하여임피던스 50Ω 매칭에기여하기때문이다. [ 그림 10] 접지선과통신와이어선사이의거리에따른삽입손실변화 [Fig. 10] Variation of insertion loss due to helix wire distance [ 그림 7] 나선형와이어의평균반경에따른삽입손실변화 [Fig. 7] Variation of insertion loss due to helical mean radius [ 그림 8] 피치에따른삽입손실변화 [Fig. 8] Variation of insertion loss due to helical pitch [ 그림 9] 나선형와이어반경에따른삽입손실변화 [Fig. 9] Variation of insertion loss due to helical wire radius Fig. 9는파크라커넥터에서나선형와이어자체의반경변화에따라서삽입손실을해석한결과이다. 통신주파수 3GHz 대역을기준으로저주파대역에서는반경이작을수록삽입특성이향상되고고주파에서는반경이클수록특성이향상되었다. 이같은현상은특정주파수를기점으로반복적으로나타나는공진현상에기인하는것이라판단된다. Fig. 10은자동차용파크라커넥터를구성하고있는나선형통신와이어와접지선까지의거리를변화시켰을때, 삽입손실을나타낸것이다. 통신와이어와접지선까지의거리가증가됨에따라서삽입손실이 1.5GHz 대역, 4GHz 이하의고주파대역에서상대적으로크게확대됨을알수있었다. 이같은현상은앞서해석한조건과달리, 본해석조건은통신와이어와접지선의거리가확대되는것이기때문에지속적으로커패시턴스 C값의저하되기때문에발생될것이다. 특히, 고주파대역에서삽입손실이상대적으로악화된것은고주파대역에서커패시턴스 C에영향을크게받는 RF 특성에기인하고있다. 자동차커넥터에대한 4가지설계변수를기준으로삽입손실에대한영향을해석한결과, 기존와이어형의커넥터대비나선형커넥터구조는커패시턴스 C와인덕턴스 L을이용한임피던스매칭이가능하도록다양한변화가가능하게하였다. 따라서, 나선형커넥터형상을파크라커넥터에적용하는것만으로도임피던스매칭성능향상에큰기여가가능함을확인하였다. 3. 결론 자동차정보통신용으로사용되고있는파크라커넥터 37

한국산학기술학회논문지제 13 권제 1 호, 2012 의최대적용주파수인 4GHz를상회하고 WAVE 통신까지적용가능한 5.925 GHz 대역의신개념나선형커넥터를제안하였다. 제안된신개념나선형커넥터의삽입손실은기존파크라에비하여정확한 50Ω 매칭이가능하였기때문에 21% 성능향상이가능하였다.

6 한국산학기술학회논문지제 13 권제 1 호, 2012 의최대적용주파수인 4GHz를상회하고 WAVE 통신까지적용가능한 GHz 대역의신개념나선형커넥터를제안하였다. 제안된신개념나선형커넥터의삽입손실은기존파크라에비하여정확한 50Ω 매칭이가능하였기때문에 21% 성능향상이가능하였다. 1) 기존파크라커넥터는통신와이어가일직선형태로구성되어있는것에반하여본연구에서제안한커넥터는나선형와이어구조이기때문에임피던스매칭시에다양한설계인자 ( 와이어피치, 와이어직경, 와이어도체직경, 통신와이어와접지선과의거리 ) 를활용할수있었다. 2) 나선형파크라커넥터의형상자체가커패시턴스 C, 인덕턴스 L에큰영향을끼치고있음을확인하였으나표준화된하우징규격하에서와이어와접지선의세부적인형상변수에의한영향은적게발생되었다. 3) 나선형파크라커넥터의임피던스매칭에영향을끼치는인덕턴스변화는와이어피치, 와이어자체의직경, 정전용량변화는와이어와접지선거리, 와이어직경과밀접한관계를나타냈다. 4) 자동차커넥터의공진주파수대역을확장시키기위해서는특정주파수대비상대적으로저주파수대역에서는인덕턴스설계인자가영향을끼치고고주파수대역에서는정전용량영향이크게발생되었다. 본연구에서는자동차 WAVE 통신에서활용가능한신개념의파크라커넥터를제안하여커넥터자체의통신전달능력을성공적으로평가하였다. 향후, 연구에서는본연구에서개발한커넥터를실제 WAVE 통신응용시스템에적용하여응용차원의성능을검증하고자한다. Conference, vol. 1, pp , [5] Kim, H. L., Choi, J. W., Kim, S. W., Kang, N. J., A study of electro magnetic shield effectiveness for automotive high voltage connector, Proc. of KSPE Spring Conference, pp , 김병우 (Byeong-Woo Kim) [ 정회원 ] 1987 년 2 월 : 한양대학교기계공학과졸업 ( 공학사 ) 1990 년 2 월 : 한양대학교정밀기계공학과 ( 석사 ) 2002 년 2 월 : 한양대학교정밀기계공학과 ( 박사 ) 1994 년 9 월 ~ 2006 년 8 월 : 자동차부품연구원전장시스템실장 2006 년 9 월 ~ 현재 : 울산대학교전기공학부교수 < 관심분야 > 지능형자동차, 텔레매틱스, 자동차전자제어 References [1] D. Jiang, L. Delgrossi., IEEE p, Towards an international standard for wireless access in vehicular environments, Proc. IEEE VTC-Spring, May [2] Masahiro Kondo, Yuitsu Sakuraba and Takuya Osaki, Fujikura Ltd., membrane circuit connector, SAE paper, , [3] M. Ohgren and S. Johnsson., Dual frequency quardrifilar helix antenna, US Patent , Jul. 16, [4] Pachner, V., Roy, L. and Costache, G., EMI measurement of small system using an absorbing clamp, IEEE Instrimentation and Measurement technology 38

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Mar.; 28(3),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2017 Mar.; 28(3), 163 169. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2017.28.3.163 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) PCB