Application Note AN001-001-0001 RF Connector 의 발전과정및종류 1
Table of Contents 1 개요 1.1 서론......3 1.2 케이블및컨넥터의사용목적...3 2 내용 2.1 RF 케이블발전과정...4 2.2 컨넥트종류및특성...6 2.2.1 기본컨넥터...7 2.2.1.1 N...7 2.2.1.2 BNC, TNC...8 2.2.1.3 SMA...9 2.2.1.4 7/16 DIN...10 2.2.2 특수컨넥터...11 2.2.2.1 SMB...11 2.2.2.2 SMC...11 2.2.2.3 SSMA, SSMB...12 2.2.2.4 MCX 계열...12 2.2.3 정밀컨넥터...13 2.2.3.1 APC-7 (7mm)...13 2.2.3.2 정밀 SMA...13 2.2.3.3 APC-3.5 (3.5mm)...14 2.2.3.4 K...15 2.2.3.5 2.4 / 1.85mm...15 2.2.3.6 1.0mm...16 2.2.4 컨넥터간연결가능성...17 2.2.5 컨넥터별사용주파수및토크량...18 2
1 개요 1.1 서론 본교안은현재고주파영역에서사용하는다양한종류의컨넥터, 컨넥터발전과정및특성을간략하게정리하였다. 컨넥터를사용목적에따라크게 3가지로분류하였으며, 상세히분류하면 SMA, K, BNC, N, APC-7 mm, SMB, SMC, W, V, 3.5 mm, 2.9 mm, 1.85 mm and 1.0 mm 등이있다. 1.2 케이블및컨넥터사용목적케이블및컨넥터는사용자가측정장비와 DUT를전기적으로연결할때사용한다. 물리적인위치는케이블의길이를결정하고, 측정장비및 DUT의주파수범위및주파수대역폭 (Bandwidth) 에따라특별한컨넥터의사용을결정하게된다. 3
2 내용 2.1 RF 케이블의발전과정 역사적으로컨넥터의물리적인크기는동작주파수가증가할수록작아졌으며, 2차세계대전이전에는 RF 기술은배나해안라디오통신, 상업방송, 장거리통신등에서발전하기시작하였다. 장거리, 협대역 (30MHz) 통신은높은파워 (100~1000 Watts) 송신기가필요하다. 결과적으로, UHF plug, jack이개발되어수십년동안통신에사용되었다. 위의컨넥터는신뢰성이높으나, 사용주파수가낮다는단점을가지고있다. 터미널의스크류는시험장비측정시불편을가지고있다. 이런불편을없애기위해, 즉빠른연결을위해여러가지형태를가진 BNC 컨넥터가개발되었다. UHF 이상대역에서 BNC 컨넥터는크기가작고, 1/4 turn으로고정할수있다는장점을가지고있다. 사용주파수대역은 DC ~ 4 GHz 에주로사용되며, 특별하게제작된것은 10 GHz까지사용가능하다. 4
2차세계대전후레이다의비약적인발전으로 RF 주파수영역에서초고주파영역으로이동하게되었다. 레이다의사용영역에서는높은주파수및짧은펄스폭을가진통신이필요하게되어, 기존UHF에사용되던컨텍터로는좋은성능을제공하지못하게된다. N 형컨넥터는처음미해군함상용으로개발되었으며, 사용주파수가 12GHz까지확대하였고, 낮은삽입손실, 넓은주파수대역폭및안정성을가지고있다. 현재 18GHz까지사용가능하다. 동작주파수를증가하기위해, SMA 컨텍터및 APC-3.5가개발되어 30GHz까지사용가능하다. 수정을거친 K-컨넥터의사용주파수는 40GHz까지확장되었으며, 기계적으로 3.5mm 컨텍터와호환이가능하다. 사용주파수가증가할수록, 컨넥터를측정장비에빠르게연결하는편리함을사라지게되었다. 5
2.2 컨넥터종류및특성컨넥터는특수한목적에따라만들어졌으며, RF 및고주파분야에사용하고있다. 컨넥터로연결할경우필연적으로발생하는불연속에대한처리, 반복성및기구적인안정성이중요인자이다. 사용목적에따라 3 가지로분류하면다음과같다. 1 기본컨넥터 : RF 장비등에가장일반적으로사용 2 특수컨넥터 : 특수용도에사용 3 정밀컨넥터 : 정밀을요구할때사용 ( 스펙트럼및네트워크분석기등 ) 주파수별컨넥터크기가다른이유 컨넥터의사용가능한주파수는동축케이블구조에서원형웨이브가이드의도파가능한모드의여기에따라제한된다. 외곽도체의지름을줄일수록사용가능한최고주파수는커진다. 유전체를넣으면사용가능한최고주파수는낮아지며, 손실은증가한다. 두개의컨넥터를연결할경우에는, 다른연결면및 임피던스의영향으로임피던스및손실의변화가발생한다. 암 (Female), 수 (Male) 구별이없는컨넥터는 APC-7, GR874 등이 있다. 대부분의컨넥터는슬롯을가지는암컷 (Female) 형태로구성되어있다. 이런슬롯은기구적인오차의변화에적응하기쉽지만, 반복성이줄어들며 1000 번이상으로연결을반복하면결국에는부러지게된다. 슬롯이없는컨넥터는청결을유지하기가매우힘들며, 연결시고도의주의가필요한많은단점등으로일반적으로사용하지는않는다. 6
2.2.1 기본컨넥터 2.2.1.1 N N 컨넥터 (Female, Male) 암컷 (Female) 은 4 개의슬롯을가지고있으나, 수컷 (male) 의 외곽도체에는슬롯이없다. 50 옴 N 컨넥터는 1940 경, 5 GHz 이하의군용시스템에사용하기위해고안되었다. N 형이라는이름의유래에크게 2 가지이다. 하나는 Navy 의첫글자에서왔다는것이고, 다른하나는벨연구소의 Mr. Paul Neil 을기리기위해이름의첫글자를사용한다는것이다. 후자가일반적으로인정되는가설이다. N 형은외부환경과차폐하기위해내부가스킷을사용하며, 내부및외부도체사이에는틈이존재한다. 1960 년경에 기술의발전으로 12GHz 까지사용가능하게되었으며, 추후 전달모드에제약을받지않는 18GHz 까지발전하였다. HP 에근무한 King, Amphenol 등에의해암수구별없이 18GHz 까지사용가능한컨넥터가개발되었다. N 형컨넥터는 MIL-C-39012 규격을따른다. 최근에는 20GHz 까지사용가능할수있는특수 N 형컨넥터도있다. 하지만그이상의주파수에서는신뢰할만한수준은되지못한다. CATV 산업에서는중심핀의직경을줄임으로써 75 옴형으로도제작된컨넥터도사용된다. 7
2.2.1.2 BNC / TNC BNC connectors (Female and Male) BNC 컨넥터의어원은 "Bayonet Neil-Concelman", "Bayonet Navy Connector", "Baby Neil Connector" 등이있습니다. BNC 는처음에는 2GHz 까지사용을목적으로군용으로제작되었다가, 비디오및 RF 장비등으로사용범위를확장하였습니다. BNC 는외부도체에슬롯을가지고있으며, 플라스틱유전체를사용한다. 4 GHz 이상의영역에서는슬롯을통해신호방사의발생가능성이있으므로, 측정시측정주파수를고려하여야한다. 50 옴및 75 옴의형태로사용된다. TNC(Threaded version of BNC) 컨넥터는 BNC 컨넥터가가지고있는단점인, 누설신호및기구적인안정성의문제를해결하여 12GHz 까지사용가능하다. N, BNC 및 TNC 컨넥터의사양은 MIL-C-39012 규정에따른다. TNC 컨넥터는이동통신및 RF/ 안테나의연결등에주로사용되며, N 및 BNC 컨넥터와상호사용이가능하지만, 연결면에서의임피던스변화및기구적인안정성문제로추천하는방법은아니다. 8
2.2.1.3 SMA SMA connectors (Female and Male) SMA (Subminiature A) 컨넥터는 Bendix Scintilla 사및 Omni- Spectra 사에의해개발되어, RF/ 고주파영역에서가장많이사용되는컨넥터형태이다. 자주연결하지않는곳에는 semirigid 형태로사용하다. 공기갭없이케이블의유전체와바로연결되는구조를가지고있다. 나사산은 0.250 x 36 이며, male 은 0.312 의육각형모양이고, 5/16 inch 렌치를사용한다. 연결하기전에반드시 Female 의끝을확인하고, 핀이휘거나하는것을주의하여연결하여야한다. 일반적인 SMA 컨넥터는 12.4 GHz 까지사용가능하며, 성능이 좋은 SMA 는 26.5GHz 까지사용가능하다. Return Loss (Johnson 사 Replaceable SMA 컨넥터 ) 9
2.2.1.4 7/16 DIN 7/16 컨넥터 (Female and Male) 주로기지국등에설치된이동통신에서많이사용하는컨넥터이다. 장점은렌치를이용하여조음으로서기구적으로 N 컨넥터보다안정하다는것이다. 7/16 컨넥터는 DIN 47223 규정을따르며, 7.5 GHz 까지사용가능하다. 2.2.1.5 GR874 "G874", "GR874" 또는 "874" 컨넥터는암, 수구별이없다. 주로테스트용으로안정하게연결할때사용하며, Beryllium 구리와니켈판을연결하는테플론으로만들어진다. 주파수사용범위는 8.5GHz 까지이다. GR874 (sexless) 10
2.2.2 특수컨넥터 2.2.2.1 SMB SMB(Subminiature B) 컨넥터 4GHz 까지사용가능하며, 손으로올리는구조를가진다. MIL-STD-348 규격을따른다. 일반적으로삽입손실은 0.3dB 정도이며, 저잡음 RF 연결이필요한경우에는사용이어렵지만, 다른신호전달을위해주로사용된다. 500 번정도의연결이가능하다. SMB 컨넥터 (Male and Female) 2.2.2.2 SMC SMC 컨넥터 (Female) SMC (Subminiature C) 컨넥터는 1960 경에개발되었고, SMA 보다작은때문에소형장비의측정에적합하다. 10 GHz 까지사용가능하며, MIL STD-348 규격을따른다. SMB 대체로사용가능하다. 11
2.2.2.3 SSMA, SSMB SSMA 컨넥터 (Female and male) SSMA(Sub SMA) 는 SMA 컨넥터크기의 70 % 정도이며, 40GHz 까지 사용가능하다. SSMB(Sub SMB) 는 SMB 컨넥터크기의 70 % 정도이다 2.2.2.4 MCX 계열 Female MCX / OSX MCX 계열 (MCX, MMCX) 은 SMB 와같이손으로올리는구조를가지고있으며, European CECC 22220 규격을따른다. 사용주파수범위는 6GHz 까지이다. MCX 컨넥터는 SMB 컨넥터크기의 70% 정도이며, SSMB 와혼용사용이불가하다. 최고동작가능전압은 250 V 이다. MMCX 컨넥터는 SMB 컨넥터크기의 50% 정도이며, 최고동작가능전압은 170V 이다. 적어도 500 회이상의연결이가능하다. 12
2.2.3 정밀컨텍터 2.2.3.1 APC-7 (7 mm) APC-7 connector (sexless) APC-7 (Amphenol Precision Connector - 7 mm) 컨넥터는가장작은반사계수를가지고있으며, 18GHz 까지사용가능하다. HP 사와 Amphenol 사에의해 1960 경초에개발되었으며, 가장정밀을요구하는곳 ( 예를들면측정, 교정등 ) 에주로사용된다. 표면상태가깨끗하면수천번이상의연결사용이가능하며, 네트워크분석기의앞단에주로사용한다. 어뎁터로는 SMA, N, 웨이브가이드및다른정밀컨넥터등이사용된다. 2.2.3.2 정밀 SMA " 정밀 SMA" 컨넥터는반사계수를줄이기위해개발되었으며, 기본적인구조는 2 가지형태로, 3.5mm (Wiltron WSMA) 및 2.92mm (Wiltron K) 가있다. 위의컨넥터는상호연결이가능하다. 수컷 (Male) 은 0.312 의 6 각형태이며, 5/16 inch 렌치를사용한다. SMA 와연결시성능의악화는별로없다. 왜냐하면, 3.5mm 및 2.9mm 컨넥터의연결구조가 SMA 보다우수하기때문이다. 그러나, SMA 핀이너무길어부적절하게연결되면 3.5/2.9 컨넥터에손상이갈수도있으므로주의하여야한다. 13
2.2.3.3 3.5 mm or APC-3.5 3.5mm 컨넥터는처음 HP 에의해개발되었다. SMA 컨넥터와연결시보다안전하게연결하기위해서개발되었으며, 34GHz 까지사용가능하다. 외곽도체의내부지름이 3.5mm 이고, 외곽도체의외부지름은 4.55mm 이다. SMA 컨넥터와다른정밀 SMA 컨넥터를연결하면, 성능이낮은컨넥터의영향을받으므로측정환경에주의를하여야한다. 왼쪽 : SMA (Male on left), 3.5mm (Male on right) 오른쪽 : 3.5mm Female ( 왼쪽, 공기 ), 3.5mm Male ( 오른쪽, black dielectric) 아래측정그림은 3.5mm, SMA 단독, 3.5mm + SMA 로연결햇을 경우, 각각의 SWR 을나타낸것이다. 3.5 mm 컨넥터 (Male) 3.5 mm, SMA 연결시 SWR 14
2.2.3.4 K K 컨넥터는 Wiltron 사 ( 현재 Anritsu 사로합병 ) 에의해 1983 년에개발되었다. K 컨넥터는 SMA 및 3.5mm 컨넥터와상호연결이가능하며, 46GHz 까지사용가능하다. 외곽도체의내부지름이 2.92mm 이고, 외곽도체의외부지름은 4.55mm 이다. K 및 2.92 컨넥터는공기유전체를사용하며, SMA 및 3.5mm 컨넥터로바로연결이가능하다. 2.2.3.5 2.4 and 1.85 mm 2.4mm and 1.85 mm 컨넥터는 SMA 와연결이불가능하다. Male 2.9 mm (SMA compatible) 컨넥터 ( 왼쪽 ), Male 2.4 mm (NOT SMA compatible) 컨넥터 ( 오른쪽 ) 2.9 mm 및 2.4 mm 컨넥터가서로인접해있으면, 구별하기가 매우어렵기때문에주의를하여야한다. 2.4 mm 컨넥터 (Male, Female) 15
가. 2.4 mm : HP, Amphenol 및 M/A-COM 사에의해개발되었으며, 60GHz 까지사용가능하다. 외곽도체의두께를증가시키고, 암컷 (female) 의핀을강하게함으로써 SMA 및 2.92mm 컨넥터의단점을제거하였다. 외곽도체의내부지름이 2.4mm 이고, 외곽도체의외부지름은 4.7mm 이다. SMA, 3.5mm 및 2.92mm 컨넥터와혼용사용이불가하므로, 이런형태의컨넥터를연결하기위해특별한어뎁터가필요하며여러가지등급이존재하므로, 사용환경에따라신중한선택이필요하다. 나. 1.85 mm : 1980 경에 HP 에의해개발되어 65 GHz 까지사용가능하다. HP 사에서 1988 년에컨넥터표준화를위해일반인에게공개하였다. 1 년뒤에 Anritsu 사에서 1.85mm 컨넥터와기구적사양및성능이유사한 V 컨넥터를만들었다. 외곽도체의내부지름이 1.85mm 이고, 외곽도체의외부지름은 4.7mm 이다. SMA 컨넥터와는직접연결이불가하지만, 2.4mm 컨넥터와는직접연결이가능하다. 2.2.3.6 1.0 mm 컨넥터 W 밴드 (70-110 GHz) 에서사용하는초고주파및 RF MMIC 등의사용을목적으로, HP ( 현재의 Agilent) 에서 DC ~110 GHz 까지사용을목적으로개발한것이다. 외부도체의내부지름이 1.0mm 입니다.. 1.0 mm 컨넥터 (Male) 16
2.2.4. 컨넥터간연결가능성 컨넥터 N BNC TNC N 11 GHz 연결가능 추천 X 연결가능 추천 X BNC 연결가능 4 GHz 연결가능 추천 X (11GHz 가능 ) 추천 X TNC 연결가능 연결가능 11 GHz 추천 X 추천 X 컨넥터 SMA 3.5 mm & WSMA 2.92 and K 12.4 GHz SMA 동일 SMA 동일 SMA (26 GHz) (24 GHz) (24 GHz) * 연결주의 * 연결주의 3.5 mm & WSMA SMA 동일 (24 GHz) * 연결주의 To 34 GHz To 34 GHz 2.92 mm & K SMA 동일 (24 GHz) * 연결주의 To 34 GHz To 46 GHz 17
2.2.5. 컨넥터별사용주파수및토크 가. 사용주파수영역 컨넥터 V 2.4 mm 1.85 mm V 65 GHz 50 GHz 65 GHz 2.4 mm 50 GHz 50 GHz 50 GHz 1.85 mm 65 GHz 50 GHz 65 GHz 나. 컨넥터고정을위한토크량 컨넥터형태 토크 lb-inch(n-cm) Precision 7mm 12 (136) Precision 3.5 mm 2.92 mm, "K" 8 (90) SMA 5 (56) SMC 3 (34) Precision 2.4 mm 8 (90) Precision 1.85 mm Anritsu "V" 8 (90) Precision 1.0 mm 3 (34) Type N 12 (136) 7/16 225 (2500) TNC 12-15 (136-170) [Reference] 1. en.wikipedia.org 2. www.micromanipulator.com 18
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