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RF 케이블 사용을 위한 엔지니어 가이드

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글/Kenton Williston, Molex

RF 케이블 조립품은 항공 우주 및 통신과 같이 확립된 기존의 영역부터 자동차, 산업 및 사물 인터넷(IoT)과 같이 새로운 사용 사례에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 사용된다. 이렇게 응용 분야가 확대되면서 새로운 유형의 RF 케이블 조립품 개발이 가속화되었고, 엔지니어들은 RF 시스템 설계를 최적화할 수 있는 더 많은 기회를 얻게 되었다.

그러나 이러한 모든 성장으로 인해 설계 프로세스는 더욱 복잡해지고 있다. 시장에 출시된 조립품이 너무 많기 때문에 특정 응용 분야에 가장 적합한 제품을 파악하기가 어렵다 또한 새로운 응용 분야에서 RF 케이블이 사용됨에 따라 더 많은 설계자, 설치자 및 유지 보수 기술자가 익숙하지 않은 기술을 접하게 되었다. 이들 전문가들은 공간 및 환경 고려 사항과 함께 주파수 호환성, 임피던스 매칭, 전압 정재파비(VSWR), 자기 커플링 및 차폐에 익숙해져야 한다.

RF 시스템의 성능과 신뢰성을 보장하기 위해 엔지니어는 세심한 접근 방식과 옵션 그리고 잠재적 함정에 대한 명확한 로드맵이 필요하다.

이 기사에서는 전기적 특성, 물리적 구조, 일반적인 사용 사례 등 RF 응용 분야에 대한 간략한 개요를 시작으로 RF 케이블 조립품의 선택, 설치, 유지 보수라는 복잡한 작업에 대한 안내를 제공한다. 주요 선택 및 사용 기준을 설명하기 위해 Molex의 예가 소개된다.

RF 케이블 조립품의 다양한 사용 사례

RF 기술은 다양한 분야에 걸쳐 있으며, 각 분야마다 고유한 과제가 있다. 주파수는 수백 헤르츠(Hz)에서 수십 기가헤르츠(GHz)까지 다양한다. 러기드화가 필요한 응용 분야도 있고 물리적 설치 공간이 매우 제한적인 응용 분야도 있다 사용 사례의 다양성을 설명하기 위해 다음과 같은 일반적인 응용 분야를 고려해 본다.

• 항공 우주 및 방위: 레이더 시스템, 통신 채널, GPS

• 자동차 및 운송: 인포테인먼트 시스템, 내비게이션, 차량 통신 네트워크

• 통신 및 방송: Wi-Fi, LTE, 5G 네트워크를 통한 8K 비디오 신호

• 산업: IoT 센서, 자동화된 조립 라인, 원격 측정

• 의료: 원격 환자 모니터링 시스템, 첨단 진단 기계, 로봇 수술 장치

• 테스트 및 측정: 벤치 측정, 현장 테스트, 제조 설정 중 품질 보증

RF의 사용이 증가함에 따라 고주파 회로를 사용하는 엔지니어와 설계자가 늘어나고 있으며, 이들 중 상당수는 이 기술에 대한 배경 지식이 없다. 마감일과 예산 모두 여유가 없는 상황에서, 작업을 간소화하면서도 안정적인 시스템 작동을 보장하는 솔루션이 필요하다.

바로 그러한 이유로 RF 케이블 조립품이 필요하다. 이러한 조립품은 엔지니어링 노력을 줄이면서 지정된 성능 요구 사항을 충족하는 사전 조립된 커넥터와 케이블로 구성된다 사전 제작된 RF 케이블 조립품을 사용하면 설계 및 프로토타입 제작 시 시간과 비용을 절약하고 생산의 품질과 효율성을 향상시킬 수 있다.

주파수 호환성, 임피던스 매칭 및 VSWR

적절한 케이블 조립품을 선택하려면 여러 가지 요소를 신중하게 고려해야 한다. 첫째, RF 신호의 주파수 범위를 수용할 수 있는 조립품이어야 한다. 주파수 범위는 수백 헤르츠에서 3GHz ~ 30GHz 이상의 초고주파(SHF) 대역까지 다양한다(그림 1).

원하는 성능을 달성하려면 케이블 조립품이 심각한 신호 손실이나 왜곡 없이 적절한 주파수 범위를 처리해야 한다. 예를 들어, 영화 및 텔레비전 엔지니어 협회(SMPTE)는 2082-1 지침에 따라 엄격한 신호 품질 요구 사항을 설정하여 클록 주파수의 절반에서 손실을 40데시벨(dB)로 제한한다.

이러한 요구 사항을 충족하는 한 가지 방법은 최대 12GHz의 주파수에서 높은 반사 손실 성능을 제공하는 Molex BNC Mini RF 케이블 조립품을 사용하는 것이다. 이 성능은 8K HDTV(고화질 TV) 비디오의 직렬 전송에 대한 요구 사항을 초과하므로 향후 하드웨어 변경 없이 대역폭을 확장할 수 있다.

임피던스 매칭은 또 다른 핵심 파라미터이다. RF 신호는 신호선을 따라 임피던스 불일치로 인해 발생하는 입사파 및 반사파의 간섭에 취약한다. 신호 손실을 최소화하려면 케이블 조립품의 임피던스가 연결된 부하와 동일해야 한다(일반적으로 50Ω 또는 75Ω). 커넥터와 케이블을 함께 설계하여 가장 잘 일치하도록 하는 것이 좋다.

이러한 관행의 실제 예로는 하이엔드 75Ω 응용 분야를 위해 Molex BNC 커넥터와 Belden 4794R 케이블을 페어링하는 0897629290 어셈블리가 있다.

테스트 및 측정과 같이 특히 까다로운 응용 분야의 경우, VSWR 및 삽입 손실과 같은 추가 파라미터를 신중하게 고려해야 할 수 있다. VSWR은 입사 신호와 반사 신호의 비율로, RF 신호가 소스에서 부하로 얼마나 효율적으로 전달되는지 측정할 수 있는 척도이다. 삽입 손실은 신호가 커넥터와 케이블을 따라 이동하면서 손실되는 에너지의 양이다 그림 2는 각각에 대한 몇 가지 예를 보여준다.

차폐, 자기 결합 및 기타 고려 사항

차폐는 또 다른 중요한 고려 사항이다. RF 신호를 전달하는 모든 케이블은 안테나처럼 작동하여 신호를 송신하거나 수신하여 간섭을 일으킬 수 있다. 이러한 간섭을 최소화하려면 케이블을 접지된 금속 하우징으로 차폐해야 한다(그림 3).

차폐 재료 선택은 성능 요구 사항, 환경 조건, 예산 제약 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 예를 들어 구리는 대부분의 주파수에서 매우 효과적이지만 상대적으로 무겁고 비용이 많이 드는 반면, 알루미늄은 가볍고 저렴하지만 효과가 떨어지고 부식이 발생하기 쉽다.

차폐 형태도 고려해야 할 사항이다. RG-136 케이블이 포함된 0897616761 MCX 조립품에 있는 것과 같은 금속 브레이드는 뛰어난 기계적 강도와 물리적 보호 기능을 제공한다. 반면, 포일 쉴드는 일반적으로 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌 필름에 알루미늄을 적층하여 가볍고 저렴하며 유연한 대안으로 만들어진다. 나선형, 테이프 및 조합과 같은 다른 유형도 있으며, 주파수 커버리지 비율, 유연성, 수명, 기계적 강도, 비용 및 종단 용이성 측면에서 다양하다.

특별히 고려해야 할 응용 분야 요구 사항도 있을 수 있다. 예를 들어, 의료 응용 분야에는 종종 자기장의 영향을 받을 수 있는 센서가 포함된다. 이러한 경우, 설계 호환성을 높이기 위해 비자기 커플링 버전으로 제공되는 0897616791 MMCX 케이블 조립품과 같은 솔루션이 적합한 선택이 될 수 있다.

공간 제약, 환경 위험 및 유지 보수

물리적 매개 변수를 고려할 때 공간 및 라우팅에 대한 제한이 주요 장애물인 경우가 많다. 공간 제한이 매우 심한 국방 응용 분야를 생각해 보겠다. 여기에는 0897611760 SSMCX 케이블 조립품과 같은 솔루션이 실용적이다. SSMCX 커넥터는 시중에서 가장 작은 제품 중 하나이며 수직 및 직각 방향으로 제공되므로 까다로운 공간 및 라우팅 제약 조건을 충족할 수 있다.

설계자는 조립품을 선택할 때 최소 굽힘 반경도 고려해야 한다. RF 케이블은 구조가 복잡해 다소 뻣뻣한 경향이 있다. 돌릴 수 있는 공간이 좁은 경우에는 Molex의 연성 극초단파 조립품과 같은 솔루션을 고려해 볼 수 있다(그림 4). 이러한 조립품은 정적 굽힘 반경이 작은 경우를 위해 특별히 설계되었다.

특히 통신 분야와 같은 실외 응용 분야의 경우 극한의 온도도 문제가 될 수 있다. 이러한 응용 분야의 경우 RF 케이블 조립품에 일반적으로 사용되는 열가소성 재킷은 적합하지 않다. 대신 내구성이 더 뛰어난 소재가 필요하다. 예를 들어, 앞서 언급한 유연한 극초단파 조립품은 재킷에 테프론과 유사한 견고한 소재인 Temp-Flex 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP) 소재를 사용한다.

진동과 충격은 특히 항공과 같은 응용 분야에서 설계에 악영향을 줄 수 있다. 안정적인 작동을 보장하려면 사용되는 RF 케이블 조립품의 연결이 매우 안전해야 한다. 좋은 예로 Molex의 특허받은 MHF 커넥터 잠금 메커니즘을 사용하는 0732306110 케이블 조립품이 있다(그림 5).

유지 보수는 설계 프로세스의 일부로 고려해야 한다. 케이블 조립품의 평균 무고장 시간(MTBF)을 살펴보고 가장 주의가 필요할 수 있는 하위 조립품 및 연결에 합리적으로 접근하여 유지 보수 및 수리가 용이하도록 설계하는 방법을 고려하는 것이 중요하다.

또한 설계자는 일반적인 유지 보수를 위한 검사 일정과 케이블 조립품의 수리 또는 교체가 필요할 수 있는 징후에 대한 사용자 체크리스트를 작성하여 복잡한 문제를 사전에 관리하는 것도 고려해야 한다. 일반적인 유지 보수 단계에는 조립품의 마모 상태를 점검하고 케이블과 커넥터를 청소하여 연결부에 침투하여 성능을 저하시킬 수 있는 오염 물질을 제거하는 것이 포함된다.

마지막으로 케이블 조립품 제조업체를 평가하는 것이 중요하다. 평가를 위한 기준으로는 적절한 인증, 관련 조립품 생산 경험, 설계 유연성을 지원하는 충분한 제품 옵션, 성능 문제를 방지하기 위한 품질 보증 프로세스가 포함된다. 예를 들어, Molex는 8,100개 이상의 특허를 기반으로 한 혁신과 맞춤형 케이블 제작 도구를 비롯한 품질 및 기술 지원으로 높은 명성을 얻고 있는 케이블 및 커넥터 기술 개발의 선두주자이다.

결론

올바른 RF 케이블 조립품을 선택하는 것은 주파수 호환성, 차폐, 환경 조건, 공간 제약, 유지 보수 등의 요소를 이해하고 신중하게 고려해야 하므로 쉽지 않은 일이다. 앞서 살펴본 바와 같이 전문성, 품질 보증, 혁신을 제공하는 노련한 제조업체와 협력하는 것은 특히 RF를 처음 접하는 엔지니어와 설계자에게 이러한 과제를 해결하는 열쇠가 될 수 있다. 이러한 파트너는 이러한 케이블의 선택, 설치 및 유지보수 프로세스를 안내하여 장치와 시스템이 최상의 상태로 안정적으로 작동하도록 보장할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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