RF cable의 기초
- 본자료는 퍼온글입니다.
RF 일을 하면서 개발 및 Test등을 할때 많은 RF cable등을 사용하게 됩니다. 대부분의 사람들이 그냥 일반적으로 RF 케이블을 사용하게 되는데 정확한 Test와 개발을 위해서는 RF cable 및 RF 악세서리등을 정확하게 사용해야 합니다.
그렇지 않으면, Insertion loss, Return loss 때문에 값의 오차가 발생하게 됩니다. 결국 비싼 계측장비를 사용하면서 Cable의 loss, Distortion 등으로 사용상의 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다.
RF 케이블은 그 사용 환경등에 따라 매우 많은 종류가 존재 합니다. 가장 크게 분류되는 것은 주파수와 Input power이며, 이는 여기서 설명드릴 가장 큰 factor가 됩니다.
그럼 하나씩 하나씩 쉽게 설명을 드리겠습니다.
1. RF Cable 구조
위의 그림과 같이 RF 케이블의 구조는 크게 4가지로 구성이 됩니다.
보통 RF Cable의 datasheet를 보시면 아래와 같이 Inner Conductor, Isolation/Dielectric, Outer Conductor/Shield, Jacket으로 구성이 되어 있습니다.
1. Centre Conductor : Inner Conductor 라고 불리우며, 가장 중심이 되는 core입니다. 주로 구리 및 동등으로 구성이 되어 있으며 Wire를 몇번을 감느냐에 따라 특성들이 달라지게 됩니다.
아래 표는 몇개의 선을 이용하여 감았는지에 따른 특성을 나타냅니다.
즉 하나의 core로 되어 있을때 loss는 매우 적고 가격 또한 저렴하며, Return loss등은 매우 좋은 편이지만 유연성(Flexibility)은 매우 안좋습니다. 대표적인 예로 Rigid line 입니다. 성능은 매우 좋지만 유연성이 거의 없어 주로 고정된 계측장비 내부나 system에 일부 장착이 되는 예입니다.
7개의 심으로 감았을때는 loss가 매우 안좋으며, 가격적인 장점은 있지만 Flexibility 면에서는 안좋음을 나타냅니다.
37개의 심으로 감았을때는 가격적으로는 매우 비싸지만 매우 유연한 장점이 있습니다. 하지만 그 외 면에서는 큰 두각을 나타내지 못합니다.
이러한 점이 케이블 특성을 많이 좌우하고 있으며, 추가적으로 core의 material이 무엇인가에 따라 특성의 차이가 구별되기도 합니다.
아래 표는 inner conductor 부분이 어떤 material로 구성이 되는가에 따른 특성을 나타내는 표입니다.
순수하게 구리로 구성되어 있는 inner conductor는 가격적인 면과 loss, 이득등에서 두각을 보이지만 무게 및 내구성등에서는 상대적으로 부족한 편이며, AlCuAg(알루미늄, 구리, 은 합금)은 loss및 무게 등에는 강점이지만 그 외 부분에서는 상대적으로 매우 안좋은 특성을 보이고 있습니다.
2. Dielectric : 유전체(Dielectric)는 중심의 inner conductor와 외부 conductor를 분리하는 역활을 하며, 유전체의 특성에 따라 케이블의 특성이 많이 변하게 됩니다. 또한 유전체의 두께에 따라 케이블이 cover할 수 있는 주파수 범위도 영향을 주게 됩니다.
이 유전체를 구성하는 성분은 PE(Polyethylene), PTFE(Polyetrafluorethylene), FEP(Fluorinated ethylene propylene) 등 다양한 물질이 존제 합니다. 각 material 마다 활용하는 역활이 다르며, 성능 또한 다르게 구성할 수 있습니다.
우선 아래 표는 유전체 material 별 최대 운영온도를 나타낸 것입니다.
표를 보시면 여러가지 플라스틱 부터 나일론등이 나오는데 Cable을 주로 구성하는 PTFE, PFA등이 높은 온도에서도 유지를 잘하고 있음을 보실 수 있습니다. 즉 PTFE등의 material을 사용하면 가격은 비싸지만 그만큼 내구성이 좋으며, 온도변화에 따른 특성의 변화가 적음을 보실 수 있습니다.
아시다시피 최고의 특성을 나타내는 유전체는 공기입니다. 이 때문에 몇몇 cable등은 air type으로 제품을 만들어 내고 있습니다. 아래 표는 유전체별 유전율을 나타내고 있으며, 유전율 값이 1에 가까울 수록 정확한 전달 특성을 가진다고 보시면 됩니다.
추가적으로 아래 표는 유전체 material별 가격등 특성을 종합한 결과 입니다. 모두 상대적인 값으로 보시면 됩니다.
결론적으로 가격은 비싸지만 온도 및 특성을 고려했을때 PTFE 제품이 가장 월등하며, 온도를 고려하지 않는다면 PE 로 구성된 케이블도 매우 좋은 특성을 보이고 있습니다.
3. Outer Conductor : outer conductor의 가장 큰 역활은 신호 전달이 잘 될 수 있게 shielding하는 역활입니다. 이는 주파수 범위를 어떻게 가져갈 수 있는지를 결정지을 수 있는 요소입니다.
아래 그림은 각 type 별 주파수 범위를 보여주고 있습니다.
즉 single braid는 가격을 절감할 수 있지만 shielding율이 낮아 높은 주파수의 신호일 수록 외부로 나가는 값이 커지기 때문에 주로 낮은 주파수 케이블에서 많이 사용되는 방식입니다. double braid는 6GHz미만의 RG개열 또는 EF 개열에서 많이 사용되는 방식으로 이중 차폐를 하는 방식입니다.
이보다 더 높은 주파수를 cover하기 위해서는 마지막 Longitudinal foil 방식으로 유전체 다음으로 통으로 만든 braid를 씌우고 또한번 Shielding을 하는 방식입니다. 가격이 높아지지만 6GHz이상 cover가 가능하게 하는 방식입니다.
Longitudinal foil 방식에는 여러가지 type이 있는데 아래 그림과 같은 방식들이 많이 사용됩니다.
각 type별 장단점을 종합하여 보면
single 또는 double braid의 경우는 유연성이 매우 좋은 장점을 가지고 있지만 주파수 범위가 낮고 loss, shielding effectiveness가 안좋은 단점이 있습니다. 반면에 Longitude foil 방식은 높은 주파수를 cover하고 shielding effectivness가 좋은 장점이 있지만 가격 및 유연성이 떨어지는 단점이 있습니다. 물론 이를 보완하기 위해 여러가지 방식등으로 개선이 되고 있습니다.
4. Jacket : 자켓은 기계적인 보호의 역활을 주로 합니다.
아래 표는 Jacket을 구성하는 material별 장단점을 표기한 내용입니다.
PVC 제질은 유연성 및 가격적으로 매우 저렴하지만 높은 온도를 cover하기 힘들고 Halogen등의 성분을 포함하고 있어 연소시 매우 안좋은 성분이 나오게 됩니다.
FEP의 경우는 온도에 강하지만 값이 비싼 단점이 있습니다. HuberSuhner사에서 개발한 Radox125의 경우는 높은 온도와 친환경 성분으로 만들어진 장점이 있지만 가격이 비싼 단점이 있습니다.
마지막으로 이렇게 구성된 케이블에 Armour (갑옷이라는 의미로 케이블의 보호등을 위해 추가적으로 씌우는 방식) 작업을 하는 경우가 있습니다.
Armour를 하게 되면 기계적으로는 압력, 내구성의 증가를 가져오게 되며, 환경적으로는 온도 및 화학적으로 위험하지 않게 보호하는 역활을 수행하게 됩니다. 또한 전자파적으로는 Shielding의 효과를 더 높여주기도 합니다.
아래 그림은 각 Armour별 특성을 나타낸 것으로 HuberSuhner사의 Sucoflex 제품에 주로 사용되고 있습니다.
결론적으로 Cable을 선택할때 자신의 Application에 적합한 cable을 선정하기 위해서는 하나하나 꼼꼼히 살펴봐야 합니다.
하고자 하는 Application이 높은 온도(즉 높은 high power 를 control하는지)인지, low loss을 원하는지, 높은 주파수를 cover해야하는지등... 이러한 특성에 맞는 케이블을 선택하는 것이 더 좋은 Test결과를 얻는데 큰 도움이 될 것입니다.
케이블....작지만 큰 역활을 수행합니다.
감사합니다.
* 본자료는 Huber+Suhner사의 Training 자료입니다
[출처] RF Cable 이론|작성자 브로드텍 인터내셔널