[논문]원형 동축 선로에서 광대역 매칭 커넥터의 특성 연구

김병우

doi:10.7467/ksae.2012.20.5.152

원형 동축 선로에서 광대역 매칭 커넥터의 특성 연구
A Study on the Characteristics of Wide Band Matching Connector in Round Coaxial Lines 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.20 no.5, 2012년, pp.152 - 157

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, smoothing plane connector have been proposed as the vehicle connector for the wireless access in vehicular environments (5.925GHz) communication. This smoothing plane connector is designed by considering the properties of critical parameter like smoothing distance of start to end point of contact area. The design simulation and results can be used to determine the most suitable smoothing plane wire dimensions for vehicle communication connector. The optimized WAVE connector inserted the smoothing plane wire has insertion loss less than-0.17dB at 5.925GHz. It provides 20% of insertion loss with good performance. Therefore, the simulated results can be effectively used for optimum design of high frequency connector for vehicle communication.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1) 또한, 커넥터 접합면에서 스크래치가 삽입손실에 미치는 영향에 대한 연구를 실시하였다.²⁾ 자동차 고전압용 커넥터인 경우에는 커넥터 하우징 재질에 의한 전자기 노이즈 방출을 해석하였다.
따라서, 본 연구에서는 커넥터의 임피던스 매칭 문제를 해결하기 위하여 기본적인 커넥터 구조를 유지하면서 불연속면이 최소화되는 구조를 도입하였다.
9GHz 대역까지 활용 가능한 신 구조의 커넥터 설계 제작이 요구된다. 본 연구에서는 기존 상용화된 FAKRA 커넥터의 구조를 기존 돌출형 구조에서 평활형 구조로 변환하여 기생 정전용량 생성에 의한 신호 손실을 최소화할 수 있는 방법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 평활형 커넥터는 기존 FAKRA 커넥터와 비교할 때, 구조 자체가 복잡하지 않기 때문에 실용화 가능성을 극대화시킬 수 있을것이다.
본 연구에서는 자동차 WAVE 통신에서 활용 가능한 신 개념의 파크라 커넥터를 제안하여 커넥터 자체의 통신 전달능력을 성공적으로 평가하였다. 향후, 연구에서는 본 연구에서 개발한 커넥터를 실제 WAVE 통신 응용 시스템에 적용하여 응용 차원의 성능을 검증하고자 한다.

제안 방법

¹⁾ 또한, 커넥터 접합면에서 스크래치가 삽입손실에 미치는 영향에 대한 연구를 실시하였다.²⁾ 자동차 고전압용 커넥터인 경우에는 커넥터 하우징 재질에 의한 전자기 노이즈 방출을 해석하였다.³⁾
9dB까지 저하되었다. 이 같은 삽입손실을 저감시키기 위해서는 스미스 차트를 이용한 등가회로를 구성하여 실시하였다.
고주파 대역에 적용되는 자동차용 FAKRA 커넥터는 전송 선로가 일반적인 와이어 형태를 취하고 있는데, 최대 4GHz 대역까지는 임피던스 매칭이 앞서 언급한 기준 특성을 만족하고 있다. 이에 대한 전송특성 검증을 위하여 아래 Fig. 1과 같은 기존 FAKRA 커넥터를 모델링하여 HFSS를 이용한 유한요소해석을 실시하였다.
자동차 정보통신용으로 사용되고 있는 파크라 커넥터의 최대 적용 주파수인 4GHz를 상회하고 WAVE 통신까지 적용 가능한 5.9 GHz 대역의 신 개념 평활형 커넥터를 제안하였다. 제안된 신 개념 평활형 커넥터의 삽입손실은 기존 파크라에 비하여 정확한 50Ω 매칭이 가능하였기 때문에 20% 성능향상이 가능하였다.
자동차 커넥터와 관련된 기존 연구에서는 자동차 진동 및 열과 같은 내환경 조건에서 강인성을 해석하고 검증을 실시하였다.¹⁾ 또한, 커넥터 접합면에서 스크래치가 삽입손실에 미치는 영향에 대한 연구를 실시하였다.
이 같은 저장에너지 저감을 위해서는 암과 수 접촉부의 과도한 불연속 구간을 줄일 수 있는 평활면을 도입하였다. 커넥터의 암과 수 도선에 존재하는 평활면의 길이와 각도 변화에 따른 전송특성을 해석하였다.

성능/효과

1) 대표적인 고주파 대역의 자동차 커넥터인 FAKRA 커넥터에 대하여 암 수 접촉면의 형상을 평활형으로 변환하여 삽입손실 및 반사손실을 20% 저감을 확인할 수 있었다.
2) 기존 암 수 커넥터 접촉면을 도출형 커넥터에서 평활형 커넥터로 변경함으로써 전위 차 분배 및 기생 정전용량을 저감시킬 수 있었기 때문에 적용 주파수 대역을 4GHz에서 5.9GHz 대역까지 확장시킬 수 있었다.
3) 평활형 FAKRA 커넥터에서 수 커넥터의 삽입손실은 암 커넥터에 비하여 크게 발생되었는데, 이같은 현상은 커넥터 접촉부 이외의 부분에 존재하는 불연속면에 기인하는 현상이다.
4) 자동차 커넥터의 공진 주파수 대역을 확장시키기 위해서는 특정 주파수대비 상대적으로 저주파수 대역에서는 인덕턴스가 설계인자에 영향을 끼치고 고주파수 대역에서는 정전용량 영향이 크게 영향을 끼쳤다.
기존 자동차용 FAKRA 커넥터의 임피던스 특성을 측정한 결과, 주파수 5.9GHz에서 45+j11[Ω]을 나타냈다.
17dB를 나타냈다. 따라서, 암과 수 도선이 접촉하는 경계면을 평활화함으로서 기생 정전용량을 획기적으로 저감시킬 수 있었다. 그러나, Fig.
07dB 정도를 유지하고 있었다. 반면, 커넥터(수)에서 발생되는 삽입손실은 고주파 대역에서 성능이 상대적으로 저하되는 현상을 확인할 수 있었다. 이 같은 현상은 커넥터(수) 중간 부근에 존재하는 불연속면의 평활도 비율이 상대적으로 크기 때문에 발생되는 현상이라 판단된다.
5는 커넥터 암수에 대하여 평활처리를 실시하고 이로 인한 삽입손실 저감효과를 나타낸 것이다. 암과 수 도선의 접촉면에 평활화가 된 커넥터는 기존 커넥터에 비하여 삽입손실이 획기적으로 개선됨을 확인하였다. Fig.
제안된 신 개념 평활형 커넥터의 삽입손실은 기존 파크라에 비하여 정확한 50Ω 매칭이 가능하였기 때문에 20% 성능향상이 가능하였다.
5의 (a)는 평활면을 갖는 커넥터의 반사손실을 나타낸 것이다. 평할면을 갖는 커넥터는 기존 일반 커넥터에 비하여 반사손실이 향상됨을 확인하였다. 또한, Fig.

후속연구

본 연구에서는 기존 상용화된 FAKRA 커넥터의 구조를 기존 돌출형 구조에서 평활형 구조로 변환하여 기생 정전용량 생성에 의한 신호 손실을 최소화할 수 있는 방법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 평활형 커넥터는 기존 FAKRA 커넥터와 비교할 때, 구조 자체가 복잡하지 않기 때문에 실용화 가능성을 극대화시킬 수 있을것이다.
본 연구에서는 자동차 WAVE 통신에서 활용 가능한 신 개념의 파크라 커넥터를 제안하여 커넥터 자체의 통신 전달능력을 성공적으로 평가하였다. 향후, 연구에서는 본 연구에서 개발한 커넥터를 실제 WAVE 통신 응용 시스템에 적용하여 응용 차원의 성능을 검증하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고주파 대역의 정보전송 장치가 증대되는 이유는?	자동차로의 전기/ 전자장치가 급증함에 따라서 고주파 대역의 정보전송 장치가 증대되고 있다. 이의 대표적인 사례로서 자동차 안전도 및 편의성 증대를 위한 5.
	5.9GHz 대역을 사용하는 WAVE 통신 연구는 어떤 부분에서 활발하게 연구되어왔는가?	그 동안 5.9GHz 대역을 사용하는 WAVE 통신 연구는 통신 단말기 H/W 설계, 프로토콜 특성에 집중되어 왔다.[] 일반적으로 자동차에 적용되고 있는 고주파 대역의 주파수는 최대 4GHz까지 적용 가능한 FAKRA 커넥터가 주류를 이루고 있다.
	자동차 커넥터를 구성하고 있는 절연부, 전송선로부에서 인덕턴스와 커패시턴스가 하는 역할은?	자동차 커넥터를 구성하고 있는 절연부, 전송선로부 는 저항 R이 실수부, 인던턴스 L과 커태시턴스 C가 허수부가 조합된 형태로 정의할 수 있다. 인덕턴스(Inductance)는 원래 자기장 성분으로 에너지를 축적하고 커패시턴스(Capacitance)는 전기장 성분으로 에너지를 축적한다. 자동차 커넥터 모듈의 입출력 도선에 흐르는 주파수 성분 에너지는 도선의 L과 C 성분에 의하여 축적되기 때문에 에너지의 일부가 소멸되게 된다.

참고문헌 (5)

K. Yasuda and N. Sugiura, "Advanced High Density Coaxial Printed Board Connector for High Speed Signal Transmission in Rack System," Proceedings of ASME/JSME Electronic Packaging, pp.15-21, 1992.
M. Kondo, Y. Sakuraba, T. Osaki, T. Kasai, Y. Sakuraba, Y. Sato, K. Hayashi and K. Akashi, "Membrane Circuit Connector," SAE 2009-01- 1092, 2009.
M. Ohgren and S. Johnsson, Dual Frequency Quardrifilar Helix Antenna, US Patent 6421028, July 16, 2002.
V. Pachner, L. Roy and G. Costache, "EMI Measurement of Small System Using an Absorbing Clamp," IEEE Instrimentation and Measurement Technology Conference, Vol.1, pp.146-150, 1997.
H. L. Kim, J. W. Choi, S. W. Kim and N. J. Kang, "A Study of Electro Magnetic Shield Effectiveness for Automotive High Voltage Connector," Proceedings of KSPE Spring Conference, pp.1263-1264, 2010.

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