RF PCB 설계에서 SMA 커넥터의 동작 원리

SMA 커넥터는 나사로 체결하는 50 Ω 동축 커넥터입니다. RF PCB의 성능은 대개 중심 핀이 기판에 닿는 수 mm의 구간에서 결정됩니다. 커넥터 내부에서 전기장은 중심 핀을 균일하게 둘러쌉니다. 기판에 이르면 전기장이 접지면 위의 평면 배선에 맞는 형태로 바뀝니다. 이때 형상이 바뀌면서 임피던스도 달라져 신호의 일부가 반사됩니다.

그림 1: RF PCB에 장착한 에지 런치 SMA 커넥터

핀 아래의 패드는 배선보다 넓어 작은 커패시터처럼 동작합니다. 100 MHz에서는 그 영향이 작지만 6 GHz에서는 무시하기 어렵습니다. 이 글에서는 SMA 커넥터의 구조와 RF 시스템에서의 역할을 살펴봅니다. 이어 전이부 설계, 접지 비아, 풋프린트, 제조 공차, 주요 응용 분야를 다룹니다.

SMA 커넥터란?

SMA 커넥터는 DC부터 약 18 GHz까지 50 Ω 임피던스를 유지하는 나사 체결식 소형 동축 커넥터입니다. SMA는 소형 동축 커넥터의 A형을 뜻합니다. 동축 케이블을 PCB, 계측기 또는 다른 케이블에 연결할 때 사용합니다. 나사 체결부가 접촉 압력을 일정하게 유지해 연결할 때마다 재현성 있는 접속을 얻을 수 있습니다.

SMA 커넥터의 구조와 접속 방식

SMA 커넥터는 중심 접점, PTFE 유전체, 금속 외부 도체, 나사 체결부의 네 부분으로 구성됩니다. 수형 플러그에는 돌출된 핀과 나사식 결합 너트가 있고, 암형 잭에는 홈이 있는 소켓과 바깥 나사산이 있습니다. 회전하는 너트는 케이블 쪽에 있으므로 보통 PCB에는 잭을 납땜합니다.

그림 2: 체결한 SMA 플러그와 잭의 단면

임피던스는 커넥터 내부 형상으로 정해집니다. IEC 61169-15는 내경 4.13 mm(163 mil)의 외부 도체를 PTFE로 채운 구조를 기준으로 SMA 접속부를 정의합니다. 도체의 직경 비율과 PTFE의 유전율이 50 Ω 임피던스를 결정합니다. 따라서 찌그러짐이나 틈이 생기거나 핀이 휘면 그 지점에서 임피던스가 달라집니다.

RF 시스템에서 SMA 커넥터의 역할

SMA 커넥터는 연결을 풀었다가 다시 체결해도 신호 특성을 일정하게 유지하는 데 쓰입니다. 납땜 접합은 분리하기 어렵고, 눌러 끼우는 방식의 커넥터는 케이블이 움직일 때 접촉 상태가 달라질 수 있습니다. SMA의 나사산은 외부 도체를 일정한 힘으로 조여 체결할 때마다 임피던스와 접촉 저항을 비슷하게 유지합니다.

닫힌 금속 외부 도체는 신호를 차폐합니다. 리턴 전류가 외부 도체의 안쪽을 따라 흐르므로 전기장은 내부에 머물고 외부 잡음의 유입이 줄어듭니다. 그래서 PCB 커넥터 유형을 정리한 표에서는 SMA를 핀 헤더와 구분해 RF 커넥터로 분류합니다.

SMA 커넥터와 RF PCB의 연결 원리

SMA 커넥터는 동축 구조의 전기장을 PCB의 평면 전송선으로 전달합니다. 전기장 형상이 점진적으로 바뀌고 임피던스가 50 Ω에 가까울수록 이 전이가 원활합니다.

커넥터에서 PCB로의 신호 전달

동축 구조에서 전기장은 중심 핀부터 외부 도체까지 방사형으로 뻗습니다. 마이크로스트립에서는 전기장이 주로 배선에서 아래쪽 기준면으로 향하고, 일부는 공기 중에도 분포합니다. 전이부는 이 두 전기장 패턴이 바뀌는 짧은 구간입니다. 완전히 매끄러운 전이는 어려우므로 형상 변화를 얼마나 잘 제어하느냐가 중요합니다.

그림 3: SMA 전이부에서 동축 구조의 전기장이 마이크로스트립 형태로 바뀌는 모습

신호 경로만큼 리턴 전류 경로도 중요합니다. 리턴 전류는 외부 도체 안쪽을 따라 흐른 뒤 커넥터의 접지 다리와 가까운 비아를 거쳐 기판 접지면으로 돌아갑니다. 가장 가까운 비아가 3 mm(118 mil) 떨어져 있으면 전류가 우회합니다. 이 우회 경로는 이미 임피던스 불연속이 있는 전이부에 인덕턴스를 더합니다.

임피던스 정합과 신호 무결성

전이부의 임피던스 정합은 패드를 포함한 전체 경로를 50 Ω에 가깝게 유지하는 것입니다. 이 유전체 구조에서 1.27 mm(50 mil) 폭의 패드는 약 22 Ω입니다. 반사 계수는 (22 - 50) / (22 + 50), 즉 약 -0.39입니다. 따라서 패드에 진입하는 경계에서 입사 전압의 약 40%가 반사됩니다. 다만 500 MHz에서는 파장에 비해 패드가 짧아 양쪽 경계에서 반사된 파형의 크기가 거의 같고 부호가 반대여서 서로 상쇄됩니다.

주파수가 높아지면 파장에 대한 패드의 상대적인 길이가 커져 반사가 충분히 상쇄되지 않습니다. 그래서 1 GHz 스윕에서는 전이부가 양호해 보여도, 약 2 GHz를 넘어서면 반사 손실이 점차 낮아질 수 있습니다. 이런 패드의 영향을 줄이는 것은 PCB 임피던스 제어의 핵심입니다.

SMA 커넥터의 PCB 레이아웃 고려 사항

SMA 커넥터 레이아웃에서는 배선에서 핀으로 이어지는 전이부, 접지 비아, 풋프린트의 세 가지를 결정해야 합니다. 일반적인 RF PCB 레이아웃 가이드 도 적용되며, 전이부가 50 Ω을 유지할 수 있는지는 이 세 가지에 달려 있습니다.

전이부 설계와 신호 경로

전이부를 설계할 때는 먼저 패드 아래의 접지면을 비웁니다. 패드 아래 2층을 비우고 경우에 따라 3층도 비우면, 기준면이 패드에서 더 멀어져 커패시턴스가 줄어듭니다. 알티움의 시뮬레이션에서는 2층과 3층을 비워 1.27 mm(50 mil) 폭의 패드를 50 Ω으로 맞췄습니다. 상부층에서 배선과 같은 층의 접지 동박 사이 간격은 0.15 mm에서 0.25 mm(6 mil에서 10 mil)로 넓어지는 데 그쳤습니다.

폭을 점진적으로 바꾸는 테이퍼도 해결책처럼 보입니다. 하지만 같은 알티움 연구에서 튜닝하지 않은 테이퍼의 반사 손실은 허용 범위 안에 있으면서도 접지면만 비운 구조보다 나빴습니다. 테이퍼의 쐐기형 동박 자체가 커패시턴스를 더하기 때문입니다. 배선은 접지형 코플래너 도파관 구조로 패드까지 곧게 이어 주십시오. 숙련된 설계자도 전이부에서 다음과 같은 실수를 하기 쉽습니다.

• 얇은 프리프레그를 사용하면서 패드 아래에 연속 접지면을 두면 패드의 임피던스가 약 22 Ω으로 낮아지고 용량성 불연속이 생깁니다. 패드 아래 2층의 접지면을 비우십시오.
• 패드 근처에서 배선을 꺾으면 패드의 불연속에 굴곡의 불연속이 더해집니다. 패드에서 처음 수 mm는 직선으로 유지한 뒤 45도 굴곡 두 개나 곡선을 사용하십시오.
• 패드를 핀보다 길게 그리면 핀 끝 바깥에 개방 동박 스텁이 남습니다. 핀 길이에 납땜 여유만 조금 더해 패드 길이를 정하십시오.
• 중심 핀에 솔더를 과도하게 올리면 필렛이 커져 커패시턴스가 증가합니다. 핀과 패드가 젖을 정도의 얇은 필렛이면 충분합니다.

접지 비아 배치와 리턴 경로

접지 비아는 커넥터의 접지 다리에서 접지면으로 리턴 전류를 전달합니다. 첫 비아 쌍은 각 다리 바로 아래나 옆에 두십시오. 다리와 비아의 거리가 늘어날수록 리턴 경로의 직렬 인덕턴스가 커집니다. 수 GHz에서는 이 인덕턴스가 접지면의 틈과 비슷하게 작용합니다.

그림 4: FR-4에서 주파수에 따른 접지 비아 펜스의 최대 간격

비아 펜스는 코플래너 구조 양옆의 접지 동박을 접지면과 연결해 그 사이의 평행판 모드 공진을 억제합니다. 이 모드는 유전체 내부에서 형성되므로 비아 간격은 FR-4 내부의 파장을 기준으로 정합니다. Dk가 4.4일 때 6 GHz의 파장은 약 24 mm(0.94인치)입니다. 비아 펜스의 간격을 이 파장의 20분의 1로 잡으면 비아 사이 거리는 1.2 mm(47 mil) 이하여야 합니다.

풋프린트와 기구 정렬

장착 방식에 따라 풋프린트가 달라지므로 동박 패턴을 그리기 전에 방식을 정하십시오. 일반적인 네 가지 장착 방식은 신호 경로 품질과 케이블을 당기는 힘을 견디는 정도에서 차이가 납니다.

안정적인 SMA 연결을 위한 RF PCB 제조

시뮬레이션에서 전이부가 50 Ω으로 나와도 제조사가 설계에서 가정한 형상을 구현해야 같은 성능을 얻을 수 있습니다. 유전체 두께, 선폭, 비아 위치에는 제조 공차가 있으므로 이를 설계에 반영해야 합니다.

PCB 치수와 적층 구조 관리

유전체 두께에 따라 50 Ω을 구현하는 선폭이 달라지고, 이에 따라 배선과 핀의 폭을 얼마나 비슷하게 맞출 수 있는지도 달라집니다. 2층 1.6 mm(63 mil) FR-4 기판에서 50 Ω 마이크로스트립의 폭은 약 2.8 mm(110 mil)입니다. 0.51 mm(20 mil) RO4350B 기판에서는 약 1 mm(39 mil)로 핀 폭과 거의 같습니다. 이 때문에 얇은 로저스 기판에서는 커넥터와 배선 사이의 전이를 매끄럽게 설계하기 쉽습니다.

그림 5: 1.6 mm(63 mil) 두께의 4층 PCB에 물려 고정한 에지 런치 SMA 커넥터

제이엘씨피씨비는 1.0 mm(39 mil) 이상 기판의 두께를 ±10% 이내로 관리합니다. 따라서 1.6 mm(63 mil) 기판의 실제 두께는 1.44~1.76 mm(57~69 mil)일 수 있습니다. 커넥터가 제조된 기판에 제대로 맞도록 데이터시트를 참조해 PCB 두께를 선택하십시오.

RF 배선과 비아의 제조 정밀도

에칭을 거친 배선의 단면은 전자기장 해석 도구에서 가정한 직사각형과 다릅니다. 에칭액이 아래로 파고들면서 옆면도 깎아 완성된 배선은 사다리꼴 단면을 갖습니다. 3:1의 에칭 계수에서는 1온스 동박 배선의 윗면은 약 25 µm(1 mil) 좁아집니다. 0.36 mm(14 mil) 폭의 배선에서는 이 때문에 임피던스가 약 1 Ω 높아집니다. 제조사는 실측값을 바탕으로 설계 선폭을 보정합니다.

비아 위치의 정밀도는 비아 펜스와 전이부에서 특히 중요합니다. 드릴 위치 공차와 층 정렬 오차 때문에 비아 위치가 주변 동박에 대해 달라질 수 있습니다. 비아 펜스를 코플래너 간극에 너무 가깝게 그리면 비아가 간극을 침범할 수 있습니다. 임피던스 해석에 사용한 이격 거리를 지키고, 드릴 위치가 어긋나도 구멍 둘레에 동박 링이 남도록 비아 크기를 정하십시오.

검사와 품질 검증

임피던스는 실제 기판과 같은 패널에서 제작한 시험 쿠폰으로 검증합니다. 시험 쿠폰은 패널 가장자리에 놓이며 기판과 같은 에칭과 적층 공정을 거칩니다. 이후 IPC-TM-650 시험 방법 2.5.5.7에 따라 시간 영역 반사 측정(TDR)으로 임피던스를 확인합니다. 제이엘씨피씨비는 임피던스 제어 주문을 ±10% 범위로 검사합니다. 목표가 50 Ω이라면 검사 범위는 45~55 Ω입니다.

완성된 전이부의 성능은 첫 조립 기판에서 RF 스윕을 수행해야 확인할 수 있습니다. 네트워크 분석기의 S11 그래프에서 동작 대역의 반사 손실이 기준을 충족하는지 확인하십시오. 기준을 벗어나면 TDR 파형으로 문제 위치를 찾을 수 있습니다. 기판이 시험을 통과하면 같은 적층 구조와 표면 마감으로 양산을 주문하십시오.

SMA 커넥터의 주요 응용 분야

SMA 커넥터는 시험 장비 구성과 무선 제품에 쓰입니다. 시험 환경에서는 수백 번 체결해도 측정 재현성이 중요하며, 무선 포트에서는 사용하는 주파수 대역에서 임피던스 정합을 확보해야 합니다.

RF 시험과 측정

평가 기판, 필터, 증폭기, 시험 픽스처에는 최대 18 GHz의 실험실용 케이블과 계측기에 연결할 수 있는 SMA 커넥터가 쓰입니다. SMA는 정밀형 3.5 mm 및 2.92 mm 커넥터에도 체결할 수 있습니다. 마모된 SMA 핀이 네트워크 분석기의 고가 포트를 손상시킬 수 있으므로 정해진 체결 절차를 따르십시오.

1. 휘어진 핀은 상대 커넥터를 손상시킬 수 있으므로 플러그의 핀과 잭의 접속면을 확대해 검사하십시오.
2. 계측기 포트에는 교체 가능한 보호 어댑터를 장착하십시오.
3. 양쪽 커넥터의 축을 맞춘 뒤 커넥터 몸체를 잡고 결합 너트만 돌리십시오.
4. 마지막에는 설정된 토크의 SMA 렌치를 사용해 체결면이 매번 같은 위치에 오도록 하십시오.
5. 케이블을 배치한 다음 실제 측정에 사용할 케이블 끝에서 교정하십시오.

측정값에는 여전히 전이부의 영향이 포함됩니다. IEEE 370-2020은 시험 픽스처의 설계와 측정 데이터에서 그 영향을 제거하는 방법을 설명하며, 일반적으로 2x-thru 구조를 사용합니다. 이 방법으로 측정한 S-파라미터에서 커넥터와 전이부의 영향을 제거할 수 있습니다.

무선 및 고주파 시스템

무선 제품에서 SMA 커넥터는 대개 안테나 포트로 쓰입니다. 전이부를 얼마나 정밀하게 설계해야 하는지는 주파수 대역에 따라 달라집니다. 915 MHz LoRa 무선 회로는 전이부 설계의 오차를 비교적 잘 견디지만, 5 GHz 와이파이 포트에는 비아 펜스를 촘촘하게 배치해야 합니다.

SMA 커넥터 관련 자주 묻는 질문

정리

SMA 커넥터는 50 Ω 동축 케이블을 PCB에 안정적으로 연결합니다. RF 성능에 가장 큰 영향을 주는 곳은 커넥터에서 PCB의 전송선으로 신호가 넘어가는 전이부입니다. 6 GHz 와이파이 대역을 사용하는 무선 장치가 늘면서 고주파 PCB에서 SMA 커넥터를 정밀하게 배치하는 일이 더욱 중요해지고 있습니다.

안정적인 RF 성능을 확보하려면 커넥터 제조사가 권장하는 풋프린트를 적용하고, 임피던스를 제어할 수 있는 PCB 적층 구조를 사용하십시오. 제이엘씨피씨비는 RF용 임피던스 제어 PCB 제조와 로저스 소재 옵션을 제공합니다. 부품 라이브러리에서 PCB 실장형 SMA 커넥터도 찾을 수 있습니다.