GHz帯の同軸コネクタとケーブルアセンブリの理解と選択
著者 Bill Schweber 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-04-14
マルツ掲載日：2021-08-02
無線周波数(RF)コネクタとそれに接続される同軸ケーブルアセンブリは、回路基板、サブアセンブリ、シャーシ間の重要な信号経路を提供します。適切なコネクタは、少なくとも必要最低限の電気的性能と機械的耐久性を備えています。しかし、バヨネット型BNCコネクタをはじめとする長年使用されてきたRFコネクタファミリは、その物理的なバルクや性能の限界から、もはや適切ではありません。
今日の設計に伴う多くの課題に対応するために、エンジニアはいくつかの主要なファミリで提供される多くのタイプから製品を選択することができ、それぞれが高帯域、低バルク、より細い同軸ケーブルの使用などの組み合わせを提供しています。さまざまなクラスの物理的設置の優先順位を満たすため、これらのコネクタには、多種多様なプリント基板の終端形式とケーブル終端タイプがあります。そのため、設計者はまず設計要件を満たす適切なコネクタファミリを選択し、次にそのファミリ内でスタイルを選択する必要があります。
この記事では、ギガヘルツ(GHz)帯で広く使用されている5つのRFコネクタファミリを紹介します。また、Würth Elektronikが提供するさまざまなファミリのコンポーネントを使用して、選択したコネクタで終端する完全なケーブルアセンブリと密接に関連する問題についても見ていきます。
RFコネクタの基礎知識
コネクタに関する用語を明確にすることが重要です。「コネクタ」とは、必要に応じて嵌めたり外したりできる金属製の終端であり、「ケーブル」とは、内側の銅導体、間隔のある誘電体、外側のシールド、絶縁体で構成された同軸線のことで、そこにコネクタが取り付けられます。「ケーブルアセンブリ」とは、ケーブルの一方または両方の端にコネクタを取り付けたものの組み合わせです。しかし、カジュアルな会話の中では「ケーブル」という言葉が「ケーブルアセンブリ」の代わりに使われることが多く、実際の意味は文脈から通常明らかです。この記事では、これらの用語を厳密な意味で使用します。
コネクタは受動部品であり、信号の処理や拡張を行うものではありませんが、ほとんどの製品設計に欠かせない要素です。「理想的」なコネクタとは、便利な嵌合・脱着、機械的・電気的整合性などの重要な機械的特性を備え、DCオーム抵抗やRFインピーダンスの不連続性がない電気的透明性を持つ必要があります。コネクタの設計、製造、使用上の課題は、動作周波数が高くなるほど多くなります。必要とされる動作周波数がギガヘルツ(GHz)以上のRF領域になると、機械的な構造は必然的にますます精密になり、多くの重要な性能属性やパラメータが必要になります。
BNC(Bayonet Neil-Concelman)のような古典的なコネクタには、50Ωと75Ωのバージョン(後者はビデオやテレビ用)があり、1950年代から広く使用され、現在も使用されています(図1)。このロック式コネクタは、1/3回転で素早く着脱できる「バヨネット」方式を採用しています。周波数特性は正式には4GHz定格とされていますが、より高い周波数ではしばしばコネクタの損失が許容できないレベルまで増加します。物理的には、サイズが比較的大きく、ケーブルアセンブリ全体の最小曲げ半径が大きいため、コンパクトで高密度な今日の設計には適していません。
図1：BNCコネクタは、バヨネット型のボディロックを備え、1950年代初頭に開発されて以来、広く使用されてきましたが、高周波でスペースに制約のある今日のアプリケーションの多くには、電気的にも機械的にも適していません。通常、ケーブルアセンブリにはオスのプラグ(左)、インストルメントパネルにはメスのジャック(右)が使用されています。(画像提供：Wikipedia、Pinterest)
新しいアプリケーション向けの新たなファミリ
より高い周波数、よりコンパクトなアプリケーションに効果的な、業界標準のコネクタファミリが多くあります。代表的なものとしては、SMA、SMB、SMP、MMX、MMCXファミリなどがあり、いずれも標準的な50ΩのRFインピーダンスを備えています。それぞれ、電気的・機械的特性の組み合わせが異なります。BNCコネクタの直径が17mmであるのに対し、これらのコネクタでは5mm台と非常に小さいのが特徴です。
この記事では、それぞれのファミリに属するシングルコネクタの製品を紹介します。とはいえ、それぞれのファミリの中には、電気的な仕様はほぼ同じでも、機械的な構成や配置が大きく異なるものが数多く存在します。
ライトアングルボディやストレートボディで面実装、スルーホール、エンドランチ終端のプリント回路基板タイプ、背面実装のバルクヘッドタイプ、ソルダーカップ、フラットタブ、ラウンドポスト接続のパネル実装タイプなどがあります。また、ケーブルの先端に取り付ける嵌合先のコネクタにも、ストレートやライトアングルなどのバリエーションがあります。
1つのコネクタタイプに多くの選択肢があることは、設計者にとって好都合です。製品の設計や制約条件に適した特定のフォームファクタを持つコネクタが、即納製品として入手できる可能性が高まるからです。これは、製品の機械的設計の優先順位をほとんど、あるいはまったく変更する必要がないことを意味しています。では、以下に5つのファミリを詳しくご紹介します。
●SMA
超小型のSMAシリーズ同軸コネクタは、ネジ式カップリング技術を用いて設計されており、激しい振動に対しても高い機械的安定性を確保します(図2)。コネクタのセンターコンタクトと絶縁体を一体化することで、軸力とトルクを向上させました。センターコンタクトに施された厚い金メッキは、電気的性能の向上と最大500回の嵌合サイクルに寄与しています。
図2：超小型SMAシリーズのコネクタには、激しい振動に対して機械的な整合性を高めるために、ネジ式カップリングを採用しています。(画像提供：Würth Elektronik)
このタイプのコネクタの好例は、メス型ソケットを備えたDC～10GHzのSMAコネクタジャックである、Würth Elektronikの60312242114510です(図3)。ボードエッジでの使用や、エンドランチの向きに合わせて設計されています。
また、このパネルマウントはんだコネクタには、フロントサイドナットとロックワッシャが付属しており、バルクヘッド(パネル)への取り付けが容易なため、最終製品の剛性を高めることができます。
図3：メス型ソケットを備えたDC～10GHz SMAコネクタジャックの60312242114510には、パネルやバルクヘッドを介して取り付ける際の機械的な整合性を高めるために、フロントサイドナットと関連するロックワッシャが付属しています(寸法の単位はすべてミリメートル)。(画像提供：Würth Elektronik)
主なRF仕様は、DC～12.4GHzまでの電圧定在波比(VSWR)が1.2未満、挿入損失(IL)が0.14dB未満であり、12.4～18GHzまでのVSWRが1.4、ILが0.2dBとなっています。
●SMB
SMBシリーズのコネクタは、DC～4GHzまでの広帯域対応のスナップオンカップリング用に設計されています。SMAシリーズのコネクタよりも小型で、回路の小型化に適しています。SMBコネクタには、スルーホールや面実装のプリント基板用レセプタクル、プラグやジャックのエッジカードやケーブル用コネクタなどがあります(図4)。
図4：SMBコネクタは、SMAコネクタよりも小型で、ネジ式ではないスナップオンデバイスです。また、さまざまな構成のものが入手可能です。(画像提供：Würth Elektronik)
SMBコネクタの例としては、61611002121501があります。オスピン、ライトアングル、スルーホール、はんだコネクタジャックを備えており、VSWRは1.5、挿入損失は0.2dB未満です(図5)。また、SMAデバイスと同様に、定格500回の嵌合サイクルです。
図5：61611002121501 SMBコネクタは、スルーホール基板への取り付けやはんだ付け用に設計されたスナップオン式のライトアングルユニットで、SMAユニットよりも小型でありながら同等の仕様を備えています。(画像提供：Würth Elektronik)
●SMPシリーズ
40GHzまでのアプリケーションに使用できる、スライドインとスナップオン両方の機能を備えた小型コネクタです。これらの製品は、高い耐振動性を実現するために最大の保持力を持つフル「デント」(100サイクル)、中程度から低めの保持力を持つリミテッドデント(500サイクル)、そしてモジュラーシステムやアプリケーション向けにスライディングコンタクトで最小の保持力を実現するスムースボア(1000サイクル)という3種類のインターフェースがあります(図6)。
図6：SMPシリーズのコネクタには、保持定格が中～低で500サイクルのリミテッドデント(左)、保持定格は低いがサイクル数が2倍のスムースボア(右)など、さまざまな保持定格のものがあります。(画像提供：Würth Elektronik)
このシリーズのコネクタの1つである60114202122305は、最大厚さ1.2mmの回路基板に対応し、はんだ付け用に足を延長した面実装型のエッジカードコネクタです(図7)。DC～12GHzまでのVSWRは1.5、挿入損失は0.42dBと規定されています。
図7：60114202122305は、SMPシリーズのスムースボア、エッジカードコネクタであり、定格周波数は12GHzです。(画像提供：Würth Elektronik)
●MCXシリーズ
MCX(マイクロ同軸)シリーズのコネクタは、スナップオンカップリング機構を採用して迅速で便利な接続を実現しており、DC～6GHzでの動作を想定しています(図8)。これらは、IEC 61169-36、「無線周波数コネクタ - パート36：スナップオンカップリングを備えた超小型RFコネクタ-特性インピーダンス50Ω(タイプMCX)」に準拠したコネクタです。
図8：MCXコネクタシリーズは、IEC 61169-36に対応した、さらに小型のスナップオン型コネクタファミリです。(画像提供：Würth Elektronik)
60612202111308は、MCXシリーズの面実装型のエッジランチジャックであり、厚さ1.6mmまでの基板に適しています。その範囲でのVSWRは1.3、挿入損失は0.25dBで、500サイクルの定格です。
図9：MCX シリーズの60612202111308 面実装、エッジランチジャックの挿入損失は、6GHzまでわずか0.25dBです。(画像提供：Würth Elektronik)
●MMCXシリーズ
MCXコネクタに比べて約30%の小型化を実現し、超小型設計が要求される用途に適しています(図10)。素早く簡単に接続できるスナップオンカップリング機構を備え、IEC 61169-36にも準拠しています。
図10：MMCXシリーズのコネクタは、MCXシリーズのコネクタに比べて約30%小型化され、同等のRF性能を発揮します。(画像提供：Würth Elektronik)
たとえば、66046011210320 MMCXプラグは、MMCXファミリのオスピン、「フリーハンギング」(インライン)の圧着コネクタです(図11)。VSWRは1.3、挿入損失は0.3dBで、RG174、RG316、RG188の同軸ケーブルに対応する6GHzコネクタです。
図11：66046011210320 MMCXプラグは、RG174、RG316、RG188同軸タイプなどのケーブルに圧着するように設計されています。(画像提供：Würth Elektronik)
ファミリを完成させる特殊なコネクタとアダプタ
さまざまな種類のコネクタが使用されているため、あるファミリと別のファミリの間で相互接続を可能にするアダプタが必要になるのは必然です。Würth Elektronikは、SMAプラグとジャックから他のコネクタプラグとジャックシリーズなど、ある種のコネクタタイプや性別から別のコネクタタイプへのトランジションをサポートするアダプタの完全なシリーズをいくつか提供しています(図12)。
図12：SMB、MCX、MMCXファミリのさまざまなタイプのコネクタへのシームレスなトランジションを可能にする、利用可能な多くのSMAプラグとジャックアダプタを示しています。(画像提供：Würth Elektronik)
また、当初は設計者を戸惑わせる特殊なコネクタタイプとして、逆極性(RP)コネクタがあります。標準的なコネクタの構成では、プラグにはオス(ピン)のセンターコンタクトがあり、ジャックには対応するメス(レセプタクル)があります。しかし米国では、FCC(連邦通信委員会)の規制により、固有のケースでは「極性」の性別を逆にすることが義務付けられています。
この状況は、民生用の無線Wi-Fiルータが登場した数十年前までさかのぼります。それらは限られた範囲をカバーするように設計されたものであり、小型アンテナの根元にあるコネクタを、Wi-Fiユニットのアンテナ接続部に直接ねじ込むため、アンテナを移設することはできませんでした。
しかしFCCは、エンドユーザーが追加のアンプや外部アンテナを使ってデバイスの通信距離を伸ばそうとすることにより、Wi-Fi帯域の干渉が起きることを懸念していました。彼らの「解決策」は、このようなアドオンを簡単に接続できないようにするため、(SMAコネクタが多く使われていた)それらの無線機器にRPコネクタの使用を義務付け、標準的なアドオンとの互換性を失わせることでした(図13)。
図13：RP-SMAプラグとジャックコネクタは、従来のSMAコネクタと比べて中心導体の性別が逆になっています。(左から順に)標準SMAオスコネクタ、SMA標準メスコネクタ、RP-SMAメスコネクタ、RP-SMAオスコネクタ。(画像提供：Wikipedia)
しかし、短期間のうちに、RPコネクタのペアで終端されたケーブルアセンブリが広く普及し、移動可能な外付けのWi-Fiアンテナなどの機器に対する標準的なアドオンとなりました(図14)。
図14：この外付けWi-Fiアンテナは、最適な場所に移動させることができ、RP-SMAコネクタを採用しているため、Wi-Fiルータのアンテナインターフェースとコネクタ互換性があります。(画像提供：Amazon)
図15：逆極性(RP)コネクタは、回路基板のスタイルやケーブルの終端形状に応じて、さまざまな種類があります。(画像提供：Würth Elektronik)
利用可能なRP-SMAジャックコネクタには、パネルマウントでスルーホールはんだ型の63012042124504があります(図16)。VSWRはDC～12.4GHzで1.2、12.4～18GHzで1.4であり、挿入損失はDC～12.4GHzで0.14dB、12.4～18GHzで0.2dBを実現しています。
図16：63012042124504は、スルーホールマウントとはんだ付け用に設計された逆極性SMAコネクタです。(画像提供：Würth Elektronik)
ケーブルとアセンブリで接続が完成
コネクタだけではRF信号経路のシナリオの一部に過ぎず、そのプラグは通常、RG174、RG316、RG188などの標準的な同軸ケーブルに取り付けられています。いずれもRF用の50Ωケーブル(ビデオシステム用には75Ωケーブルとコネクタ)ですが、周波数範囲、減衰量、直径、誘電体のタイプ、位相特性、パワーハンドリング、最小曲げ半径、外部ジャケットなどの機械的・電気的属性が異なります(図17)。
図17：設計者は、電気的・機械的特性の異なるさまざまな50Ω同軸ケーブルの中から選ぶことができます。ここでは、一般的な標準同軸ケーブルの重要な仕様である、周波数に対する減衰量を示しています。(画像提供：Würth Elektronik)
また設計者は、同軸ケーブルアセンブリを自作するのか、それとも既製品を購入するのかを決める必要があり、これは典型的な「作るか買うか」という問題です。これらの同軸ケーブルは、必要に応じて選択されたコネクタで終端することができますが(「作る」選択肢)、そのためには多くの場合、技術、練習、時間、適切な圧着工具、その他の工具が必要となります。
さらに、完成したケーブルアセンブリには、単なる導通試験だけではなく、帯域幅や平坦性、インピーダンスの不連続性、損失、位相シフトなどのRF性能もチェックする必要があるのです。これらの電気的テストには時間がかかり、高性能の測定機器が必要となり、アセンブリにはストレインリリーフによる機械的耐久性が必要です。
幸いなことに、ケーブルアセンブリは、もっとも一般的なケーブルとコネクタのタイプに応じて、標準的な在庫品としてさまざまな長さのものが入手可能です。また、長さやコネクタの組み合わせをカスタマイズすることも可能で、納期もかなり短くなっています。
たとえば、Würth Elektronikの65503503530505は、RG-316同軸ケーブル(外径0.102インチ/2.59mm)を使用し、両端にストレートのSMAオスプラグを備えた12インチ/305mmのケーブルアセンブリで、コネクタとケーブルの接合部に熱収縮チューブを追加して、ストレインリリーフと耐久性を確保しています(図18)。
図18：65503503530505は、RG-316ケーブルを使用した標準的な12インチ同軸ケーブルアセンブリであり、両端にストレートのSMAオスプラグが付いています。コネクタとケーブルの間のストレインリリーフに注目してください。(画像提供：Würth Elektronik)
このケーブルアセンブリのデータシートには、機械的や材料的な詳細と寸法が包括的に記載されており、DC～6GHzのVSWR(1.3)と挿入損失(1.2dB)の保証仕様も含まれています。また、100フィートあたりの減衰量と周波数の関係を示したグラフもあるため、ユーザーは任意の長さのケーブルアセンブリの減衰量をすぐに判断することができます(図19)。
図19：65503503530505ケーブルアセンブリの減衰量と周波数の関係を示しています。(画像提供：Würth Elektronik)
ベンダが提供する幅広いケーブルアセンブリは、両端が同じタイプのコネクタに限定されず、むしろ相互接続やトランジションの問題にも直接対応することができます。たとえば、65530260515303は、RG-174ケーブルを使用した短い(6インチ/152mm)ケーブルアセンブリであり、片方の端にRP-SMAバルクヘッドオスジャック、もう片方の端にストレートMMCXオスジャックが付いています(図20)。
図20：ケーブルアセンブリは、異なるコネクタファミリ間のトランジションとしても使用できます。たとえば、65530260515303ケーブルアセンブリはRG-174ケーブルを使用し、一方の端にRP-SMAバルクヘッドオスジャック、もう一方の端にストレートMMCXオスジャックを備えています。(画像提供：Würth Elektronik)
また、これらのコネクタやそのケーブルアセンブリには、もうひとつ注意すべき点があります。それは、これらのコネクタが小さく、ネジ部を締めたり緩めたりする際に扱いにくい場合があることです。同時に、トルクを特定の値にする必要があります。
トルクが小さすぎると確実に接触せず、大きすぎるとネジ部に応力がかかって変形し、嵌合・脱着のサイクルが減ってしまうためです。このため、Würth Elektronikは、すべてのWR-SMAコネクタ用の小型トルクレンチである6006330101 WR-Toolを提供しています(図21)。
図21：6006330101 WR-Toolにより、SMAボディのサイズが小さいためにしばしば困難となるSMAコネクタのネジ部の適切かつ一貫した締め付けが可能になります。(画像提供：Würth Elektronik)
このツールを使用することで、コネクタにかかるトルクを規定レベルに保つことができるため、コンタクトの嵌合を確実にし、信頼性を高め、安定した性能を得ることができます。
結論
周波数がギガヘルツ帯に及ぶRF回路やシステムの設計者は、さまざまなサイズ、ボディスタイル、性別、その他重要なパラメータを持つコネクタから選ぶことができます。電気的、機械的に適切な仕様のコネクタを選択し、正しくトルクをかけることで、回路、サブ回路、システム間に信頼性の高い、一貫した低損失の信号経路を確保する際の困難を最小限に抑えることができます。
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