Optimizarea proiectelor RF pentru funcționarea în medii extreme

Într-o lume din ce în ce mai dependentă de conectivitatea fără fir, proiectanții de sisteme pentru aplicații precum GPS-ul marin, IoT-ul industrial, agricultura inteligentă și vehiculele aeriene fără pilot au nevoie de componente RF care pot funcționa în mod fiabil în condiții de mediu extreme. Printre provocările acestora se numără vibrațiile, praful, umiditatea ridicată, expunerea la apă sau la alte lichide și la pulverizarea cu apă salină. În timp ce sistemul trebuie să fie proiectat pentru a rezista la aceste condiții dure, o preocupare cheie este interconectarea RF, unde o conexiune coaxială transmite semnale RF între dispozitive sau între un dispozitiv și o antenă. Proiectanții trebuie să se asigure că conectorii și cablurile pe care le folosesc sunt potrivite pentru această sarcină și, în același timp, că îndeplinesc cerințele din ce în ce mai mari de performanță și densitate a conexiunilor.

Acest articol discută pe scurt provocarea de a proiecta pentru medii extreme, apoi introduce adaptoare RF, conectori și ansambluri de cabluri de la Amphenol RF. În plus, arată cum aceste componente pot contribui la protecția împotriva umidității, prafului, vibrațiilor și coroziunii, etanșând carcasele și oferind în același timp performanțe superioare de radiofrecvență în corpuri de conectare compacte, potrivite pentru ambalaje de înaltă densitate.

Mediile extreme

De la secția de producție la platformele petroliere, Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) este un exemplu de aplicație care utilizează dispozitive RF într-un mediu care poate include umiditate ridicată, abur, lichide pulverizate sau stropite, praf sau substanțe chimice corozive, cum ar fi apa sărată (Figura 1).

Figura 1: Diagrama conceptuală a unui sistem IIoT cu senzori fără fir și cu fir de la distanță care comunică cu un gateway periferic; sunt utilizați conectori RF pe tot parcursul. (Sursa imaginii: Art Pini)

IIoT utilizează senzori inteligenți, actuatoare, roboți și dispozitive similare pentru a îmbunătăți procesele de producție. Aceste dispozitive sunt conectate în rețea, asigurând colectarea, schimbul, analiza și controlul datelor. Schimbul de date de la mai multe dispozitive și sisteme contribuie la creșterea eficienței și fiabilității proceselor industriale.

În cazul în care proiectați astfel de dispozitive, trebuie să țineți cont de mediul înconjurător. Mediile extreme necesită ca dispozitivul să fie sigilat, iar toate porturile trebuie să fie rezistente la coroziune și să nu prezinte scurgeri. Carcasele metalice necesită antene externe. De asemenea, sunt necesari conectori pentru senzorii din exteriorul dispozitivului și pentru interconexiunile de semnal cu alte dispozitive. Conectorii coaxiali pentru antene sau cabluri de semnal trebuie să fie sigilați cu ajutorul carcaselor și garniturilor lor pentru a îndeplini aceste cerințe de toleranță la expunere. Standardul industrial IEC 60529 utilizează gradele de protecție la pătrundere (IP) pentru a defini gradul de protecție pe care îl asigură un anumit conector. Clasificările IP sunt formate din literele IP urmate de un număr din două cifre. Prima cifră indică gradul de protecție împotriva pătrunderii prafului și a particulelor solide. A doua cifră indică gradul de protecție împotriva pătrunderii apei. Definițiile pentru gradul de protecție IP variază de la nicio protecție la protecție completă, numerele mai mari indicând o protecție mai mare (Figura 2).

Figura 2: Gradele de protecție împotriva pătrunderii prafului și a apei conform IEC 60529. (Sursa imaginii: Amphenol RF)

Conectorii adecvați pentru expunere la condiții extreme de mediu trebuie să aibă un indice IP 67 sau 68. Clasificarea IP67 indică o etanșare strânsă la praf și protecție împotriva apei, inclusiv la scufundarea completă timp de 30 de minute la o adâncime de până la 1 metru.

Conectori coaxiali cu grad de protecție IP67

Amphenol RF oferă o gamă largă de conectori coaxiali de tip SMA, BNC și TNC, etanși la praf și impermeabili, cu grad de protecție IP. Modelul 901-10746-EE este un exemplu de mufă SMA pentru cablu RG-58 destinată montării pe pereți despărțitori și este clasificată IP67 (Figura 3).

Figura 3: Mufa de perete RF 901-10746-EE este clasificată IP67, ceea ce înseamnă că este rezistentă la apă, la praf și la coroziunea cauzată de apa sărată. (Sursa imaginii: Amphenol RF)

Caracteristicile electrice ale acestui conector SMA mamă includ o impedanță nominală de 50 ohmi (Ω) pentru cablul coaxial RG-58. Funcționează pe o gamă de frecvențe de la c.c. la 6 gigahertzi (GHz) cu un raport maxim al undei staționare de tensiune (VSWR) de 1,30:1, ceea ce este echivalent cu o pierdere la retur de -18 decibeli (dB), și are o clasificare de străpungere a dielectricului de 1000 de volți RMS (Vrms). Domeniul său de temperatură de funcționare este de la -65 °C la +165 °C. Procesul de asamblare începe cu lipirea conductorului central la pinul conectorului. Pinul și cablul se introduc în conector cu tresa deasupra nodului. Inelul de siguranță este apoi încrețit peste tresă. Garnitura inelară etanșează corpul conectorului la panoul de montare.

Corpul conectorului este din alamă, inelul de siguranță este din cupru, iar ambele au o placare din aliaj de staniu și nichel rezistentă la coroziune. Placarea îndeplinește standardul MIL-STD-202 metoda 101 pentru pulverizare cu apă salină, pentru o soluție de sare de 5% repetată timp de 720 de ore. După expunerea la pulverizare salină, se verifică integritatea placării și se testează din nou performanța RF a conectorului, inclusiv rezistența de contact și pierderea la retur.

Contactul conductorului central este din beriliu-cupru cu placare cu aur și este introdus într-un dielectric din teflon. Acesta îndeplinește cerințele IP67 în stare necuplată, atunci când este asamblat cu cablul și inelul de siguranță.

Conectorul este montat pe un panou cu feronerie din oțel inoxidabil și sigilat cu o garnitură din cauciuc siliconic pentru a garanta integritatea fizică și conformitatea IP67.

O fișă SMA pentru cuplare este Amphenol RF 901-9876-RFX-EE. Această fișă SMA în linie, montată pe cablu, are aceeași compoziție de material și placare ca și mufa de perete și funcționează în același interval de temperatură. Se cuplează cu mufa folosind un inel de siguranță filetat peste corpul filetat al mufei. La fel ca și 901-10746-EE, fișa este clasificată IP67 și este proiectată să funcționeze cu cabluri RG-58. Are o gamă de frecvențe de operare de la c.c. la 12,4 GHz.

Acești conectori RF pentru medii extreme sunt, de asemenea, disponibili ca tipuri BNC și TNC. Un conector TNC este o versiune filetată a unui conector BNC. Conectorii filetați, atunci când sunt strânși la cuplul specificat, sunt rezistenți la vibrații. 031-6501-EE (Figura 4, stânga) este un conector TNC în unghi drept care utilizează aceleași materiale și îndeplinește aceleași standarde IP67 și de rezistență la coroziune ca și conectorii SMA. Acesta este proiectat să funcționeze într-un interval de temperatură cuprins între -40 °C și 85 °C. Din punct de vedere electric, are o impedanță caracteristică de 50 Ω și o gamă de frecvențe de operare de până la 6 GHz. Conectorii cu unghi drept elimină necesitatea îndoirii cablurilor, reducând la minimum șansele de deteriorare a cablului coaxial și, în același timp, economisind spațiu în carcasele mici utilizate în sistemele IIoT și altele similare. Dispozitivul 031-6501-EE poate fi asociat cu un adaptor de perete de cuplare, cum ar fi AD-TNCJTNCJ-EE (Figura 4, dreapta).

Figura 4: Fișa TNC în unghi drept 031-6501-EE și adaptorul de perete TNC AD-TNCJTNCJ-EE permit efectuarea de rotații strânse fără îndoirea cablurilor, economisind spațiu în carcasele compacte IIoT. (Sursa imaginii: Amphenol RF)

AD-TNCJTNCJ-EE are un grad de protecție IP68, este rezistent la coroziune și are un interval de temperatură de funcționare de la -65 °C la +165 °C. Impedanța sa caracteristică este de 50 Ω și funcționează până la 18 GHz. VSWR-ul său este de 1,2:1 (echivalent cu o pierdere la retur de -21 dB) pentru frecvențe între 0 și 11 GHz și de 1,3:1 (echivalent cu o pierdere la retur de -18 dB) pentru frecvențe între 11 și 18 GHz. Adaptoarele de perete permit deconectarea cablurilor de la un panou de montare sau de la o ușă, astfel încât să poată fi ușor de îndepărtat pentru întreținere.

Conectorii BNC sunt ca și unitățile TNC, diferind în primul rând prin mecanismul de blocare. Un BNC este un conector cu conectare/deconectare rapidă care utilizează două urechi tip baionetă pe partea cu mufa, care se cuplează în fantele de pe ansamblul fișei, blocându-le împreună cu o răsucire de un sfert de tură. De asemenea, acestea oferă protecție la pătrundere IP67 și rezistență la coroziune în cazul pulverizării cu apă sărată.

Fișa BNC 031-6924-EE (Figura 5, stânga) are o temperatură de funcționare cuprinsă între -40 °C și +85 °C. Impedanța sa caracteristică de 50 Ω este compatibilă cu cablul RG-58. Are un VSWR de 1,30:1 (echivalent cu o pierdere la retur de -18 dB) și o gamă de frecvențe de la c.c. la 6 GHz.

Soclul de cuplare AD-BNCJBNCJJ-EE (Figura 5, dreapta) este un adaptor de perete de tip mufă-la-mufă care este, de asemenea, un conector de 50 Ω cu o frecvență maximă de 12 GHz. VSWR-ul său este de 1,30:1 (echivalent cu o pierdere la retur de -18 dB) de la c.c. la 4 GHz și mai puțin de 1,45:1 (echivalent cu o pierdere la retur de -15 dB) de la 4 la 12 GHz. Domeniul său de temperatură de funcționare este de la -40 °C la +85 °C.

Figura 5: Componentele conectorului pentru expunere extremă BNC sunt utilizate pentru conectarea/deconectarea rapidă. (Sursa imaginii: Amphenol RF)

Concluzie

Atunci când proiectează dispozitive fără fir, proiectanții trebuie să ia în considerare cerințele fizice și electrice ale aplicațiilor pentru a asigura funcționalitatea și longevitatea produsului. Conectorii RF coaxiali utilizați în sistemele fără fir au ca sarcină principală menținerea integrității semnalului indiferent de mediul înconjurător. În acest scop, este esențial să se selecteze conectori și adaptoare de înaltă fiabilitate care să reziste la vibrații, la pătrunderea lichidelor, la praf și la coroziune. Conectorii cu expunere extremă Amphenol RF sunt ideali pentru proiectele destinate să funcționeze în medii severe.