Înțelegerea noțiunilor fundamentale ale adaptoarelor coaxiale pentru utilizarea mai eficientă a acestor componente foarte utile

Utilizatorii echipamentelor cu instrumentații electronice care implică transmiterea sau recepția semnalelor electrice de înaltă frecvență sunt familiarizați cu conexiunile coaxiale, deoarece acestea se folosesc la scară largă. Se folosesc atât de mult încât astfel de tipuri de conexiuni sunt, într-un fel, luate de bune – până în momentul în care este necesară conectarea mai multor instrumente împreună sau extinderea cablurile coaxiale. În acest moment, proiectanții sau alți utilizatori ai echipamentelor pot folosi adaptoare; dar, înainte de a face acest lucru, ei trebuie să înțeleagă pe deplin implicațiile și caracteristicile fiecărui tip de adaptor pe care l-ar putea utiliza.

Marea varietate de adaptoare disponibile nu există fără motiv. „Teurile” conectează o singură sursă de semnal la mai multe instrumente, în timp ce „cilindrii” extind conexiunile cablurilor coaxiale. Apoi, există dispozitive de blocare c.c., teuri de polarizare, elemente de impedanță, dispozitive de protecție la supraintensitate tranzitorie și terminații – toate acestea fiind utilizate în mod obișnuit, dar uneori nu sunt înțelese pe deplin. Utilizarea corectă a acestor adaptoare necesită anumite cunoștințe de bază despre liniile de transmisie și atenție în timpul selecției.

Acest articol oferă o scurtă prezentare generală a liniilor de transmisie. Apoi introduce diferite tipuri de adaptoare coaxiale, descrie modul în care funcționează și prezintă cel mai bun mod de aplicare al acestora. Se folosesc exemple reale de la Amphenol RF, Times Microwave Systems de la Amphenol și Crystek Corporation.

Ce sunt liniile de transmisie?

Liniile de transmisie, sub formă de cabluri coaxiale, linii plate, microbandă sau altele, conectează o sursă a unui semnal la o sarcină. Liniile de transmisie au o impedanță caracteristică determinată de dimensiunile fizice ale conductoarelor, distanța dintre acestea și materialul dielectric utilizat pentru izolarea conductoarelor. Cel mai frecvent, cablurile coaxiale au o impedanță caracteristică de 50 ohmi (W) pentru operațiuni RF generale, sau de 75 W pentru aplicații video.

Pentru a asigura eficiența maximă în timpul transferului de energie de la sursă la sarcină, impedanța sursei, impedanța caracteristică a liniei de transmisie și impedanța sarcinii trebuie să fie potrivite. Dacă impedanțele diferă, atunci o anumită parte din energie este reflectată de la joncțiunea nepotrivită. De exemplu, dacă impedanța sarcinii diferă de sursa și impedanța liniei de transmisie, atunci energia este reflectată de la sarcină înapoi spre sursă (Figura 1).

Figura 1: O linie coaxială cu o sarcină nepotrivită reflectă energia de la sarcină înapoi spre sursă, creând unde staționare pe traseul de transmisie. (Sursă imagine: DigiKey)

Undele incidentale și reflectate se combină în mod aditiv de-a lungul traseului de transmisie, formând unde staționare în care amplitudinea variază periodic pe lungimea fizică a traseului. Undele staționare cauzează erori de măsurare și pot duce la deteriorarea componentelor. Potrivirea impedanței sursei, a liniei de transmisie și a sarcinii previne apariția undelor staționare și, astfel, ajută la asigurarea celei mai eficiente transmisii a puterii de la sursă la sarcină.

Ca urmare a cerințelor de potrivire a impedanței, este important să se utilizeze adaptorul potrivit; dar, după cum va descoperi proiectantul în scurt timp, adaptoarele sunt multe și variate și adesea au caracteristici care depășesc formarea unei conexiuni de bază.

Teuri de polarizare

Luați în considerare un sistem instrumental de bază alcătuit dintr-o singură sursă, un osciloscop și un analizor de spectru (Figura 2).

Figura 2: Conectarea celor trei instrumente din acest exemplu cu un teu de polarizare necesită ajustarea impedanței de intrare a osciloscopului pentru a preveni o nepotrivire la sursa semnalului. (Sursă imagine: DigiKey)

Sursa semnalului are o impedanță de ieșire de 50 Ω și este concepută să funcționeze la o sarcină de 50 Ω. Dacă se utilizează un teu de polarizare pentru conectarea osciloscopului și a analizorului de spectru atunci când ambele sunt setate la terminații de intrare de 50 Ω, sursa semnalului va înregistra o sarcină de 25 Ω, reducându-i ieșirea, iar pe cabluri vor apărea unde staționare. În acest caz, secretul este setarea instrumentului în mijlocul cursei coaxiale la o terminație de intrare cu impedanță ridicată, iar instrumentul din partea îndepărtată a cursei coaxiale la terminația de intrare de 50 Ω, conform ilustrațiilor. Sursa semnalului o va înregistra ca o sarcină de 50 Ω și totul va funcționa corect.

Amphenol RF 112461 (Figura 3) este un teu BNC cu o singură mufă BNC, două conectoare Jack BNC și o lățime de bandă de 4 gigahertzi (GHz). Ar putea fi utilizat în configurația prezentată în exemplul nostru pentru instrumente cu lățimi de bandă sub 4 GHz.

Figura 3: Teul BNC Amphenol 112461 oferă o lățime de bandă de 4 GHz. În exemplul prezentat în Figura 1, mufa este conectată la intrarea osciloscopului, iar cablurile coaxiale sunt conectate de la conectorii Jack BNC la sursa semnalului și la analizorul de spectru. (Sursă imagine: Amphenol RF)

Tipul de teu care va fi selectat depinde de conectorii utilizați pe instrumente și se va baza pe lățimile de bandă ale instrumentelor respective. În general, adaptoarele coaxiale precum teurile nu sunt disponibile pentru lățimi de bandă mai mari de 40 GHz, deoarece pierderile de semnal pot cauza probleme în adaptoare la aceste frecvențe. Se prezintă o listă a conectorilor coaxiali comuni ai instrumentelor pentru care sunt disponibile adaptoare în general, împreună cu atributele lor principale (Tabelul 1).

Tabelul 1: Familii comune de conectori coaxiali pentru care sunt disponibile adaptoare. Peste 40 GHz, adaptoarele au pierderi care le fac inadecvate pentru funcționare. (Sursă tabel: DigiKey)

Adaptoare pentru familii de conectori

Faptul că există mai multe tipuri de conectori generează nevoia de a putea realiza conversii de la un tip de conector la altul. Luați în considerare montarea unui cablu SMA de la conectorul BNC de intrare pe un osciloscop sau un analizor de spectru. Pentru această situație, Amphenol RF 242103 oferă o mufă BNC pentru conectarea la instrument și un conector Jack SMA pentru primirea cablului SMA (Figura 4).

Figura 4: Un adaptor BNC - SMA se potrivește între un conector Jack BNC și o mufă SMA, după cum ar putea fi necesar pentru conectarea unui cablu SMA la o intrare a instrumentului. (Sursă imagine: Amphenol RF)

Utilizatorii echipamentelor trebuie să țină cont de faptul că, de fiecare dată când este utilizat un adaptor, lățimea de bandă a interconexiunii este redusă la lățimea de bandă mai mică din cele două familii de conectori. În cazul adaptorului BNC - SMA, lățimea de bandă este de 4 GHz, acumulate de la BNC.

De asemenea, există adaptoare care oferă schimbări de impedanță de la 50 la 75 Ω și invers.

Adaptoare cu cilindri și pentru perete despărțitor

Extinderea cablurilor sau trecerea unui cablu printr-un panou necesită utilizarea adaptoarelor directe (cilindri) sau pentru perete despărțitor. Acestea sunt disponibile pentru familiile de conectori prezentate în Tabelul 1. Un exemplu este adaptorul pentru perete despărțitor Amphenol RF 132170, care are două conectoare Jack SMA la care se pot conecta cablurile care utilizează mufe SMA, pe oricare parte a unui perete despărțitor sau a unui panou (Figura 5).

Figura 5: Un exemplu de conector SMA pentru perete despărțitor, care poate fi montat pe un panou pentru a permite trecerea unei conexiuni coaxiale prin acesta. (Sursă imagine: Amphenol RF)

Configurația conectorilor cilindrici poate fi conector Jack - conector Jack, mufă - mufă și, mai rar, mufă - Jack.

Terminații

Conectarea în serie a mai multor instrumente de intrare cu impedanță ridicată de la o sursă de 50 Ω necesită o terminație de 50 Ω (Figura 6).

Figura 6: Când conectați mai multe dispozitive de intrare cu impedanță ridicată la o sursă de 50 Ω, este necesară utilizarea unui capăt terminal extern de 50 Ω pentru a preveni reflecția în liniile coaxiale. (Sursă imagine: DigiKey)

Capătul terminal Amphenol RF 202120 de 50 Ω este un exemplu de terminație coaxială configurată ca și conector Jack BNC (Figura 7).

Figura 7: Amphenol RF 202120 este o terminație de 50 Ω configurată ca și conector Jack BNC. (Sursă imagine: Amphenol RF)

Conectorul Jack BNC acceptă direct cablul coaxial. De asemenea, există terminații sub formă de mufe BNC care se cuplează cu un conector Jack BNC. Acestea sunt utile atunci când realizați terminația unui instrument direct pe panoul său frontal. În timp ce majoritatea osciloscoapelor oferă atât impedanță ridicată, cât și intrări de 50 Ω, există o limită de tensiune la intrările de 50 Ω, de obicei 5 volți. De asemenea, osciloscoapele au o limită de putere de 0,5 wați la intrările lor de 50 Ω. 202120 este evaluat la 1 watt și poate accepta peste 7 volți.

Terminațiile sunt disponibile și pentru alte impedanțe. De exemplu, capetele terminale de 75 Ω sunt utilizate în mod obișnuit în aplicațiile de televiziune și video. Terminațiile cu Ω zero sau de scurtcircuit sunt utilizate la calibrarea analizoarelor de rețea.

Dispozitive de blocare c.c. și teuri de polarizare

Dispozitivul de blocare c.c. este un adaptor coaxial care blochează semnalele de curent continuu și permite trecerea semnalelor RF. Acesta se folosește pentru a proteja componentele RF sensibile de curentul continuu, care este blocat de un condensator. Există trei tipuri de dispozitive de blocare c.c.:

• Un dispozitiv de blocare c.c. interior folosește un singur condensator în serie cu conductorul interior sau central al cablului coaxial
• Un dispozitiv de blocare c.c. extern are un condensator în serie cu conductorul de ecranare al cablului coaxial
• Un dispozitiv de blocare c.c. interior/exterior are condensatoare în serie atât cu conductorul interior, cât și cu cel exterior

Toate tipurile de dispozitive de blocare c.c. sunt desemnate pentru impedanțe caracteristice specifice, de obicei 50 sau 75 Ω. Crystek Corporation CBLK-300-3 este un dispozitiv de blocare c.c. interior de 50 Ω, cu conductor interior, care transmite semnale cu frecvențe de la 300 kilohertzi (kHz) la 3 GHz, în timp ce blochează nivelurile de curent continuu de până la 16 volți cu inserție redusă și pierderi la retur în intervalul frecvențelor sale de funcționare (Figura 8).

Figura 8: Crystek CBLK-300-3 blochează curentul continuu și transmite semnale cu frecvențe de la 300 kHz la 3 GHz. (Sursă imagine: Crystek Corporation)

Teu de polarizare

Teul de polarizare este asociat cu dispozitivul de blocare c.c. Este un adaptor cu trei porturi în care curentul continuu se aplică pe singur port. Un al doilea port combină polarizarea c.c. cu semnalul RF incidental de la un port RF izolat (Figura 9).

Figura 9: Teul de polarizare are trei porturi: unul pentru aplicarea unei polarizări c.c., al doilea este un port RF izolat, iar al treilea combină semnalul RF și polarizarea c.c. (Sursă imagine: Crystek Corporation)

Teurile de polarizare sunt folosite pentru a furniza energie la componentele electronice de la distanță, cum ar fi un amplificator cu zgomot redus (LNA) montat pe o antenă cu alimentare de curent continuu, oferind în același timp un port fără curent continuu pentru conectarea unui receptor RF. Polarizarea c.c. se aplică printr-un inductor în serie, care previne aplicarea RF la sursa c.c. La fel ca un dispozitiv de blocare c.c., portul exclusiv pentru RF este izolat de intrarea c.c. prin intermediul unui condensator în serie. Prin portul combinat trec atât componentele RF, cât și c.c.

Crystek Corporation BTEE-01-50-6000 este un teu de polarizare cu o lățime de bandă RF de la 50 megahertzi (MHz) la 6 GHz, ce folosește conectori Jack SMA. Portul RF acceptă un semnal RF cu un nivel maxim de putere de 2 wați. Portul c.c. are o intrare c.c. maximă de 16 volți. De obicei, pierderea la introducere a teului de polarizare este de 0,5 decibeli (dB) la 2 GHz. În timpul funcționării, portul RF + c.c. este conectat la LNA și la antenă. Sursa de alimentare c.c. este conectată la portul c.c., iar receptorul este conectat la portul RF.

Filtre în linie

Un alt adaptor coaxial util este filtrul în linie. Filtrele pentru frecvențele joase, pentru frecvențele ridicate și cu bandă de trecere sunt disponibile pentru tipurile de conectori BNC sau SMA. Acestea se aplică pentru controlul spectrului semnalului transmis prin cablu. De exemplu, pentru a măsura numărul efectiv de biți într-un convertor analog-digital (ADC), un filtru pentru frecvențe joase ar fi introdus între generatorul de semnal și ADC. Filtrul va atenua nivelurile armonice ale generatorului, îmbunătățind în mod considerabil precizia de măsurare. Acest lucru permite utilizarea unui generator de semnal cu costuri mai mici.

Un bun exemplu al unui astfel de dispozitiv este CLPFL-0100 de la Crystek, un filtru de 100 MHz pentru frecvențe joase, de ordinul al 7-lea, cu o frecvență de decuplare de 100 MHz (Figura 10).

Figura 10: CLPFL-0100 este un filtru de 100 MHz pentru frecvențe joase, cu șapte poli, pentru introducere în linie într-un cablu SMA. (Sursă imagine: Crystek Corporation)

Un semnal de intrare de 100 MHz va avea cea de a doua armonică atenuată cu 30 dB și armonica superioară atenuată cu mai mult de 60 dB. Dacă generatorul de semnal din exemplul de mai sus ar avea o specificație pentru nivelul armonicelor de -66 dB, filtrul l-ar reduce până sub -96 dB.

Dispozitive de protecție la supraintensitate tranzitorie

Dispozitivele de protecție la supraintensitate tranzitorie, uneori denumite paratrăsnete, protejează componentele electronice sensibile de supraintensități tranzitorii, cum ar fi fulgerele. Acest lucru se poate face cu eclatoare, tuburi de gaz sau diode care se descompun electric pentru a descărca supratensiunile electrice la sol înainte ca acestea să deterioreze dispozitivele protejate.

Amphenol Time Microwave Systems LP-GTR-NFF este un dispozitiv de protecție la supraintensitate tranzitorie în linie cu conector de tip N care folosește un tub de evacuare a gazului, ce poate fi înlocuit. Tubul se descompune la tensiuni c.c. de peste ± 90 volți/20 A și poate suporta supratensiuni de până la 50 de wați. Acesta este introdus în linie și are o lățime de bandă de la c.c. la 3 GHz cu o pierdere la introducere de 0,1 dB până la 1 GHz și de 0,2 dB până la 3 GHz (Figura 11).

Figura 11: Dispozitivul de protecție la supraintensitate tranzitorie Amphenol Times Microwave Systems LP-GTR-NFF este un dispozitiv în linie cu conector de tip N utilizat pentru a proteja liniile coaxiale împotriva supratensiunilor tranzitorii de până la 50 de wați. (Sursă imagine: Amphenol Times Microwave Systems)

În general, dispozitivele de protecție la supraintensitate tranzitorie sunt montate pe console în L care sunt legate electric și mecanic la o masă cu impedanță redusă, folosind conductoare mari, cu inductanță scăzută. Este important să rețineți că calitatea conexiunii de împământare afectează performanța dispozitivului de protecție la supraintensitate tranzitorie.

Atenuatoare în linie

Atenuatoarele reduc nivelul de putere al unui semnal fără a distorsiona forma de undă a semnalului. Versiunile coaxiale în linie oferă o atenuare fixă și sunt disponibile într-un număr mare de tipuri de conectori, cu o varietate de configurații cu mufă și conector Jack.

Crystek Corporation CATTEN-03R0-BNC este un atenuator BNC de 3 dB, 50 Ω, cu o lățime de bandă de la 0 la 1 GHz și putere nominală de 2 wați (Figura 12). Este unul dintre cele treisprezece modele de atenuatoare disponibile în linia aceasta de produse, cu atenuări de la 1 la 20 dB.

Figura 12: CATTEN-03RO-BNC de la Crystek este un atenuator BNC de 3 dB coaxial în linie cu o lățime de bandă de la 0 la 1 GHz. (Sursă imagine: Crystek Corporation)

Evident, atenuatoarele în linie sunt utilizate pentru a reduce nivelul de putere al unui semnal, dar mai puțin evident, acestea sunt utilizate și pentru a asigura izolarea între impedanțe în dispozitivele conectate în serie, precum și pentru a reduce nepotrivirile de impedanță și reflecțiile nedorite.

Luați în considerare introducerea unui atenuator de 3 dB potrivit în fața unei impedanțe de sarcină nepotrivite. Atenuatorul reduce semnalul de intrare al atenuatorului cu 3 dB, pe măsură ce se propagă la sarcina nepotrivită. Presupunând că neconcordanța este un circuit deschis, întregul semnal este reflectat la sarcină și reîntors prin atenuator, unde suferă o pierdere de încă 3 dB la intrarea atenuatorului. Pierderea la retur la intrarea atenuatorului este îmbunătățită cu 6 dB. Nepotrivirea observată la intrarea atenuatorului este îmbunătățită cu o cantitate egală cu dublul valorii atenuatorului – în acest caz reducerea totală este de 6 dB.

Această tehnică are un dezavantaj în sensul că amplitudinea semnalului de trecere este redusă cu 3 dB, iar aceasta trebuie compensată în altă parte a rețelei. Crystek CATTEN-03R0-BNC ar funcționa bine în această aplicație.

Concluzie

La conectarea instrumentelor sau a altor dispozitive cu adaptoare coaxiale, proiectanții și alți utilizatori ai echipamentelor trebuie să cunoască elementele de bază ale liniei de transmisie. După înțelegerea acestora, utilizatorii pot profita mai bine de aceste componente foarte utile cu gama lor largă de utilitate, inclusiv de schimbarea tipurilor de conector și a impedanțelor caracteristice, ramificarea semnalului, filtrarea, protecția la supraintensitate tranzitorie, atenuarea semnalului și controlul și izolarea c.c.