Înțelegerea și alegerea conectorilor coaxiali din intervalul GHz și a ansamblurilor de cabluri

Conectorii de radiofrecvență (RF) și ansamblurile lor de cabluri coaxiale complete asigură trasee de semnal esențiale între plăcile cu circuite, subansambluri și șasiu. Un conector adecvat va asigura cel puțin performanța electrică și robustețea mecanică minime necesare. Cu toate acestea, familiile de conectori RF care au fost utilizate timp de mulți ani, inclusiv conectorul BNC cu atașare tip baionetă, nu mai sunt adecvate din cauza volumului lor fizic și a limitelor de performanță.

Pentru a face față numeroaselor provocări ale proiectelor actuale, inginerii pot alege dintre numeroasele tipuri specifice disponibile în mai multe familii majore, fiecare dintre acestea oferind o anumită combinație de lățime de bandă mai mare, mai puțin volum și utilizarea unor cabluri coaxiale mai subțiri. Acești conectori sunt disponibili într-o mare varietate de stiluri de terminații pentru placa de circuite imprimate, precum și tipuri de terminații ale cablurilor pentru a satisface numeroasele clase de priorități de instalare fizică. Prin urmare, proiectanții trebuie să selecteze mai întâi familia de conectori potrivită pentru a îndeplini cerințele de proiectare, iar apoi stilul din cadrul respectivei familii.

Acest articol va examina cinci familii de conectori RF în gama de gigahertzi (GHz), utilizate pe scară largă. De asemenea, se va analiza și problema strâns legată de ansamblurile complete de cabluri terminate cu conectorul ales, folosind componente din diferite familii de la Würth Elektronik.

Noțiuni de bază despre conectorii RF

Este important să clarificăm terminologia referitoare la conectori. Un „conector” este terminația metalică care poate fi cuplată și decuplată după necesități, în timp ce „cablul” este firul coaxial format dintr-un conductor interior de cupru, un dielectric de distanțare, o manta exterioară și o izolație la care este atașat conectorul. Un „ansamblu de cabluri” este combinația dintre un cablu și un conector la unul sau la ambele capete ale acestuia. Cu toate acestea, termenul „cablu” este adesea folosit în loc de „ansamblu de cabluri” în conversațiile obișnuite, iar sensul real este de obicei clar din context. În acest articol vom folosi acești termeni în sensul lor strict.

În timp ce conectorii sunt componente pasive și nu oferă niciun fel de procesare sau îmbunătățire a semnalului, ei sunt elemente esențiale în aproape orice design de produs. Conectorul „ideal” oferă atribute mecanice critice, cum ar fi cuplarea și decuplarea convenabile, integritate mecanică și electrică, și ar trebui să fie invizibil din punct de vedere electric, fără rezistență ohmică în c.c. sau discontinuități de impedanță RF. Provocările legate de proiectarea, fabricarea și utilizarea conectorilor cresc odată cu frecvența de funcționare. Pe măsură ce frecvența de funcționare necesară se extinde în domeniul RF, în intervalul gigahertzilor (GHz) și peste acesta, construcția lor mecanică devine în mod necesar din ce în ce mai precisă, cu multe atribute și mulți parametri de performanță critici.

Conectorii clasici, cum ar fi BNC (Bayonet Neill-Concelman), oferiți în versiuni de 50 Ω și 75 Ω (aceasta din urmă pentru video și TV), au fost utilizați pe scară largă încă din anii '50 și încă sunt în uz (Figura 1). Acest conector de blocare are o acțiune de conectare/deconectare rapidă, cu o treime de tură, prin intermediul unui sistem de tip „baionetă”. Deși răspunsul în frecvență este evaluat oficial până la 4 GHz, pierderile conectorului cresc până la niveluri adesea inacceptabile la frecvențe mai mari. Din punct de vedere fizic, nu este o potrivire bună pentru modelele compacte și dense de astăzi, din cauza dimensiunii sale relativ mari și a razei minime mari de curbură a unui ansamblu complet de cabluri.

Figura 1: conectorul BNC include un sistem de blocare a corpului cu baionetă și a fost utilizat pe scară largă de la dezvoltarea sa la începutul anilor '50, dar nu este o potrivire electrică sau mecanică bună pentru multe dintre aplicațiile curente de înaltă frecvență și cu spațiu limitat din ziua de azi. Cu ansamblurile de cabluri se utilizează, de obicei, o mufă tip tată (stânga); iar pentru panourile de instrumente o mufă Jack tip mamă (dreapta). (Sursă imagine: Wikipedia; Pinterest)

Familii mai noi pentru aplicații noi

Există multe familii de conectori standard în industrie, care sunt mai eficiente pentru aplicații mai compacte și cu frecvențe mai mari. Printre cele mai populare se numără familiile SMA, SMB, SMP, MMX și MMCX, toate cu impedanța RF standard de 50 Ω. Fiecare oferă o combinație diferită de caracteristici electrice și mecanice. Spre deosebire de diametrul de 17 milimetri (mm) al conectorului BNC, acești conectori au un diametru mult mai mic, de aproximativ 5 mm.

Acest articol va examina un singur membru al conectorilor din fiecare familie. Cu toate acestea, în cadrul fiecărei familii există mulți membri cu specificații electrice aproape identice, dar cu configurații și aranjamente mecanice foarte diferite. Acestea includ versiuni pentru plăci de circuite imprimate (PCB) cu un corp în unghi drept sau corp drept și cu montare pe suprafață, prin orificii străpunse sau cu terminație de tip end-launch; tipuri de pereți separatori montați în spate; și versiuni montate pe panou cu cupă de lipit, lamelă plată sau conexiuni cu știft rotund. De asemenea, există diferite aranjamente pentru cuplarea conectorilor care se atașează la capătul cablului, cum ar fi variantele drepte și în unghi drept.

Faptul că există atât de multe opțiuni pentru un anumit tip de conector este un lucru bun pentru proiectanți, deoarece crește probabilitatea de a găsi un conector disponibil în comerț care să aibă un factor de formă specific, potrivit pentru proiectarea și constrângerile produsului. Asta înseamnă că nu va fi necesară nicio modificare sau va fi nevoie de modificări minore ale priorităților de proiectare mecanică a produsului. Acum, să aruncăm o privire mai atentă la aceste cinci familii:

•SMA: conectorii coaxiali subminiaturali din seria SMA sunt proiectați cu tehnologie de cuplare filetată pentru a asigura o stabilitate mecanică ridicată în condiții de vibrații intense (Figura 2). Contactul central captiv și izolatorul conectorului măresc forța axială și cuplul. Placarea groasă cu aur de pe contactul central contribuie la îmbunătățirea performanțelor electrice și la până la 500 de cicluri de conectare.

Figura 2: conectorii subminiaturali din seria SMA utilizează un cuplaj filetat pentru o integritate mecanică sporită în condiții de vibrații intense. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Un bun exemplu al acestui tip de conector este 60312242114510 de la Würth Elektronik, o mufă Jack SMA de c.c. până la 10 GHz cu soclu mamă (Figura 3). Acesta este proiectat pentru utilizarea pe marginea plăcii și pentru orientarea de tip end-launch. Acest conector de lipire pentru montare pe panou este prevăzut și cu o piuliță frontală și o șaibă de blocare pentru a facilita atașarea pe perete despărțitor (panou) pentru o rigiditate suplimentară a produsului final.

Figura 3: mufa Jack 60312242114510 c.c. la 10 GHz SMA cu soclu mamă include o piuliță frontală și o șaibă de blocare asociată pentru o integritate mecanică suplimentară la montarea printr-un panou sau perete despărțitor (toate dimensiunile sunt exprimate în milimetri). (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Specificațiile RF esențiale includ un raport de undă staționară (VSWR) sub 1,2 și o pierdere la inserție (IL) mai mică de 0,14 decibeli (dB) de la c.c. la 12,4 GHz, cu valori VSWR și IL corespunzătoare de 1,4 și 0,2 dB de la 12,4 la 18 GHz.

•SMB: conectorii din seria SMB sunt concepuți pentru cuplarea prin înclichetare, cu capacitate de bandă largă de la c.c. până la 4 GHz. Aceștia sunt mai mici decât conectorii din seria SMA și, prin urmare, sunt potriviți pentru miniaturizarea circuitelor. Printre conectorii SMB disponibili se numără soclurile pentru plăcile de circuite imprimate pentru montare prin orificii străpunse și pe suprafață, precum și conectori pentru plăcile de margine și conectori de cablu pentru mufe și conectori Jack (Figura 4).

Figura 4: conectorii SMB sunt dispozitive de fixare prin înclichetare care sunt mai mici decât conectorii SMA și nu sunt filetați; sunt, de asemenea, disponibili într-o gamă largă de configurații. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Un exemplu de conector SMB este 61611002121501, un conector Jack cu pin tată cu lipire, în unghi drept, cu gaură de trecere, cu VSWR de 1,5 și o pierdere la inserție sub 0,2 dB (Figura 5). La fel ca și dispozitivul SMA, acesta este evaluat la 500 de cicluri de conectare.

Figura 5: conectorul 6161100212121501 SMB este o unitate în unghi drept cu fixare prin înclichetare, proiectată pentru atașarea și lipirea plăcii prin orificii străpunse, care este mai mică decât unitatea SMA, dar are specificații comparabile. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

•Seria PMS: acești conectori miniaturali, cu caracteristici de glisare și de fixare prin înclichetare, pot fi utilizați în aplicații de până la 40 GHz. Aceștia sunt disponibili cu trei tipuri de interfețe: „adâncitură” completă cu retenție maximă pentru rezistență ridicată la vibrații (100 de cicluri); adâncitură limitată cu retenție medie spre scăzută (500 de cicluri); și alezaj neted (1000 de cicluri) cu cea mai mică retenție obținută prin intermediul contactelor glisante pentru sisteme și aplicații modulare (Figura 6).

Figura 6: conectorii din seria SMP oferă o varietate de evaluări de retenție, inclusiv o adâncitură limitată pentru o retenție medie spre scăzută (stânga) și o evaluare de retenție de 500 de cicluri; și un alezaj neted (dreapta) cu cea mai mică retenție, dar cu un număr dublu de cicluri. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Unul dintre conectorii din această serie este 60114202122305, un conector pentru montare pe suprafață, pe placa de margine, cu un picior de lipire extins pentru plăci de circuite cu o grosime maximă de până la 1,2 mm (Figura 7). Acesta este specificat cu un VSWR de 1,5 și o pierdere la inserție de 0,42 dB de la c.c. la 12 GHz.

Figura 7: 60114202122305 este un conector de placă de margine cu alezaj neted, din seria SMP, care este evaluat la 12 GHz. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

•Seria MCX: conectorii din seria MCX (Micro Coaxial) sunt prevăzuți cu un mecanism de cuplare cu înclichetare pentru o conectare rapidă și comodă și sunt destinați funcționării de la c.c. la 6 GHz (Figura 8). Acești conectori sunt compatibili cu IEC 61169-36, „Conectori de radiofrecvență - Partea 36: Conectori de radiofrecvență microminiaturali cu cuplare cu înclichetare - Impedanță caracteristică de 50 Ω (Tip MCX)”.

Figura 8: seria de conectori MCX este o familie de conectori și mai mici cu fixare prin înclichetare care sunt compatibili cu IEC 61169-36. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

60612202111308 este o mufă Jack cu montare pe suprafață, de tip edge-launch, din seria MCX, adecvată pentru plăci cu grosimea de până la 1,6 mm. Are un VSWR de 1,3 și o pierdere la inserție de 0,25 dB în acel interval și este evaluată pentru 500 de cicluri.

Figura 9: mufa Jack din seria MCX 60612202111308 cu montare pe suprafață, de tip edge-launch are o pierdere la inserție de numai 0,25 dB la 6 GHz. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

•Seria MMCX: acești conectori sunt cu aproximativ 30% mai mici în comparație cu conectorii MCX și sunt potriviți pentru aplicații cu cerințe de proiectare foarte mici (Figura 10). Aceștia au un mecanism de cuplare cu înclichetare pentru o conectare rapidă și ușoară, și respectă IEC 61169-36.

Figura 10: conectorii din seria MMCX sunt cu aproximativ 30% mai mici decât cei din seria MCX și prezintă performanțe RF comparabile. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Ca exemplu, mufa MMCX 66046011210320 este un conector cu pin tată, „liber” (în linie), cu sertizare, din familia MMCX (Figura 11). Acest conector de 6 GHz funcționează cu cabluri coaxiale RG174, RG316 și RG188 și are un VSWR de 1,3 și o pierdere la inserție de 0,3 dB.

Figura 11: fișa MMCX 66046011210320 este concepută pentru a fi sertizată pe un cablu de tip coaxial, precum RG174, RG316 și RG188. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Conectorii și adaptoarele speciale întregesc familiile

Având în vedere gama largă de conectori utilizați, este inevitabil să nu fie nevoie de adaptoare care să permită interconectarea între o familie și alta. Würth Elektronik oferă mai multe serii complete de adaptoare care acceptă tranziții de la un tip și un gen de conector la altul, cum ar fi de la mufele și conectorii Jack SMA la alte serii de mufe și Jack-uri pentru conectori (Figura 12).

Figura 12: sunt prezentate numeroasele adaptoare de mufe și conectori Jack SMA disponibile, care asigură o tranziție lină la conectorii de diferite tipuri din familiile SMB, MCX și MMCX. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Există un alt tip special de conector care poate deruta proiectanții la început: conectorul cu polaritate inversă (RP). Configurația standard a unui conector este cu un contact central (pin) tip tată în mufă și un contact corespunzător mamă (soclu) în conectorul Jack. Dar în SUA, reglementările Comisiei Federale pentru Comunicații (FCC) impun inversarea „polarității” de gen în anumite cazuri unice.

Situația datează de câteva decenii, când au fost introduse routerele Wi-Fi destinate consumatorilor. Acestea au fost concepute pentru o rază de acțiune limitată, folosind o antenă mică, având la bază un conector care se înșuruba direct în conexiunea antenei unității Wi-Fi, fără posibilitatea de a o muta. Cu toate acestea, FCC s-a arătat îngrijorată de faptul că utilizatorii finali ar putea încerca să mărească raza de acțiune a dispozitivului cu amplificatoare suplimentare și/sau antene externe, provocând interferențe în banda Wi-Fi. „Soluția” lor a fost să încerce să prevină conectarea ușoară a unor astfel de completări prin impunerea utilizării conectorilor RP pe aceste dispozitive wireless (care foloseau deseori conectori SMA) pentru a le face incompatibile cu completările standard (Figura 13).

Figura 13: conectorii cu mufă și Jack RP SMA au genul conductorului central opus față de conectorii SMA convenționali; (de la stânga la dreapta) conector SMA standard tip tată, conector SMA standard tip mamă, conector RP-SMA tip mamă, conector RP-SMA tip tată. (Sursă imagine: Wikipedia)

Cu toate acestea, în scurt timp, ansamblurile de cabluri terminate cu perechi de conectori RP au devenit disponibile pe scară largă și au devenit completări standard pentru dispozitive precum antenele Wi-Fi externe și relocabile (Figura 14).

Figura 14: această antenă Wi-Fi externă poate fi mutată pentru a găsi o locație optimă și este compatibilă în privința conectorului cu interfața antenei de pe routerul Wi-Fi, datorită conectorului RP-SMA. (Sursă imagine: Amazon)

Figura 15: conectorii cu polaritate inversă (RP) sunt disponibili în diferite stiluri de plăci de circuite, precum și în diferite configurații de terminații ale cablurilor. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Un conector Jack RP-SMA disponibil este cel cu montare pe panou, cu lipire prin orificii străpunse 63012042124124504 (Figura 16). Acest conector are un VSWR de 1,2 de la c.c. la 12,4 GHz și de 1,4 de la 12,4 la 18 GHz, în timp ce pierderea la inserție în aceste două intervale este de 0,14 dB și, respectiv, 0,2 dB.

Figura 16: 6301204242124504 este un conector SMA cu polaritate inversă proiectat pentru montare și lipire prin orificii străpunse. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Cablurile și ansamblurile completează conexiunile

Conectorii individuali reprezintă doar o parte din scenariul traseului semnalului RF; mufele lor sunt, de obicei, montate pe cabluri coaxiale standard, cum ar fi RG174, RG316 și RG188, printre altele. Deși toate sunt cabluri de 50 Ω pentru lucrări de radiofrecvență (pentru sistemele video sunt disponibile cabluri și conectori de 75 Ω), acestea diferă în ceea ce privește gama de frecvențe, atenuarea, diametrul, tipul de dielectric, caracteristicile de fază, capacitatea de gestionare a puterii, raza minimă de curbură, învelișul extern și alte atribute mecanice și electrice (Figura 17).

Figura 17: proiectanții pot alege dintr-o gamă largă de cabluri coaxiale de 50 Ω, care diferă la multe caracteristici electrice și mecanice. Aici se prezintă atenuarea în funcție de frecvență – o specificație importantă – pentru unele cabluri coaxiale standard comune. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

De asemenea, proiectanții trebuie să decidă dacă își vor face singuri ansamblurile de cabluri coaxiale sau dacă le vor cumpăra deja fabricate – întrebarea clasică „construiește sau cumpără”. Puteți termina aceste cabluri coaxiale cu conectorii selectați, în funcție de necesități – opțiunea „construiește” – dar acest lucru este o provocare care necesită îndemânare, practică, timp, instrumente de sertizare adecvate și alte scule în multe cazuri.

Mai mult, aceste ansambluri de cabluri finalizate au nevoie de mai mult decât un simplu test de continuitate; ele trebuie să fie supuse verificărilor și pentru factorii de performanță RF, cum ar fi lățimea de bandă și planeitatea, discontinuitățile de impedanță, pierderea și defazajul, aceștia fiind doar câțiva factori. Aceste teste electrice necesită timp și echipamente de măsurare sofisticate, iar ansamblurile au nevoie de o rezistență mecanică suplimentată cu elemente de reducere a solicitării.

Din fericire, ansamblurile de cabluri sunt disponibile în mai multe lungimi ca elemente standard, stocate pentru cele mai comune tipuri de cabluri și conectori. De asemenea, acestea sunt disponibile în lungimi și perechi de conectori personalizate, cu termene de livrare destul de scurte. Luați în considerare, de exemplu, Würth 65503503503530505, un ansamblu de cabluri de 12 inch/305 mm cu o mufă SMA dreaptă tip tată la fiecare capăt, folosind un cablu coaxial RG-316 (0,102 in/2,59 mm diametru exterior), cu tuburi termocontractabile adăugate peste joncțiunea dintre conector/cablu pentru reducerea solicitării și robustețe sporită (Figura 18).

Figura 18: 65503503530505 este un ansamblu de cabluri coaxiale standard de 12 inch care utilizează cabluri RG-316 cu mufe SMA drepte tip tată la fiecare capăt; observați elementul de reducere a solicitării dintre conector și cablu. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Fișa tehnică pentru acest ansamblu de cabluri include detalii și dimensiuni mecanice și materiale complete, precum și specificații garantate pentru VSWR (1,3) și pierderea la inserție (1,2 dB) de la c.c. la 6 GHz. Este disponibil și un grafic care arată atenuarea în funcție de frecvență la fiecare 100 de picioare, astfel ca utilizatorii să poată determina rapid atenuarea pentru această lungime sau pentru orice altă lungime aleasă a stilului de asamblare a cablurilor (Figura 19).

Figura 19: se prezintă atenuarea în funcție de frecvență pentru ansamblul de cabluri 65503503530505. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Gama largă de ansambluri de cabluri oferite de furnizori nu se limitează la existența aceluiași tip de conector la fiecare capăt, ci poate, în schimb, să abordeze în mod direct și problemele de interconectare și de tranziție. De exemplu, 65530260515303 este un ansamblu de cabluri scurt (6 inch/152 mm) care utilizează un cablu RG-174 cu o mufă tip tată RP-SMA cu perete despărțitor la un capăt și o mufă tip mamă MMCX dreaptă la celălalt capăt (Figura 20).

Figura 20: ansamblurile de cabluri pot fi, de asemenea, utilizate ca tranziții între diferite familii de conectori; ansamblul 65530260515303, de exemplu, utilizează un cablu RG-174 și are o mufă RP-SMA tip tată cu perete despărțitor la un capăt și o mufă tip mamă MMCX dreaptă la celălalt capăt. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Mai trebuie să țineți cont de un singur lucru în legătură cu acești conectori și cu ansamblurile lor de cabluri: sunt mici și uneori dificil de manevrat atunci când le strângeți sau le slăbiți corpul filetat. În același timp, aceștia trebuie să fie strânși la valoarea specificată: un cuplu prea mic și s-ar putea să nu realizeze un contact sigur; un cuplu prea mare și filetele lor pot fi solicitate și deformate, ceea ce determină reducerea numărului de cicluri de conectare/deconectare. Din acest motiv, Würth Elektronik oferă WR-Tool 6006330101, o cheie dinamometrică de mici dimensiuni pentru toți conectorii WR-SMA (Figura 21).

Figura 21: WR-Tool 600633010101 asigură strângerea corectă și consecventă a corpului filetat al conectorului SMA, ceea ce reprezintă adesea o provocare, având în vedere dimensiunea mică a corpului SMA. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Utilizarea acestui instrument garantează că pe conector se aplică un cuplu la nivelul specificat, asigurând astfel o conectare corectă a contactelor, maximizând fiabilitatea și asigurând performanță consecventă.

Concluzie

Proiectanții de circuite și sisteme RF cu frecvențe care se extind până în gama de gigahertzi au la dispoziție o varietate de conectori cu diferite dimensiuni, stiluri de corp, aranjamente de gen și alți parametri critici. Prin selectarea unui conector cu specificații electrice și mecanice adecvate și prin strângerea corectă a acestuia, provocările legate de asigurarea unor căi de semnal fiabile, consecvente și cu pierderi reduse între circuite, subcircuite și sisteme, sunt reduse la minimum.