Konstruktérská příručka k výběru a použání sestav RF kabelů

Sestavy RF kabelů se používají v široké škále aplikací, od dobře zavedených oborů, jako je letectví, kosmonautika a komunikace, až po novější využití, jako je automobilový průmysl, průmysl a internet věcí (IoT). Tento rostoucí seznam aplikací přinesl podnět k vývoji nových typů sestav RF kabelů, což dává inženýrům další příležitosti k optimalizaci návrhů RF systémů.

Celý tento růst však komplikuje proces návrhu. S tolika sestavami na trhu je obtížné určit nejlepší volbu pro konkrétní aplikaci. Použití RF kabeláže v nových aplikacích též staví neznámou technologii před více konstruktérů, instalačních techniků a údržbářů. Kromě zohlednění prostoru a životního prostředí se tyto skupiny musí nyní seznámit také s frekvenční kompatibilitou, přizpůsobením impedance, poměrem napětí stojatých vln (VSWR), magnetickou vazbou a stíněním.

Aby technici mohli zajistit výkon a spolehlivosti RF systémů, musejí uplatňovat pozorný přístup se zřetelným plánem možností a potenciálních úskalí, která na ně čekají.

Tento článek začíná stručným úvodem do RF aplikací včetně jejich elektrických charakteristik, fyzické konstrukce a typických případů použití a slouží jako průvodce náročným výběrem, instalací a údržbou sestav RF kabelů. Jako ilustrace klíčových kritérií výběru a použití jsou uvedeny příklady od společnosti Molex.

Rostoucí případy použití sestav RF kabelů

RF technologie pokrývají mnoho sektorů, z nichž každý má své jedinečné výzvy. Frekvence se pohybují od stovek hertzů (Hz) do desítek gigahertzů (GHz). Některé aplikace vyžadují robustnost. Jiní mají extrémně omezené fyzické půdorysy. Pro ilustraci rozmanitosti případů použití lze uvést tyto běžné aplikace:

• Letectví, kosmonautika a obrana: radarové systémy, komunikační kanály a GPS
• Automobilový průmysl a doprava: informační systémy, navigace a komunikační sítě pro vozidla
• Telekomunikace a vysílání: 8K video signály přes sítě Wi-Fi, LTE a 5G
• Průmysl: IoT senzory, automatizované montážní linky a telemetrie
• Zdravotnictví: vzdálené systémy sledování pacientů, pokročilé diagnostické přístroje a jednotky robotické chirurgie
• Testy a měření: dílenská měření, provozní testy a zajištění kvality ve výrobních zařízeních

Vzhledem k nárůstu využití RF technologií se stále více inženýrů a konstruktérů zabývá vysokofrekvenčními obvody, mnozí z nich však nemají s těmito technologiemi zkušenosti. Tváří v tvář napjatým termínům a rozpočtům potřebují řešení, která zjednoduší prováděné úkoly a zároveň zajistí spolehlivý provoz systémů.

Zde přicházejí na řadu sestavy RF kabelů. Tyto sestavy se skládají z předem sestavených konektorů a kabelů, které splňují předepsané požadavky na výkon a zároveň snižují potřebné konstruktérské úsilí. Použití předem vyrobených sestav RF kabelů může ušetřit čas a náklady při návrhu a prototypování a zlepšit kvalitu a efektivitu výroby.

Frekvenční kompatibilita, přizpůsobení impedance a PSV

Výběr vhodné sestavy kabelů vyžaduje pečlivé zvážení více faktorů. Za prvé, sestava musí být schopna se přizpůsobit frekvenčnímu rozsahu RF signálu. Tento rozsah se může pohybovat od několika stovek Hz až po super vysokofrekvenční (SHF) pásmo v oblasti 3 až 30 GHz nebo vyšší (obrázek 1).

Obrázek 1: sestavy RF kabelů jsou k dispozici v široké škále provedení, které lze rozdělit mimo jiné podle velikostí konektorů a jejich maximální podporované frekvence. (Zdroj obrázku: Molex)

Aby bylo dosaženo požadovaného výkonu, sestava kabelů musí zvládnout příslušný frekvenční rozsah bez výrazné ztráty signálu nebo zkreslení. Například asociace Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) stanoví podle vlastních směrnic 2082-1 přísné požadavky na kvalitu signálu, které omezují ztráty v kabelu na 40 dB při poloviční taktovací frekvenci.

Jedním ze způsobů vyhovění těmto požadavkům je použití sestav kabelů BNC Mini RF od společnosti Molex, které poskytují vysoký útlum odrazu na frekvencích až 12 GHz. Tento výkon překračuje požadavky na sériový přenos videa s vysokým rozlišením 8K HD TV, což umožňuje budoucí rozšíření šířky pásma bez hardwarových změn.

Dalším klíčovým parametrem je přizpůsobení impedance. RF signály jsou náchylné k rušení od dopadajících a odražených vln způsobených nepřizpůsobením impedance podél signálového vedení. Pro minimalizaci ztráty signálu by měla mít sestava kabelů stejnou impedanci jako připojená zátěž, obvykle 50 nebo 75 Ω. Je dobrým zvykem navrhovat konektory a kabely společně, aby bylo dosaženo co nejlepší shody.

Reálným příkladem této praxe je sestava 0897629290, která spojuje konektory Molex BNC s kabelem Belden 4794R pro aplikace 75 Ω třídy high-end.

U zvláště náročných aplikací, například testování a měření, může být nutné pečlivé zvážení dalších parametrů, jako je poměr napětí stojatých vln (VSWR) a vložené ztráty. Poměr napětí stojatých vln (VSWR) je poměr dopadajícího signálu ku odraženému signálu, který poskytuje měřítko efektivity přenosu RF signálů ze zdroje do zátěže. Vložené ztráty představují objem energie, který ztrácí signál při průchodu konektorem a kabelem. Obrázek 2 znázorňuje několik příkladů obou parametrů

Obrázek 2: zde jsou uvedeny příklady hodnot VSWR a vložených ztrát pro účinné nízkoztrátové kabely s mikrovlnnou frekvencí. (Zdroj obrázku: Molex)

Stínění, magnetická spojka a další aspekty

Dalším důležitým aspektem je stínění. Jakýkoli kabel přenášející RF signály se může chovat jako anténa a vysílat nebo přijímat signály, což vytváří rušení. Pro minimalizaci tohoto rušení musí být kabely stíněny uzemněným kovovým krytem (obrázek 3).

Obrázek 3: znázornění typického stíněného kabelu. Počínaje od vnitřku je kabel tvořen jádrem, dielektrickým materiálem oddělujícím jádro od stínění, tkaným kovovým stíněním a pláštěm. (Zdroj obrázku: Molex)

Výběr stínícího materiálu je ovlivněn řadou faktorů, včetně požadavků na výkon, podmínek prostředí a rozpočtových omezení. Například měď je vysoce účinná na většině frekvencí, ale také relativně těžká a nákladná, zatímco hliník je lehký a levný, ale méně účinný a náchylnější ke korozi.

Je také třeba zvážit formu stínění. Například kovové opředení u MCX sestavy 0897616761 s kabely RG-136 nabízí vynikající mechanickou pevnost a fyzickou ochranu. Naproti tomu fóliové štíty jsou obvykle vyrobeny z hliníku laminovaného na polyesterové nebo polypropylenové fólii, čímž je dosaženo lehké, levné a flexibilní alternativy. Existují další typy, jako je spirála, páska a jejich kombinace, které se liší poměrným frekvenčním pokrytím, flexibilitou, životností, mechanickou pevností, cenou a jednoduchostí zakončení.

Mohou existovat také specifické požadavky na aplikaci, které je třeba vzít v úvahu. Například lékařské aplikace často zahrnují senzory, které mohou být ovlivněny magnetickými poli. Proveditelnou volbu zde představuje řešení, jakým je například MMCX sestava 0897616791, protože takové sestavy jsou k dispozici ve verzích s nemagnetickou spojkou zajišťující lepší konstrukční kompatibilitu.

Prostorová omezení, nebezpečí pro životní prostředí a údržba

Při zvažování fyzických parametrů jsou často hlavní překážkou omezení prostoru a směrování. Stačí uvážit aplikace z oblasti obranného průmyslu, které jsou takřka vždy stísněné. Praktické řešení zde představuje SSMCX sestava, jako například 0897611760. Konektory SSMCX jsou jako jedny z nejmenších na trh k dispozici s vertikální a pravoúhlou orientací, aby vyhovovaly náročným prostorovým a směrovacím omezením.

Při výběru sestavy musí konstruktéři také zvážit minimální poloměr ohybu. Vzhledem ke složité konstrukci bývají RF kabely spíše tuhé. Pro situace vyžadující těsné ohyby lze použít řešení, jako jsou např. flexibilní mikrovlnné sestavy od společnosti Molex (obrázek 4). Tyto kabely jsou speciálně navrženy pro menší statický poloměr ohybu.

Obrázek 4: znázornění ukázky RF kabelů s malým poloměrem statického ohybu. (Zdroj obrázku: Molex)

Problémem mohou být také teplotní extrémy, zejména pro venkovní aplikace, jako jsou aplikace v telekomunikačním sektoru. Pro takové aplikace nejsou vhodné termoplastické pláště, které jsou jinak běžné u RF kabelových sestav. Místo toho jsou vyžadovány odolnější materiály. Například dříve zmíněné flexibilní mikrovlnné sestavy používají jako materiál plášťě Temp-Flex - fluorovaný ethylen-propylen (FEP), což je houževnatý materiál podobný teflonu.

Konstrukci mohou ohrožovat vibrace a nárazy, zejména v aplikacích, jako je letectví. Aby byl zajištěn spolehlivý provoz, použité sestavy RF kabelů musejí mít mimořádně bezpečné připojení. Jako typický příklad lze uvést kabelovou sestavu 0732306110 od společnosti Molex využívající patentovaný uzamykací konektorový MHF mechanismus (obrázek 5).

Obrázek 5: konektorový systém MHF od společnosti Molex využívá patentovaný aretační mechanismus pro zajištění bezpečného spojení. (Zdroj obrázku: Molex)

Údržba musí být považována za součást procesu návrhu. U sestav kabelů je důležité podívat se na střední dobu mezi poruchami (MTBF) a zvážit, jak uspořádat návrh pro snadnou údržbu a opravy s přiměřeným přístupem k montážním podskupinám a spojům, které mohou vyžadovat největší péči.

Konstruktéři by také měli zvážit vytvoření kontrolních plánů pro běžnou údržbu a uživatelských kontrolních seznamů s příznaky, že by kabelová sestava mohla potřebovat opravu nebo výměnu, aby bylo možné proaktivně řešit komplikace. Mezi běžné kroky údržby patří kontrola opotřebení sestav, jakož i čištění kabelů a konektorů, aby došlo k odstranění nečistot, které by mohly proniknout spoji a snížit výkon.

Nakonec je důležité zhodnotit výrobce kabelové sestavy. Kritéria zahrnují příslušné certifikace, zkušenosti s výrobou příslušných sestav, dostatečné možnosti výrobků pro podporu flexibility návrhu a procesy zajištění kvality, aby se předešlo problémům s výkonem. Například společnost Molex je předním vývojářem kabelových a konektorových technologií s inovacemi podporovanými více než 8100 patenty a silným jménem v oblasti kvality a technické podpory včetně nástroje pro vytváření kabelů na míru.

Závěr

Výběr správné sestavy RF kabelu je náročným úkolem, protože vyžaduje pochopení a pečlivé zvážení faktorů, jako je frekvenční kompatibilita, stínění, podmínky prostředí, prostorová omezení a údržba. Bylo ukázáno, že spolupráce se zkušeným výrobcem, který přináší odborné znalosti, zajištění kvality a inovace, může být při řešení těchto výzev klíčovým aspektem, zejména pro inženýry a konstruktéry, kteří jsou v oblasti RF nováčky. Takový partner může řídit proces výběru, instalace a údržby těchto kabelů, aby bylo zajištěno, že zařízení a systémy budou spolehlivě pracovat na maximu svých možností.