Optimalizace RF návrhů pro provoz v extrémních prostředích

Ve světě, který je čím dál závislejší na bezdrátovém připojení, potřebují konstruktéři systémů pro aplikace, jako je námořní GPS, průmyslový IoT, chytré zemědělství a bezpilotní letadla, RF součástky, které mohou spolehlivě fungovat v extrémních podmínkách prostředí. Mezi problémy patří vibrace, prach, vysoká vlhkost, vystavení vodě nebo jiným kapalinám a solné mlze. Zatímco systém musí být navržen tak, aby těmto drsným podmínkám odolal, klíčovým problémem je RF propojení, kde koaxiální spojení přenáší RF signály mezi zařízeními nebo mezi zařízením a anténou. Konstruktéři si musí být jisti, že konektory a kabely, které používají, jsou pro daný úkol vhodné a zároveň splňují rostoucí požadavky na výkon a hustotu připojení.

V tomto článku je stručně pojednáno o náročnosti navrhování pro extrémní prostředí a poté jsou zde představeny RF adaptéry, konektory a kabelové sestavy od společnosti Amphenol RF. V článku je ukázáno, jak tyto součástky mohou pomoci chránit před vlhkostí, prachem, vibracemi a korozí, dále jak mohou utěsňovat kryty a zároveň poskytovat vynikající RF výkon v kompaktních tělech konektorů vhodných pro pouzdra s vysokou hustotou.

Extrémní prostředí

Příkladem aplikace, která využívá RF zařízení v prostředí, které může obsahovat vysokou vlhkost, páru, rozprašované nebo stříkající kapaliny, prach nebo korozivní chemikálie, jako je slaná voda, od továren až po ropné plošiny je průmyslový internet věcí („Industrial Internet of Things“, IIoT) (obrázek 1).

Obrázek 1: Koncepční schéma systému IIoT se vzdálenými bezdrátovými a kabelovými senzory komunikujícími s edge bránou. V celém systému jsou použity RF konektory. (Zdroj obrázku: Art Pini)

IIoT využívá chytré senzory, ovladače, roboty a podobná zařízení ke zlepšení výrobních procesů. Tato zařízení jsou propojena do sítě a zajišťují sběr, výměnu, analýzu a kontrolu dat. Sdílení dat z více strojů a systémů pomáhá zefektivnit průmyslové procesy a zvýšit jejich spolehlivost.

Při navrhování zařízení, jako jsou tato, musíte být bráno v úvahu prostředí. Extrémní prostředí vyžaduje, aby bylo zařízení utěsněno a všechny porty musí být odolné proti korozi a nepropustné. Kovové kryty vyžadují externí antény. Konektory jsou potřebné také pro senzory vně zařízení a signální propojení s jinými zařízeními. Koaxiální konektory pro antény nebo signálové kabely musí být utěsněny pomocí svých krytů a těsnění, aby byly splněny tyto požadavky na toleranci vystavení faktorům prostředí. K definování stupně ochrany, kterou daný konektor poskytuje, jsou v průmyslové normě IEC 60529 použity stupně krytí („ingress protection“, IP; ochrana proti vniknutí). Krytí IP se skládá z písmen IP následovanými dvoumístným číslem. První číslice označuje stupeň ochrany proti vniknutí prachu a pevných částic. Druhá číslice označuje stupeň ochrany proti vniknutí vody. Definice krytí IP se liší od žádné ochrany po úplnou ochranu, přičemž vyšší čísla znamenají vyšší ochranu (obrázek 2).

Obrázek 2: Stupně ochrany proti vniknutí prachu a vody podle normy IEC 60529. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol RF)

Konektory, které jsou vhodné pro extrémní prostředí, by měly mít krytí IP67 nebo IP68. Stupeň krytí IP67 označuje prachotěsnost a ochranu proti vodě, včetně úplného ponoření po dobu 30 minut do hloubky 1 metru.

Koaxiální konektory s krytím IP67

Společnost Amphenol RF nabízí širokou škálu prachotěsných a vodotěsných koaxiálních konektorů typu SMA, BNC a TNC s tímto krytím IP. Příkladem konektoru jack SMA pro kabel RG-58 určeným pro montáž na přepážku, který má krytí IP67, je model 901-10746-EE (obrázek 3).

Obrázek 3: Přepážkový konektor jack 901-10746-EE společnosti Amphenol RF má krytí IP67, což znamená, že je vodotěsný, prachotěsný a odolný proti korozi slanou vodou. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol RF)

Elektrické vlastnosti tohoto samičího konektoru SMA zahrnují jmenovitou impedanci 50 Ω pro koaxiální kabel RG-58. Pracuje ve frekvenčním rozsahu od DC do 6 GHz s maximálním poměrem napětí stojatých vln („voltage standing wave ratio“, VSWR) 1,30:1, což odpovídá útlumu odrazu −18 dB, a má dielektrickou pevnost 1 000 Vrms. Rozsah provozních teplot je −65 °C až +165 °C. Proces montáže začíná připájením středového vodiče k pinu konektoru. Pin a kabel se zasunou do konektoru s opletením přes vroubkování. Ferule se poté nalisuje přes opletení. Tělo konektoru se k montážnímu panelu utěsní pomocí těsnění O-kroužku.

Tělo konektoru je mosazné, ferule je měděná a obě části mají korozivzdorné pokovení slitinou cínu a niklu. Pokovení splňuje normu pro solnou mlhu MIL-STD-202 metodu 101 pro 5% solný roztok, který se opakuje po dobu 720 hodin. Po vystavení solné mlze se ověří integrita pokovení a znovu se otestuje RF výkon konektoru, včetně odporu kontaktu a útlumu odrazu.

Kontakt středového vodiče je z berylia a mědi se zlatým pokovením a je vsazen do teflonového dielektrika. Po sestavení s kabelem a ferulí splňuje v nezapojeném stavu požadavky na krytí IP67.

Konektor je namontován na panel pomocí nerezového kování a utěsněn silikonovým pryžovým těsněním, aby byla zaručena jeho fyzická integrita a splnění krytí IP67.

Zástrčkou SMA do páru je model 901-9876-RFX-EE společnosti Amphenol RF. Tato inline zástrčka SMA montovaná na kabel má stejné materiálové složení a pokovení jako přepážkový konektor jack a funguje ve stejném teplotním rozsahu. Spojuje se s konektorem jack pomocí závitové ferule přes závitové tělo konektoru jack. Stejně jako model 901-10746-EE má i zástrčka stupeň krytí IP67 a je určena pro kabely RG-58. Má pracovní frekvenční rozsah od DC po 12,4 GHz.

Tyto RF konektory pro extrémní prostředí jsou k dispozici také jako typy BNC a TNC. Konektor TNC je závitovou verzí konektoru BNC. Závitové konektory jsou po utažení na stanovený moment odolné proti vibracím. Model 031-6501-EE (obrázek 4, vlevo) je pravoúhlá zástrčka TNC, která používá stejné materiály a splňuje stejné normy krytí IP67 a odolnosti proti korozi jako konektory SMA. Je dimenzována pro provoz v teplotním rozsahu −40 °C až 85 °C. Elektricky má charakteristickou impedanci 50 Ω a provozní frekvenční rozsah až 6 GHz. Pravoúhlé konektory eliminují nutnost ohýbání kabelů, minimalizují možnost poškození koaxiálního kabelu a zároveň šetří místo v malých krytech, které se v systémech IIoT a podobných používají. Zástrčku 031-6501-EE lze kombinovat do páru s přepážkovým adaptérem, jako je např. model AD-TNCJTNCJ-EE (obrázek 4, vpravo).

Obrázek 4: Pravoúhlá zástrčka TNC 031-6501-EE a přepážkový adaptér TNC AD-TNCJTNCJ-EE umožňují ostré zatočení bez ohýbání kabelů a zároveň šetří místo v kompaktních krytech IIoT. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol RF)

Adaptér AD-TNCJTNCJ-EE má krytí IP68, je odolný proti korozi a má rozsah provozních teplot −65 °C až +165 °C. Jeho charakteristická impedance je 50 Ω a pracuje až do 18 GHz. Pro frekvence mezi 0 a 11 GHz je jeho VSWR 1,2:1 (ekvivalent útlumu odrazu −21 dB) a pro frekvence mezi 11 a 18 GHz je to 1,3:1 (ekvivalent útlumu odrazu −18 dB). Přepážkové adaptéry umožňují odpojení kabelů od montážního panelu nebo dveří, takže je lze snadno vyjmout kvůli servisu.

Konektory BNC se podobají jednotkám TNC, liší se především uzamykacím mechanismem. BNC je konektor pro rychlé připojení/odpojení, který používá dva bajonetové výstupky na straně jacku, které zapadají do drážek na sestavě zástrčky a uzamykají se dohromady otočením o čtvrt otáčky. Nabízejí také stupeň krytí IP67 a odolnost proti korozi vůči solné mlze.

Zástrčka BNC 031-6924-EE (obrázek 5, vlevo) má rozsah provozních teplot −40 °C až +85 °C. Její charakteristická impedance 50 Ω je kompatibilní s kabelem RG-58. Má VSWR 1,30:1 (ekvivalent útlumu odrazu −18 dB) a frekvenční rozsah DC až 6 GHz.

Párovací zásuvka AD-BNCJBNCJ-EE (obrázek 5, vpravo) je přepážkový adaptér typu jack-jack, který je také 50Ω konektorem s maximální frekvencí 12 GHz. Pro frekvence od DC do 4 GHz je její VSWR 1,30:1 (ekvivalent útlumu odrazu −18 dB) a pro frekvence mezi 4 a 12 GHz je to 1,45:1 (ekvivalent útlumu odrazu −15 dB). Rozsah provozních teplot je −40 °C až +85 °C.

Obrázek 5: Součástky konektoru BNC pro extrémní vystavení se používají pro rychlé připojení/odpojení. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol RF)

Závěr

K zajištění funkčnosti a životnosti produktu musí konstruktéři při navrhování bezdrátových zařízení zvážit fyzické a elektrické požadavky na aplikace. Primárním úkolem koaxiálních RF konektorů používaných v bezdrátových systémech je udržovat integritu signálu bez ohledu na okolní prostředí. Za tímto účelem je nezbytné vybírat vysoce spolehlivé konektory a adaptéry, které odolají vibracím, vniknutí kapalin, prachu a korozi. Konektory společnosti Amphenol RF pro extrémní vystavení jsou ideální pro návrhy určené pro provoz v náročných prostředích.