Porozumění základním principům koaxiálních adaptérů s cílem lepšího využití těchto velmi praktických součástí

Koaxiální propojení je pro své široké využití známé především uživatelům elektronického přístrojového vybavení, jehož nedílnou součástí je vysílání nebo příjem vysokofrekvenčních elektrických signálů. Využití natolik široké, že spoje tohoto typu lze považovat takřka za samozřejmost, ovšem jen do doby, než dojde na potřebu vzájemného spojení přístrojů nebo prodloužení koaxiálních kabelů. V této fázi mohou konstruktéři nebo jiní uživatelé aparatur sáhnout po adaptérech. Před tím ovšem musejí zcela porozumět všem aspektům a charakteristikám jednotlivých typů adaptérů, který plánují použít.

Existuje široká škála adaptérů pro všechny účely. Adaptéry „tvaru T“ spojují zdroj signálu s více přístroji, zatímco „barely“ prodlužují koaxiální kabelové přívody. Pak jsou zde blokovače stejnosměrného proudu, napájecí výhybky, impedanční články, přepěťové ochrany a koncovky - všechny tyto součásti se běžně používají, někdy však nebývají zcela pochopeny. Správné využití těchto adaptérů vyžaduje určité základní znalosti přenosových vedení a pečlivost při výběru.

V tomto článku je uveden stručný přehled přenosových vedení. Dále jsou představeny různé typy koaxiálních adaptérů, popsán princip jejich funkce a ukázáno, jak je lze nejlépe využívat. Jsou zde použity příklady z reálné praxe od společností Amphenol RF, Times Microwave Systems spadající pod Amphenol a Crystek Corporation.

Co jsou to přenosová vedení?

Přenosová vedení v podobě koaxiálních kabelů, plochých vedení, mikropásků a dalších spojují zdroj signálu se zátěží. Přenosová vedení mají charakteristickou impedanci určenou fyzickými rozměry vodičů, jejich roztečí a dielektrickým materiálem použitým k jejich izolaci. Koaxiální kabely mají nejčastěji charakteristickou impedanci 50 ohmů (Ω) pro obecné RF použití nebo 75 Ω pro video aplikace.

Aby byla zajištěná maximální účinnost přenosu energie ze zdroje do zátěže, je nutné vzájemně přizpůsobit impedanci zdroje, charakteristickou impedanci přenosového vedení a impedanci zátěže. Pokud se tyto impedance od sebe liší, od nepřizpůsobeného spoje se odráží určitá energie. Pokud se například impedance zátěže liší od impedance zdroje a přenosového vedení, dochází k odrazům energie od zátěže zpět směrem ke zdroji (obrázek 1).

Obrázek 1: Koaxiální vedení s nepřizpůsobenou zátěží odráží energii od zátěže zpět do zdroje a vytváří tak v přenosové cestě stojaté vlny. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Dopadající a odražené vlny se v přenosové cestě kombinují aditivním způsobem za vzniku stojatého vlnění, u kterého se amplituda periodicky mění s fyzickou délkou dráhy. Stojaté vlny způsobují chyby měření a mohou mít za následek poškození součástí. Vzájemné přizpůsobení impedance zdroje, přenosového vedení a zátěže zabraňuje vzniku stojatých vln a pomáhá tak zajistit nejvyšší účinnost přenosu energie ze zdroje do zátěže.

Vzhledem k požadavkům na přizpůsobení impedance je důležité použít správný adaptér. Konstruktér však brzy zjistí, že existuje mnoho různých adaptérů, které se často vyznačují vlastnostmi přesahujícími rámec základního připojení.

Adaptéry tvaru T

Mějme základní přístrojový systém složený z jednoduchého zdroje, osciloskopu a spektrálního analyzátoru (obrázek 2).

Obrázek 2: Zapojení tří přístrojů pomocí adaptéru tvaru T v tomto příkladu vyžaduje seřízení vstupní impedance osciloskopu, aby nevzniklo nepřizpůsobení v místě zdroje signálu. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Zdroj signálu má výstupní impedanci 50 Ω a předpokládá se jeho provoz do zátěže 50 Ω. Pokud se osciloskop a spektrální analyzátor připojí pomocí adaptéru tvaru T a vstupy obou přístrojů budou nastaveny na 50 Ω, zdroj signálu bude vnímat zátěž s impedancí 25 Ω, čímž se sníží jeho výstupní napětí a v kabelech vzniknou stojaté vlny. Tajemství řešení v tomto případě spočívá v nastavení vysoké vstupní impedance u přístroje zapojeného v polovině koaxiálního vedení a vstupní impedance 50 Ω u přístroje zapojeného na vzdáleném konci koaxiálního vedení, jak je znázorněno na obrázku. Zdroj signálu pak bude vnímat zátěž 50 Ω a vše bude v pořádku.

Amphenol RF 112461 (obrázek 3) je BNC adaptér tvaru T s jednoduchou zástrčkou BNC, dvěma zásuvkami BNC a šířkou pásma 4 gigahertzy (GHz). Lze jej používat v konfiguraci znázorněné v našem příkladu pro přístroje se šířkou pásma do 4 GHz.

Obrázek 3: Adaptér BNC tvaru T Amphenol 112461 nabízí šířku pásma 4 GHz. V příkladu znázorněném na obrázku 1 je zástrčka připojena ke vstupu osciloskopu a koaxiální kabely jsou vedeny od zásuvek BNC ke zdroji signálu a spektrálnímu analyzátoru. (Zdroj obrázku: Amphenol RF)

Typ zvoleného adaptéru tvaru T závisí na konektorech použitých na přístrojích a bude záviset na šířkách pásem příslušných přístrojů. Obecně platí, že koaxiální adaptéry, jako jsou adaptéry tvaru T, nejsou k dispozici pro pásma nad 40 GHz, protože u adaptérů na těchto kmitočtech jsou problémem signálové ztráty. V následující tabulce je uveden seznam běžných přístrojových koaxiálních konektorů, pro které jsou běžně k dispozici adaptéry, společně s jejich hlavními parametry (tabulka 1).

Tabulka 1: Nejčastější skupiny koaxiálních konektorů, pro které jsou k dispozici adaptéry. V pásmu nad 40 GHz vykazují adaptéry ztráty a tím přestávají být vhodné pro použití v povozu. (Zdroj tabulky: DigiKey)

Adaptéry pro skupiny konektorů

Jelikož existuje mnoho typů konektorů, vzniká potřeba možnosti konverze z jednoho typu konektorů na druhý. Uvažme situaci, kdy máme za úkol přivést kabel SMA ke vstupnímu konektoru BNC na osciloskopu nebo spektrálním analyzátoru. Pro takovou situaci nabízí společnost Amphenol RF 242103 zástrčku BNC na připojení k přístroji a zásuvku SMA na přivedení kabelu SMA (obrázek 4).

Obrázek 4: Adaptér z BNC na SMA se zapojuje mezi zásuvku BNC a zástrčku SMA, což může být vyžadováno k připojení kabelu SMA k přístrojovému vstupu. (Zdroj obrázku: Amphenol RF)

Uživatelé zařízení by měli pamatovat na to, že při každém použití adaptéru dojde ke snížení šířky pásma propojovací cesty na nižší hodnotu z obou skupin konektorů. V případě adaptéru z BNC na SMA je šířka pásma 4 GHz převzatá s konektoru BNC.

Existují také adaptéry nabízející převod impedance z 50 na 75 Ω a a naopak.

Barelové adaptéry a adaptéry s průchodkou

Prodlužování kabelů nebo protažení kabelu skrze panel vyžaduje použití průchozích (barelových) adaptérů nebo adaptérů s průchodkou. Tyto adaptéry jsou k dispozici pro skupiny konektorů uvedené v tabulce 1. Příkladem je adaptér s průchodkou od společnosti RF 132170 vybavený dvěma zásuvkami SMA, ke kterým lze na libovolné straně průchodky nebo panelu připojit kabely se zástrčkami SMA.

Obrázek 5: Příklad konektoru SMA s průchodkou, který lze namontovat na panel za účelem průchodu koaxiálního vedení. (Zdroj obrázku: Amphenol RF)

Barelové konektory lze nakonfigurovat jako zásuvka - zásuvka nebo jako zástrčka - zástrčka, méně častěji také jako zásuvka - zástrčka.

Zakončení

Připojení více přístrojů s vysokoimpedančním vstupem do série ke zdroji 50 Ω vyžaduje zakončení 50 Ω (obrázek 6).

Obrázek 6: V případě připojení několika zařízení s vysokoimpedančním vstupem ke zdroji 50 Ω je vyžadována externí koncovka 50 Ω zabraňující odrazům v koaxiálních vedeních. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Koncovka Amphenol RF 202120 50 Ω je příkladem koaxiálního zakončení konfigurovaného jako zásuvka BNC (obrázek 7).

Obrázek 7: Prvek Amphenol RF 202120 je 50Ω koncovka konfigurovaná jako zásuvka BNC. (Zdroj obrázku: Amphenol RF)

Do zásuvky BNC lze přímo zapojit koaxiální kabel. K dispozici jsou též koncovky v podobě zástrček BNC určené ke spojení se zásuvkou BNC. Tyto koncovky jsou praktické pro zakončení přímo na čelním panelu přístroje. Ačkoli většina osciloskopů nabízí jak vysokoimpedanční, tak i 50Ω vstupy, u 50Ω osciloskopických vstupů platí napěťový limit, obvykle 5 V. Osciloskopy mají na 50Ω vstupech také výkonový limit 0,5 W. Koncovka 202120 má jmenovitou zatížitelnost 1 W a může pracovat s napětím nad 7 V.

Koncovky jsou k dispozici také pro jiné impedance. Například 75Ω koncovky se běžně používají v televizních a video aplikacích. Koncovky s nulovou impedancí nebo zkratovací koncovky se používají při kalibraci síťových analyzátorů.

Blokovače stejnosměrného proudu a napájecí výhybky

Blokovač stejnosměrného proudu je koaxiální adaptér, který blokuje stejnosměrné signály a propouští RF signály. Používá se k ochraně citlivých RF součástí před stejnosměrným proudem, který je blokován kondenzátorem. Existují tři typy blokovačů stejnosměrného proudu:

• Vnitřní blokovač používá jeden kondenzátor zapojený do série s vnitřním nebo středovým vodičem koaxiálního kabelu.
• Vnější blokovač používá kondenzátor zapojený do série se stínicím vodičem koaxiálního kabelu.
• Vnitřní/vnější blokovač používá kondenzátory zapojené do série s vnitřním i vnějším vodičem.

Všechny typy blokovačů stejnosměrného proudu jsou navrženy na konkrétní charakteristickou impedanci, obvykle 50 nebo 75 Ω. Prvek Crystek Corporation CBLK-300-3 je 50Ω blokovač stejnosměrného proudu na vnitřním vodiči, který propouští signály o kmitočtech od 300 kilohertzů (kHz) do 3 GHz a blokuje stejnosměrné složky o napětí až 16 V při nízkých vložených ztrátách a nízkém útlumu odrazu v celém provozním frekvenčním rozsahu (obrázek 8).

Obrázek 8: Prvek Crystek CBLK-300-3 blokuje stejnosměrný proud a propouští signály s kmitočty od 300 kHz do 3 GHz. (Zdroj obrázku: Crystek Corporation)

Napájecí výhybka

S blokovačem stejnosměrného proudu souvisí napájecí výhybka. Jde o tříportový adaptér, u kterého se na jeden port přivádí stejnosměrné napětí. Druhý port kombinuje stejnosměrné napájení s RF signálem přiváděným z izolovaného RF portu (obrázek 9).

Obrázek 9: Napájecí výhybka je vybavena třemi porty: jeden port slouží k přivedení stejnosměrného napájení, druhý je izolovaným RF portem, zatímco třetí spojuje RF signál se stejnosměrným napájením. (Zdroj obrázku: Crystek Corporation)

Napájecí výhybky se používají k přívodu elektrické energie do vzdálených elektronických zařízení, například do nízkošumového zesilovače (LNA) se stejnosměrným napájením namontovaného na anténě, při současném poskytnutí portu bez stejnosměrné složky určeného k připojení k RF přijímači. Stejnosměrné napájení se přivádí přes sériový induktor, který zabraňuje RF signálu v pronikání do stejnosměrného zdroje. Podobně jako u blokovače stejnosměrného proudu je i zde izolovaný RF port oddělen od stejnosměrného vstupu sériovým kondenzátorem. Kombinovaný port propouští RF i stejnosměrné složky.

Prvek Crystek Corporation BTEE-01-50-6000 je napájecí výhybka o šířce RF pásma od 50 megahertzů (MHz) do 6 GHz používající zásuvky SMA. RF port přijímá RF signály o maximálním výkonu 2 W. Stejnosměrný port je navržen na maximální stejnosměrné vstupní napětí 16 V. Vložené ztráty napájecí výhybky jsou typicky 0,5 decibelů (dB) při 2 GHz. Během provozu je RF+DC port připojen k zesilovači LNA a k anténě. Zdroj stejnosměrného napájení je připojen ke stejnosměrnému portu a přijímač je připojen k RF portu.

In-line filtry

Dalším praktickým koaxiálním adaptérem je in-line filtr. Pro konektory typu BNC nebo SMA jsou k dispozici filtry se spodní propustí, horní propustí a pásmovou propustí. Tyto filtry slouží ke kontrole spektra signálu přenášeného kabelem. Chceme-li například změřit efektivní počet bitů v analogově-digitálním převodníku (ADC), mezi generátor signálu a A/D převodník zařadíme filtr se spodní propustí. Filtr utlumí harmonické složky generátoru a tím značně zlepší přesnost měření. Toto řešení pak umožňuje použít levnější signálový generátor.

Typickým příkladem takového prvku je 100MHz filtr 7.řádu se spodní propustí a dělicím kmitočtem 100 MHz od firmy Crystek CLPFL-0100 (obrázek 10).

Obrázek 10: Prvek CLPFL-0100 je sedmipólový, 100MHz filtr se spodní propustí pro in-line vložení do kabelu SMA. (Zdroj obrázku: Crystek Corporation)

Druhá harmonická vstupního signálu 100 MHz bude utlumena o 30 dB, její vyšší harmonické budou utlumeny o více než 60 dB. Pokud by signálový generátor ve výše uvedeném příkladu měl uváděnou úroveň harmonické -66 dB, filtr by ji snížil pod -96 dB.

Ochrany proti přepětí

Ochrany proti přepětí, které se někdy též nazývají bleskojistky, chrání citlivou elektroniku proti přepěťovým vlnám, například vlivem blesku. Této ochrany lze dosáhnout pomocí jiskřišť, plynových trubic nebo diod, které vlastním elektrickým průrazem odvedou přepětí do země dříve, než by mohlo poškodit chráněná zařízení.

Prvek LP-GTR-NFF od firmy Amphenol Times Microwave je in-line ochrana proti přepětí s konektorem typu N, která používá výměnnou trubice naplněnou plynem. V trubici, která je schopná chránit proti vlnám o výkonu až 50 W, nastává průraz při stejnosměrných napětích nad ±90 V/20 A. Tato trubice, která se vkládá in-line, má šířku pásma od stejnosměrného průběhu do 3 GHz při vložených ztrátách 0,1 dB do 1 GHz a 0,2 dB do 3 GHz (obrázek 11).

Obrázek 11: Ochrana proti přepětí LP-GTR-NFF od firmy Amphenol Times Microwave Systems je in-line prvek s konektorem typu N, který slouží k ochraně koaxiálních vedení proti přechodovým vlnám o výkonu až 50 W. (Zdroj obrázku: Amphenol Times Microwave Systems)

Ochrany proti přepětí se obvykle montují na držáky tvaru L, které jsou elektricky a mechanicky propojeny s nízkoimpedanční zemí pomocí velkých vodičů s nízkou indukčností. Je důležité si uvědomit, že výkonnost ochrany proti přepětí je ovlivněna kvalitou uzemnění.

In-line útlumové články

Útlumové články snižují výkonovou úroveň signálu bez zkreslení jeho vlnové křivky. Koaxiální in-line verze nabízejí pevný útlum a jsou k dispozici ve širokém počtu typů konektorů s mnoha různými konfiguracemi zástrček a zásuvek.

Prvek CATTEN-03R0-BNC od firmy Crystek Corporation je 3dB, 50Ω BNC útlumový článek se šířkou pásma 0 až 1 GHz a jmenovitým výkonem (obrázek 12). Jde o jeden ze třinácti modelů útlumových článků dostupných v této produktové řadě s útlumem 1 až 20 dB.

Obrázek 12: Prvek CATTEN-03RO-BNC od firmy Crystek je in-line koaxiální BNC 3dB útlumový článek se šířkou pásma 0 až 1 GHz. (Zdroj obrázku: Crystek Corporation)

In-line útlumové články se nejčastěji používají ke snížení výkonové úrovně signálu, avšak méně častěji se používají také jako izolace mezi impedancemi sériově zapojených zařízení, jakož i ke snížení impedančních nepřizpůsobení a nežádoucích odrazů.

Uvažme zařazení přizpůsobeného 3dB útlumového článku před nepřizpůsobenou zátěžnou impedanci. Vstupní signál se při šíření k nepřizpůsobené zátěži vlivem útlumového článku sníží o 3 dB. Za předpokladu, že nepřizpůsobení je tvořeno rozpojeným obvodem, se veškerý signál poté od zátěže odrazí, projde znovu útlumovým článkem a na jeho vstupu bude zatížen další ztrátou 3 dB. Útlum odrazu na vstupu útlumového článku tak bude zlepšen o 6 dB. Nepřizpůsobení vnímané na vstupu útlumového článku se zlepšuje o dvojnásobek jeho hodnoty - v tomto případě je celkové snížení úrovně 6 dB.

Nevýhodou tohoto principu je skutečnost, že amplituda průchozího signálu se snižuje o 3 dB, což je nutné v ostatních bodech sítě kompenzovat. Pro tuto aplikaci by dobře vyhověl článek CATTEN-03R0-BNC od firmy Crystek.

Závěr

Při zapojování přístrojů nebo jiných zařízení pomocí koaxiálních adaptérů by konstruktéři a další uživatelé měli znát základy techniky přenosových vedení. Po jejich pochopení budou uživatelé schopni tyto velmi praktické součásti lépe využívat díky široké škále jejich uplatnění včetně změny typu konektorů a charakteristických impedancí, větvení signálu, filtrování, ochrany proti přepětí, útlumu signálu a kontroly stejnosměrné složky a její izolace.