Porozumění koaxiálním konektorům a sestavám kabelů v pásmu GHz a jejich výběr

Radiofrekvenční (RF) konektory a jejich zkompletované sestavy koaxiálních kabelů poskytují nezbytné cesty vedení signálu mezi obvodovými deskami, montážními podskupinami a šasi. Vhodný konektor poskytne alespoň minimální požadovaný elektrický výkon a mechanickou odolnost. Avšak řady RF konektorů, které slouží po mnoho let, včetně BNC konektoru s bajonetovým připojením, již nejsou vzhledem ke svým fyzickým objemovým a výkonovým omezením adekvátní.

K tomu, aby mohli čelit mnoha výzvám dnešních návrhů, si mohou technici vybrat z mnoha konkrétních typů dostupných v několika hlavních řadách, z nichž každá nabízí určitou kombinaci vyšší šířky pásma, menšího objemu a použití tenčích koaxiálních kabelů. Tyto konektory jsou k dispozici v široké škále stylů koncovek PC desek i typů koncovek kabelu, aby splňovaly mnoho tříd priorit fyzické montáže. Konstruktéři proto musí nejprve vybrat příslušnou řadu konektorů, aby konektory splňovaly požadavky na návrh, a poté styl v rámci této řady.

V tomto článku se podíváme na pět široce používaných řad RF konektorů v gigahertzovém pásmu. Rovněž se podíváme na úzce související problém kompletních sestav kabelů zakončených vybraným konektorem, využívajících součástky zrůzných řad společnosti Würth Elektronik.

Základy RF konektorů

Je důležité objasnit si terminologii související s konektory. „Konektor“ je kovová koncovka, kterou lze podle potřeby spojit a rozpojit, zatímco „kabel“ je koaxiální vodič sestávající z vnitřního měděného vodiče, oddělujícího dielektrika, vnějšího stínění a izolace, ke které je konektor připojen. „Sestava kabelu“ je kombinace kabelu s konektorem na jednom nebo obou koncích. Pojem „kabel“ se však v běžné konverzaci často používá místo „sestavy kabelů“ a skutečný význam je obvykle jasný až z kontextu. V tomto článku použijeme tyto pojmy v jejich užším významu.

I když jsou konektory pasivními součástkami a neposkytují žádné zpracování ani vylepšení signálu, jsou základními prvky téměř jakéhokoli návrhu produktu. „Ideální“ konektor nabízí kritické mechanické vlastnosti, jako je pohodlné spojování a rozpojování, mechanická a elektrická integrita, a měl by být elektricky neviditelný bez nespojitostí stejnosměrného ohmického odporu nebo vysokofrekvenční impedance. Výzvy navrhování, výroby a používání konektorů se zvyšují s provozní frekvencí. Vzhledem k tomu, že jejich požadovaná provozní frekvence zasahuje do RF oblasti, do a nad gigahertzový rozsah, je jejich mechanická konstrukce nutně stále přesnější a má mnoho zásadních atributů a parametrů výkonu.

Klasické konektory, jako je BNC (Bayonet Neil-Concelman) nabízené ve verzi 50 Ω a 75 Ω (druhá pro video a TV), se široce používají již od 50. let 20. století dodnes (obrázek 1). Tento uzamykací konektor je vybaven funkcí rychlého spojení a rozpojení pootočením o jednu třetinu pomocí „bajonetového“ systému. Ačkoli je frekvenční odezva formálně dimenzována na 4 GHz, ztráty konektoru se při vyšších frekvencích zvyšují na často nepřijatelnou úroveň. Fyzicky není konektor pro dnešní kompaktní, hustě osázené konstrukce vhodný díky své relativně velké velikosti a velkému minimálnímu poloměru ohybu kompletní sestavy kabelů.

Obrázek 1: Konektor BNC obsahuje bajonetový zámek tělesa a od svého vývoje na počátku padesátých let se široce používá. Pro mnoho dnešních vysokofrekvenčních aplikací s omezeným místem není vhodný z elektrických nebo mechanických důvodů. U sestav kabelů se obvykle používá samčí zástrčka (vlevo) a samičí zásuvka (vpravo) se používá na přístrojových panelech. (Zdroj obrázku: weby Wikipedia, Pinterest)

Novější řady pro nové aplikace

K dispozici je mnoho řad průmyslově standardních konektorů, které jsou účinnější pro kompaktnější aplikace s vyššími frekvencemi. Mezi nejoblíbenější patří řady SMA, SMB, SMP, MMX a MMCX, všechny se standardní impedancí 50 Ω RF. Každá z nich nabízí jinou kombinaci elektrických a mechanických vlastností. Na rozdíl od průměru BNC konektoru 17 mm mají tyto konektory mnohem menší průměr kolem 5 mm.

V tomto článku se podíváme na jednoho zástupce konektorů v každé z těchto řad. Každá řada však má mnoho zástupců s téměř identickými elektrickými parametry, ale velmi odlišnými mechanickými konfiguracemi a uspořádáními. Patří mezi ně verze pro desky tištěných spojů (PC desek) s pravoúhlým nebo rovným tělesem, s povrchovou montáží, průchozím otvorem nebo zakončením typu end-launch, přepážkové typy se zadní montáží, verze montované na panel s pájecí dutinkou, plochým jazýčkem nebo kulatým kolíkem. Existují také různá uspořádání pro protikonektory, které přijdou na konec kabelu, například rovné a pravoúhlé varianty.

Mít tolik možností v rámci daného typu konektoru je pro konstruktéry výhodné, protože to zvyšuje pravděpodobnost dostupnosti běžného konektoru s konkrétním tvarovým faktorem, který se bude dobře hodit k návrhu produktu a k jeho omezením. Znamená to, že bude vyžadována malá nebo žádná změna priorit mechanického návrhu produktu. Nyní se blíže podívejme na těchto pět řad:

• SMA: Subminiaturní koaxiální konektory řady SMA jsou navrženy s technologií závitových spojek, aby byla zajištěna vysoká mechanická stabilita při vystavení intenzivním vibracím (obrázek 2). Uchycený středový kontakt konektoru a izolátor zvyšují axiální sílu a utahovací moment. Silné zlacení na středovém kontaktu přispívá ke zvýšení elektrického výkonu na až 500 cyklů spojení.

Obrázek 2: Subminiaturní konektory řady SMA používají závitovou spojku pro lepší mechanickou integritu při vystavení intenzivním vibracím. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Dobrým příkladem tohoto typu konektoru je model 60312242114510 společnosti Würth Elektronik – konektor-zásuvka SMA DC až 10 GHz se samičí zásuvkou (obrázek 3). Je navržen pro použití na hraně desky a pro orientaci s koncovou aktivací. Tento pájecí konektor pro montáž na panel se dodává také s maticí a pojistnou podložkou na přední straně, které usnadňují upevnění přepážky (panelu) a zvyšují tuhost konečného produktu.

Obrázek 3: Konektor SMA 60312242114510 DC na 10 GHz se samičí zásuvkou obsahuje matici na přední straně a přidruženou pojistnou podložku kvůli vyšší mechanické integritě při montáži přes panel nebo přepážku (všechny rozměry jsou v milimetrech). (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Mezi klíčové parametry konektorů RF patří poměr napětí stojatých vln (VSWR) pod 1,2 a vložené ztráty (IL) menší než 0,14 dB od stejnosměrného průběhu do 12,4 GHz s odpovídajícími čísly VSWR a IL 1,4 a 0,2 dB od 12,4 do 18 GHz.

• SMB: Konektory řady SMB jsou navrženy pro nacvakávací spojení s možností širokopásmového připojení od stejnosměrného průběhu do 4 GHz. Jsou menší než konektory řady SMA, a proto se dobře hodí pro miniaturizaci obvodů. Mezi dostupnými konektory SMB jsou zásuvky PC desky pro průchozí otvor a povrchovou montáž stejně jako hranové konektory pro karty a konektory kabelů pro zástrčky a zásuvky (obrázek 4).

Obrázek 4: Konektory SMB jsou nacvakávací zařízení, která jsou menší než konektory SMA a nejsou opatřena závitem. Jsou také k dispozici v různých konfiguracích. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Příkladem konektoru SMB je pájený konektor-zásuvka 61611002121501 se samčím pinem, pravoúhlý, s průchozím otvorem s poměr napětí stojatých vln 1,5 a vloženými ztrátami pod 0,2 dB (obrázek 5). Stejně jako zařízení SMA je také tento konektor dimenzován na 500 spojovacích cyklů.

Obrázek 5: Konektor SMB 61611002121501 je nacvakávací pravoúhlý konektor určený k připevnění a pájení desky s průchozím otvorem. Je menší než konektor SMA, ale má srovnatelné technické parametry. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

• Řada SMP: Tyto miniaturní konektory s funkcí zasunutí i nacvaknutí lze použít v aplikacích až do 40 GHz. Jsou k dispozici se třemi typy rozhraní: plný „výstupek“ s maximální retencí pro vysokou odolnost proti vibracím (100 cyklů), menší výstupek se střední až nízkou retencí (500 cyklů) a hladký vývrt (1 000 cyklů) s nejnižší retencí dosaženou pomocí násuvných kontaktů pro modulární systémy a aplikace (obrázek 6).

Obrázek 6: Konektory řady SMP nabízejí celou řadu hodnot retence, včetně menšího výstupku pro střední až nízkou retenci (vlevo) a počet cyklů 500 a hladkého vývrtu (vpravo) s nejnižší retencí, ale dvojnásobným počtem cyklů. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Jedním z konektorů v této řadě je model 60114202122305 – hranový konektor pro karty s povrchovou montáží a prodlouženou pájecí nohou pro obvodové desky, které mají maximální tloušťku až 1,2 mm (obrázek 7). Uvádí se, že má poměr napětí stojatých vln 1,5 a vložené ztráty 0,42 dB od DC do 12 GHz.

Obrázek 7: Model 60114202122305 je hranový konektor pro karty s hladkým vývrtem řady SMP, který je dimenzován na 12 GHz. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

• Řada MCX: Konektory řady MCX (Micro Coaxial) mají nacvakávací spojovací mechanismus pro rychlé a pohodlné připojení a jsou určeny pro provoz od DC do 6 GHz (obrázek 8). Tyto konektory jsou kompatibilní s normou IEC 61169-36 ,„Vysokofrekvenční konektory – Část 36: Dílčí specifikace pro mikrominiaturní vysokofrekvenční koaxiální konektory se západkou - Charakteristická impedance 50 Ω (typ MCX)“.

Obrázek 8: Řada konektorů MCX je ještě menší nacvakávací řada konektorů, které jsou kompatibilní s normou IEC 61169-36. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Model 60612202111308 je okrajová zásuvka se zakončením typu edge-launch a povrchovou montáží vhodná pro desky o tloušťce do 1,6 mm. Má v daném rozsahu hodnotu poměru napětí stojatých vln 1,3 a vložené ztráty 0,25 dB a je dimenzována na 500 cyklů.

Obrázek 9: Model 60612202111308 řady MCX je zásuvka s koncovou aktivací pro povrchovou montáž, která má vložené ztráty pouhých 0,25 dB až 6 GHz. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

• Řada MMCX: Tyto konektory jsou přibližně o 30 % menší ve srovnání s konektory MCX a jsou vhodné pro aplikace s požadavky na ultra malé konstrukce (obrázek 10). Mají nacvakávací spojovací mechanismus pro rychlé a snadné připojení a splňují také normu IEC 61169-36.

Obrázek 10: Konektory řady MMCX jsou přibližně o 30 % menší než konektory řady MCX a vykazují srovnatelný RF výkon. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Jako příklad lze uvést zástrčku MMCX 66046011210320. Jde o krimpovací konektor se samčím pinem „pro volné zavěšení“ (in-line) řady MMCX (obrázek 11). Tento 6GHz konektor spolupracuje s koaxiálními kabely RG174, RG316 a RG188 a má poměr napětí stojatých vln 1,3 a vložené ztráty 0,3 dB.

Obrázek 11: Zástrčka MMCX 66046011210320 je navržena pro nakrimpování na kabel, jako jsou koaxiální typy RG174, RG316 a RG188. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Řady doplňují speciální konektory a adaptéry

Vzhledem k široké škále používaných konektorů vzniká nevyhnutelná potřeba adaptérů umožňujících vzájemné propojení mezi různými řadami. Společnost Würth Elektronik nabízí několik kompletních sérií adaptérů, které podporují přechody z jednoho typu a pohlaví konektoru na druhý, například ze zástrček a zásuvek SMA na zástrčku a zásuvku jiné řady (obrázek 12).

Obrázek 12: Na obrázku je mnoho dostupných adaptérů zástrček a zásuvek SMA, které poskytují plynulý přechod na různé typy konektorů řady SMB, MCX a MMCX. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Existuje další speciální typ konektoru, který může konstruktéry zpočátku zmást: konektor s obrácenou polaritou (RP). Standardní konfigurace konektoru má mít samčí pin středového kontaktu v zástrčce a odpovídající samici (zásuvku) v zásuvce. V USA však předpisy Federální komise pro komunikaci (FCC) vyžadují v některých ojedinělých případech obrácenou „polaritu“.

Situace se datuje několik desítek let zpátky, kdy byly zavedeny bezdrátové směrovače Wi-Fi pro spotřebitelské použití. Byly navrženy pro omezený dosah pomocí malé antény s konektorem v základně konektor, který se šrouboval přímo do anténního připojení jednotky Wi-Fi, a tedy bez možnosti ji přemístit. Komise FCC se však obávala, že by se koncoví uživatelé pokusili zvýšit dosah zařízení pomocí přídavných zesilovačů nebo externích antén, což by způsobilo rušení pásma Wi-Fi. Jejím „řešením“ bylo pokusit se zabránit snadnému připojení takových doplňků tím, že na těchto bezdrátových zařízeních (která často využívala konektory SMA) nařídila použití konektorů RP, aby byly nekompatibilní se standardními doplňky (obrázek 13).

Obrázek 13: Konektory-zástrčky a zásuvky RP SMA mají opačné pohlaví středového vodiče ve srovnání s běžnými konektory SMA. Zleva doprava standardní samčí konektor SMA, standardní samičí konektor SMA, samičí konektor RP-SMA, samčí konektor RP-SMA. (Zdroj obrázku: web Wikipedia)

Během krátké doby se však sestavy kabelů zakončené dvojicemi konektorů RP staly široce dostupnými a také standardními doplňky pro zařízení, jako jsou externí přemístitelné antény Wi-Fi (obrázek 14).

Obrázek 14: Tuto externí anténu Wi-Fi lze přemístit, abyste našli optimální umístění. Díky konektoru RP-SMA je kompatibilní s anténním rozhraním na routeru Wi-Fi. (Zdroj obrázku: web Amazon)

Obrázek 15: Konektory s obrácenou polaritou (RP) jsou k dispozici v různých stylech na obvodové desky i v konfiguracích kabelových koncovek. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Jedním z dostupných konektorů-zásuvek RP-SMA je pájecí průchodka 63012042124504 pro montáž na panel (obrázek 16). Tento konektor má poměr napětí stojatých vln 1,2 od stejnosměrného průběhu do 12,4 GHz, resp.1,4 od 12,4 do 18 GHz, zatímco vložené ztráty v těchto dvou rozsazích jsou 0,14 dB, resp. 0,2 dB.

Obrázek 16: Model 63012042124504 je konektor SMA s obrácenou polaritou navržený pro průchozí montáž a pájení. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Spojení zakončují kabely a sestavy

Samotné konektory jsou pouze jednou částí scénáře cesty RF signálu. Jejich zástrčky jsou obvykle vybaveny standardními koaxiálními kabely, jako jsou mezi jinými RG174, RG316 a RG188. I když jsou to všechno kabely 50 Ω pro práci v pásmu RF (kabely a konektory 75 Ω jsou k dispozici pro videosystémy), liší se frekvenčním rozsahem, útlumem, průměrem, typem dielektrika, fázovými charakteristikami, výkonem, minimálním poloměrem ohybu, vnějším pláštěm a dalšími mechanickými a elektrickými vlastnostmi (obrázek 17).

Obrázek 17: Konstruktéři si mohou vybrat ze široké škály 50Ω koaxiálních kabelů, které se liší mnoha elektrickými a mechanickými vlastnostmi. Na obrázku je útlum v závislosti na frekvenci – důležitá specifikace – pro některé běžné standardní koaxiální kabely. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Konstruktéři se také musí rozhodnout, zda budou vyrábět vlastní sestavy koaxiálních kabelů nebo si je koupí již vyrobené, tedy zodpovědět klasickou otázku „vyrobit versus koupit“. Tyto koaxiální kabely je možné podle potřeby zakončit vybranými konektory – tedy možnost „vyrobit“ – ale to je výzva, která vyžaduje v mnoha případech dovednosti, praxi, čas, vhodné krimpovací nástroje a další nástroje.

Tyto kompletní sestavy kabelů dále potřebují více než jen jednoduchý test kontinuity. Je také třeba zkontrolovat faktory RF výkonu, jako je šířka pásma a plochost, přerušení impedance, ztrátu a fázový posun, abychom uvedli aspoň několik faktorů. Tyto elektrické zkoušky vyžadují čas a sofistikované měřicí zařízení. A sestavy vyžadují mechanickou odolnost přidanou pomocí ochrany proti vytržení.

Naštěstí jsou sestavy kabelů standardně k dispozici v mnoha délkách a skladem jsou položky pro nejběžnější typy kabelů a konektorů. Dodávají se také ve vlastních délkách a párováním konektorů s poměrně krátkými dodacími lhůtami. Vezměte v úvahu například model 65503503530505 od společnosti Würth – sestavu kabelů o délce 12 palců / 305 mm s rovnou samčí zástrčkou SMA na každém konci pomocí koaxiálního kabelu RG-316 (vnější průměr 0,102 palce / 2,59 mm) s teplem smršťovanou trubicí přidanou přes spojky konektor/kabel pro ochranu proti vytržení a odolnost (obrázek 18).

Obrázek 18: Model 65503503530505 je standardní 12palcová sestava koaxiálního kabelu využívající kabel RG-316 s rovnými samčími zástrčkami SMA na každém konci. Povšimněte si ochrany proti vytržení mezi konektorem a kabelem. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Datový list pro tuto sestavu kabelů obsahuje komplexní mechanické a materiálové podrobnosti a rozměry stejně jako zaručené technické údaje pro poměr napětí stojatých vln (1,3) a vložené ztráty (1,2 dB) od DC do 6 GHz. K dispozici je také graf útlumu v závislosti na frekvenci na 100 stop, takže uživatelé mohou rychle určit útlum pro tuto nebo jinou libovolnou zvolenou délku sestavy kabelu (obrázek 19).

Obrázek 19: Na obrázku je útlum oproti frekvenci sestavy kabelů 65503503530505. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Široká škála sestav kabelů od dodavatelů se neomezuje pouze na stejný typ konektoru na každém konci, ale může přímo řešit také problémy s propojením a přechodem. Například model 65530260515303 je krátká (6 palců / 152 mm) sestava kabelů využívající kabel RG-174 s přepážkovým konektorem-zástrčkou RP-SMA na jednom konci a rovnou samčí zásuvkou MMCX na druhém konci (obrázek 20).

Obrázek 20: Sestavy kabelů lze také použít jako přechody mezi různými řadami konektorů. Například sestava 65530260515303 používá kabel RG-174 a na jednom konci má přepážkovou samčí zásuvku RP-SMA a na druhém konci přímou samčí zásuvku MMCX. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

U těchto konektorů a jejich sestav kabelů je třeba mít na paměti ještě jednu věc: jsou malé a někdy se s nimi obtížně manipuluje při utahování nebo uvolňování jejich závitových těles. Současně je třeba je dotáhnout na stanovenou hodnotu: příliš malý utahovací moment může vést k tomu, že se nemusí spolehlivě dotýkat. Příliš velký utahovací moment a jejich vlákna se mohou namáhat a deformovat, což způsobí, že se sníží jejich počet spojovacích/rozpojovacích cyklů. Z tohoto důvodu nabízí společnost Würth Elektronik WR-Tool 6006330101 – malý momentový klíč pro všechny konektory WR-SMA (obrázek 21).

Obrázek 21: Klíč WR-Tool 6006330101 zajišťuje, že tělo konektoru SMA se závitem se správně a důsledně utáhne, což je často vzhledem k malé velikosti konstrukce konektoru SMA náročné. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Použití tohoto nástroje zajišťuje, že aplikovaný točivý moment konektoru je na stanovené úrovni, čímž zajišťuje správné spojení kontaktů, maximalizuje spolehlivost a konzistentní výkon.

Závěr

Konstruktéři vysokofrekvenčních obvodů a systémů s frekvencemi zasahujícími do pásma gigahertzů mají na výběr konektory s různými velikostmi, styly tělesa, uspořádáními pohlaví a dalšími kritickými parametry. Výběrem konektoru s vhodnými elektrickými a mechanickými specifikacemi a jeho správným utahováním se minimalizují problémy se zajištěním spolehlivých, konzistentních a nízkoztrátových cest signálu mezi obvody, podobvody a systémy.