Jak wybierać złącza koncentryczne do aplikacji elektronicznych w.cz.

Projektanci urządzeń elektronicznych zawsze pracują pod presją czasu i coraz częściej ich decyzje o wyborze komponentów do połączeń muszą być podejmowane błyskawicznie. A niestety w zakresie złączy i kabli współosiowych wybór optymalnego produktu wcale nie jest prosty, gdy poza podstawowymi parametrami trzeba jeszcze wziąć pod uwagę warunki środowiskowe pracy warunkujące długoterminowe działanie.

W niniejszym artykule przyjrzymy się kluczowym parametrom aplikacyjnym złączy w.cz., takim jak wymiary, zakres częstotliwości pracy, niezawodność, straty wtrącone, po to, aby zwrócić uwagę na ich znaczenie techniczne i pomóc inżynierom optymalnie dobrać złącze do tworzonej aplikacji. Pokazane zostaną także przykładowe rozwiązania tych elementów, na które warto zwrócić uwagę.

Koncentryczne złącza w.cz.

Fot. 1. Złącze koncentryczne SMA doskonale ilustruje koncentryczną konstrukcję z widoczną żyłą wewnętrzną, grubym dielektrykiem z tworzywa i metalową częścią zewnętrzną

Koncentryczne (współosiowe) złącza w.cz. (RF) służą do realizacji łączy komunikacyjnych w systemach telekomunikacji, radiodyfuzji i komunikacji bezprzewodowej. Są one też nieodłącznym elementem aparatury pomiarowej. Ich głównym zadaniem jest przekazanie sygnału przy minimalnych stratach wtrąconych między podzespołami, modułami i urządzeniami za pomocą linii o stałej impedancji falowej.

Najczęściej jest nią przewód koncentryczny zawierający cienki drut miedziany otoczony cylindrycznie warstwą dielektryka, który następnie pokryty jest warstwą ekranującą i dalej izolacją. Taki przewód utrzymuje żyłę wewnętrzną w równej odległości od zewnętrznego oplotu, co zapewnia stałość impedancji charakterystycznej.

W złączach jest podobnie i utrzymanie stałej odległości i proporcji wymiarów między średnicą żyły wewnętrznej, grubości warstwy dielektryka i zewnętrznej metalizacji jest podstawą zapewnienia niskich strat wtrąconych, braku odbić wynikających z nieciągłości impedancji falowej, a więc innymi słowy precyzji realizacji linii transmisyjnej.

Warto zauważyć, że w liniach współosiowych energia sygnału w.cz. jest transmitowana wewnątrz dielektryka, a żyła wewnętrzna i oplot zewnętrzny tworzą elementy brzegowe dla pola elektromagnetycznego.

W złączach w.cz. metalowe elementy ruchome realizujące połączenie mechaniczne muszą być tak wykonane, aby zapewnić stałość impedancji falowej na całej długości elementu i utrzymać wspomniany dystans między elementem wewnętrznym a zewnętrznym. Istotny jest też brak zafalowań impedancji, który skutkowałby odbiciami i zwiększeniem współczynnika WFS.

To niełatwo jest osiągnąć, bo złącze musi mieć kontakty i elementy zatrzaskowe zapewniające stabilność mechaniczną. Na fotografii 1 pokazano parę tworzącą jedno z najpopularniejszych złączy w.cz. SMA firmy Amphenol RF.

Lewa część zdjęcia pokazuje część męską lub wtyczkę. Prawa to wtyk lub część żeńska, której gwint stanowi też mechanizm zabezpieczający przed rozłączeniem. Konstrukcja pinu środkowego w żeńskiej części zawiera mechanizm zaciskowy, który zapewnia pewne połączenie elektryczne. Trzeba zauważyć, że rozwiązania styków zmieniają się u różnych producentów. Inne mechanizmy blokujące mogą obejmować blokadę skrętu, połączenie bagnetowe lub pierścienie zatrzaskowe.

Większość złączy koncentrycznych, takich jak SMA, jest ma różne struktury na każdej połowie (męskie i żeńskie). Istnieje kilka typów, które mają identyczne konstrukcje po obu stronach połączenia. Są to w większości precyzyjne złącza przeznaczone do zastosowań laboratoryjnych.

Typy złączy koncentrycznych

Tabela 1. Zbiorcze zestawienie głównych parametrów złączy koncentrycznych wg Digi-Key Electronics

Na rynku jest mnóstwo typów złączy w.cz. różniących się parametrami, takimi jak wielkość fizyczna, impedancja falowa, współczynnik WFS, pasmo pracy i zakres częstotliwości (tabela 1).

Pasmo przenoszenia

Kluczową specyfikacją złącza koncentrycznego jest jego pasmo przenoszenia. Opisuje ono najwyższą częstotliwość, przy jakiej można go użyć. Maksymalna użyteczna częstotliwość pracy złącza jest funkcją średnicy zewnętrznego płaszcza i właściwości materiału dielektryka.

Im mniejsza średnica płaszcza, tym wyższa maksymalna użyteczna częstotliwość. Podobnie, użycie powietrza jako dielektryka zapewnia najwyższą częstotliwość pracy w stosunku do innych dielektryków. W rezultacie złącza o największej przepustowości wykorzystują powietrze jako dielektryk.

Impedancja falowa

Aby zapewnić jak najlepszą transmisję mocy (brak odbić) i redukcję strat, impedancja charakterystyczna złącza powinna być zgodna z wartościami tego parametru dla obciążenia i źródła. Dla większości aplikacji jest to 50 Ω a w przypadku aplikacji wideo zwykle jest to 75 Ω.

Współczynnik fali stojącej (WFS, VSWR)

Współczynnik fali stojącej to miara odpowiadająca efektywnej impedancji falowej złącza. Im jest on wyższy od jedności, tym większe niezrównoważenie powoduje, że część energii w.cz. jest zawracana (odbijana) do źródła. Warto pamiętać, że jest on funkcją częstotliwości, dlatego porównywanie tego parametru dla różnych typów złączy powinno odbywać się przy tej samej częstotliwości.

Mechanizm łączący

Fot. 2. Przykłady mechanizmów łączących części złączy - po lewej połączenie bagnetowe, a z prawej złącze z mechanizmem zatrzaskowym

Mechanizm łączący i blokujący obie części złącza jest niezwykle ważną częścią złącza w wielu aplikacjach, gdzie istnieje zagrożenie wibracjami. Konstrukcja jest zwykle kompromisem między łatwością połączenia i bezpieczeństwem. Para złączy SMA pokazana na fotografii 1 ma blokadę w postaci gwintu. Przykłady połączenia bagnetowego i zatrzaskowego są przedstawione na fotografii 2, odpowiednio, dla typów BNC i SMP.

Rozmiar i trwałość

Z uwagi na wszechobecny pęd do miniaturyzacji, rozmiar odgrywa ważną rolę w wyborze złącza. Oczywiście wielkość złącza i trwałość są ze sobą powiązane. Mniejsze elementy mają zwykle mniej dostępnych cykli łączeniowych. Większe złącze typu N może mieć trwałość większą niż nawet 500 cykli, a trwałość miniaturowego U.FL jest zwykle ograniczona do 30 cykli.

Ponadto żywotność omawianych elementów jest różna w zależności od producenta i gdy jest ona ważnym parametrem, konieczne jest dokładne przestudiowanie karty katalogowej, bo często są jakieś ograniczenia. Złącza koncentryczne stosowane w aparaturze pomiarowej, gdzie jest wiele cykli łączenia, są na ogół chronione za pomocą łatwo wymienialnych adapterów.

Klasy złączy i ich specyfikacje

Złącza współosiowe są opisywane przez klasy. Złącza precyzyjne o średnicy 1-2,92 mm i typu N są ponadto definiowane przez normę IEEE-STD-287, która określa tolerancję ich wymiarów. Elementy bardziej popularne są z kolei definiowane przez normę wojskową MIL-STD-348 lub regulacje europejskie jak CECC 22220 (tabela 1). Te dwie grupy mają większe dopuszczalne tolerancje wymiarów, a więc są też tańsze, bo łatwiejsze w produkcji.

Kompatybilność łączenia

Z klasą złączy wiąże się możliwość łączenia elementów z różnych rodzin. Tabela zawiera listę możliwych wymian części wtykowych. Jak widać z podanych danych, złącza 1,85 mm i 2,4 mm są wymienne, podobnie jak 2,92 mm i 3,5 mm.

Złącza męskie 2,92 mm i 3,5 mm łączą się z żeńskimi gniazdami SMA, ale zmniejsza się nieco szerokość przenoszonego pasma. Ze względu na różnicę w klasie tolerancji, nie jest dobrym pomysłem, aby łączyć męskie SMA z żeńskim 2,92 mm lub 3,5 mm. Większe tolerancje wymiarów dla SMA mogą spowodować ich uszkodzenie.

Moc znamionowa

Producenci nie oceniają maksymalnej mocy, jaką mogą rozpraszać złącza, ponieważ jest bardzo zależna od aplikacji, częstotliwości, współczynnika VSWR, temperatury i impedancji obciążenia. Maksymalna moc zmienia się też w zależności od wielkości złącza i warunków jego montażu, a więc możliwości rozpraszania ciepła.

Maksymalna rozpraszana moc zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości. Złącze o największej zdolności transmisji mocy to typ N, które jest w stanie przekazać nawet 300-400 watów. Mniejsze wartości zapewniają BNC i SMA, a moc przenoszenia złączy precyzyjnych jest ograniczona typowo do 10 W.

Używanie złączy koncentrycznych

Fot. 3. Po lewej przykład złącza SMA z brudem i metalowymi opiłkami nagromadzonymi na dielektryku, po prawej to samo złącze po wyczyszczeniu bawełnianym wacikiem i alkoholem izopropylowym

Przed montażem konieczne jest sprawdzenie złącza pod kątem widocznych uszkodzeń, takich jak wygięcia, zagniecenia lub deformacje (fot. 3). Złącza powinny być czyste, bez nagromadzonego brudu i innych zanieczyszczeń. Korpusy części męskiej i żeńskiej powinny być gładkie, bez sklejania się i zacinania oraz konieczności używania siły przy łączeniu.

Złącza powinny być utrzymywane w czystości. Najlepszym sposobem, aby to zapewnić, jest wykorzystanie ochronnych zatyczek, gdy nie są one używane. Zanieczyszczenia i brud należy wyczyścić alkoholem izopropylowym. Złącza, które wykorzystują jako dielektryk powietrze, czyści się za pomocą suchego sprężonego powietrza.

Jak wybierać złącza współosiowe

Wybór konkretnego elementu rozpoczyna się od określenia wymaganego pasma pracy, a następnie dokonuje się selekcji pod kątem wielkości i konfiguracji mechanicznej tego elementu, jak typ wtyczki i gniazda, montaż do PCB/panelu itp. I tak przykład w generatorze sygnałowym do 1 GHz złącze BNC jest powszechnym wyborem.

Pasmo pracy BNC jest większe niż 1 GHz i jest dostępne z montażem panelowym. Amphenol RF 31-221-RFX BNC jest tu dobrym wskazaniem. Dla sygnałów ponad 10 GHz należy rozważyć typ SMA, jak Amphenol SV Microwave SF2950-6062 lub precyzyjne złącze 2,92 mm, jak SF1521-60013. Decyzja może tu zależeć od kompromisu pomiędzy przepustowością i kosztami.

Złącze 2,9 mm ma ponaddwukrotnie większe pasmo niż SMA, ale za to jest prawie trzykrotnie droższe. Jeśli rozmiar się liczy, należy uważnie patrzeć na trwałość. Na przykład wtyk MEXX firmy Molex 0734152063 zapewnia 500 cykli łączeniowych, a U.FL-RSMT (10) Hirose jest mniejsze, ale może wytrzymać tylko 30 cykli. Z trwałością łączeniową wiążą się różne koszty.

Rich Miron
Digi-Key Electronics