Przewodnik inżyniera dotyczący doboru i użytkowania zespołów kablowych RF

Zespoły kablowe RF są używane w szerokim zakresie zastosowań, od dobrze ugruntowanych dziedzin, takich jak lotnictwo i kosmonautyka oraz komunikacja, po nowsze zastosowania, takie jak motoryzacja, przemysł i Internet rzeczy (IoT). Coraz dłuższa lista zastosowań zaowocowała opracowaniem nowych typów zespołów kablowych RF, dając inżynierom dalsze możliwości optymalizacji projektów układów na częstotliwości radiowe (RF).

Jednak cały ten rozwój komplikuje proces projektowania. Przy tak dużej liczbie zespołów na rynku, określenie najlepszego wyboru dla konkretnego zastosowania jest trudne. Ponadto wskutek wykorzystania okablowania RF, w nowych zastosowaniach coraz większa liczba projektantów, instalatorów i techników zajmujących się konserwacją styka się z nieznanymi im dotąd technologiami. Oprócz kwestii związanych z przestrzenią i środowiskiem, grupy te muszą teraz zapoznać się z kompatybilnością częstotliwości, dopasowaniem impedancji, napięciowym współczynnikiem fali stojącej (VSWR), sprzężeniem magnetycznym i ekranowaniem.

Aby zapewnić odpowiednie parametry działania i niezawodność układów na częstotliwości radiowe (RF), inżynierowie potrzebują uważnego podejścia oraz jasnej mapy drogowej możliwych opcji i potencjalnych pułapek, które na nich czyhają.

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od krótkiego omówienia zastosowań częstotliwości radiowych, w tym ich charakterystyk elektrycznych, konstrukcji fizycznej i typowych przypadków użycia. Stanowi on przewodnik po złożonym zadaniu doboru, instalacji i konserwacji zespołów kablowych na częstotliwości radiowe (RF). W celu zilustrowania kluczowych kryteriów doboru i stosowania przedstawiono przykłady firmy Molex®.

Przypadki użycia zespołów kablowych częstotliwości radiowych (RF)

Technologie częstotliwości radiowych (RF) obejmują wiele sektorów, a każdy z nich wiąże się z innymi wyzwaniami. Częstotliwości wahają się od setek herców (Hz) do kilkudziesięciu gigaherców (GHz). Niektóre zastosowania wymagają wzmocnionej konstrukcji. Inne mają bardzo ograniczone rozmiary fizyczne. Aby zilustrować różnorodność zastosowań, rozważmy poniższe popularne przykłady:

• Lotnictwo i kosmonautyka oraz obronność: systemy radarowe, kanały komunikacji i GPS
• Motoryzacja i transport: systemy inforozrywki, nawigacji oraz sieci komunikacyjne w pojazdach
• Telekomunikacja i transmisja: sygnały wideo 8K w sieciach Wi-Fi, LTE i 5G
• Przemysł: czujniki Internetu rzeczy (IoT), zautomatyzowane linie montażowe i telemetria
• Medycyna: systemy zdalnego monitorowania pacjenta, zaawansowane maszyny diagnostyczne i zrobotyzowane urządzenia chirurgiczne
• Próby i pomiary: pomiary na stanowiskach badawczych, próby w terenie i zapewnienie jakości w instalacjach produkcyjnych

Ze względu na rosnące wykorzystanie częstotliwości radiowych (RF), obwodami wysokiej częstotliwości zajmuje się coraz więcej inżynierów i projektantów, a wielu z nich nie ma doświadczenia w tej technologii. W obliczu napiętych terminów i budżetów, firmy potrzebują rozwiązań, które uproszczą zadania i zapewnią niezawodność działania systemów.

Tutaj z pomocą przychodzą zespoły kablowe RF. Zespoły te składają się ze wstępnie zmontowanych złączy i kabli, które spełniają określone wymagania eksploatacyjne, a jednocześnie zmniejszają nakłady pracy inżynieryjnej. Korzystanie z gotowych zespołów kablowych na częstotliwości radiowe (RF) pozwala zaoszczędzić czas i obniżyć koszty podczas projektowania i prototypowania oraz poprawić jakość i sprawność produkcji.

Kompatybilność częstotliwościowa, dopasowanie impedancji oraz napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR)

Dobór odpowiedniego zespołu kablowego wymaga starannego rozważenia wielu czynników. Po pierwsze, zespół musi być w stanie obsłużyć zakres częstotliwości sygnału RF. Mogą one wahać się od kilkuset herców do pasma bardzo wysokich częstotliwości (SHF), od 3 do 30GHz i więcej (ilustracja 1).

Ilustracja 1: zespoły kablowe RF są dostępne w wielu różnych konstrukcjach, które można skategoryzować między innymi na podstawie rozmiaru złącza i maksymalnej obsługiwanej częstotliwości. (Źródło ilustracji: Molex)

Aby osiągnąć pożądane parametry działania, zespół kablowy musi obsługiwać odpowiedni zakres częstotliwości bez znaczących strat sygnału i zniekształceń. Na przykład Stowarzyszenie Inżynierów Filmowych i Telewizyjnych (SMPTE) określa rygorystyczne wymagania dotyczące jakości sygnału w wytycznych nr 2082-1, które określają straty graniczne na 40dB przy połowie częstotliwości zegara.

Jednym ze sposobów spełnienia tych wymagań jest zastosowanie zespołów kablowych BNC Mini RF firmy Molex, które zapewniają wysokie parametry działania w dziedzinie strat odbiciowych przy częstotliwościach do 12GHz. Te parametry przewyższają wymagania dotyczące szeregowej transmisji wideo 8K wysokiej rozdzielczości (HDTV), co pozwala na zwiększenie szerokości pasma bez zmian sprzętowych.

Kolejnym kluczowym parametrem jest dopasowanie impedancji. Sygnały o częstotliwościach radiowych (RF) są podatne na zakłócenia powodowane przez fale padające i odbite, spowodowane niedopasowaniem impedancji wzdłuż linii sygnałowej. Aby zminimalizować straty sygnału, zespół kablowy powinien mieć taką samą impedancję jak podłączone obciążenie, zwykle 50 lub 75Ω. Dobrą praktyką jest wspólne projektowanie złączy i kabli w celu uzyskania najlepszego dopasowania.

Rzeczywistym przykładem takiej praktyki jest zespół 0897629290, który zawiera złącze BNC firmy Molex i kabel 4794R firmy Belden do zaawansowanych zastosowań 75Ω.

W przypadku szczególnie wymagających zastosowań, takich jak próby i pomiary, może być konieczne staranne rozważenie dodatkowych parametrów, takich jak napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) i tłumienność wtrąceniowa. Napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) jest stosunkiem sygnału padającego do sygnału odbitego, który stanowi miarę efektywności przenoszenia sygnałów o częstotliwościach radiowych ze źródła do odbiornika. Tłumienność wtrąceniowa to ilość energii traconej przez sygnał w złączu i kablu. Ilustracja 2 przedstawia przykłady omówionych parametrów.

Ilustracja 2: przykłady napięciowego współczynnika fali stojącej (VSWR) i tłumienności wtrąceniowej dla wysokosprawnych, niskostratnych kabli na częstotliwości mikrofalowe. (Źródło ilustracji: Molex)

Ekranowanie, sprzężenie magnetyczne i inne zagadnienia

Kolejnym ważnym zagadnieniem jest ekranowanie. Każdy kabel przenoszący sygnały o częstotliwościach radiowych może działać jak antena i nadawać lub odbierać sygnały, powodując zakłócenia. Aby zminimalizować te zakłócenia, kable muszą posiadać ekranowanie w postaci uziemionej metalowej osłony (ilustracja 3).

Ilustracja 3: na ilustracji przedstawiono typowy kabel ekranowany. Patrząc od środka kabla, mamy żyłę przewodzącą, materiał dielektryczny, który oddziela żyłę od ekranu, pleciony metalowy ekran i płaszcz kabla. (Źródło ilustracji: Molex)

Na dobór materiału ekranu ma wpływ szereg czynników, w tym wymagania eksploatacyjne, warunki środowiskowe i ograniczenia budżetowe. Na przykład: miedź jest wysoce efektywna dla większości częstotliwości, ale także stosunkowo ciężka i droga, podczas gdy aluminium jest lekkie i niedrogie, ale mniej skuteczne i bardziej podatne na korozję.

Należy również wziąć pod uwagę formę ekranowania. Plecionki metaliczne, na przykład w zespole 0897616761 MCX zawierającym kable RG-136, zapewniają znakomitą wytrzymałość mechaniczną i ochronę fizyczną. Natomiast ekrany foliowe są zwykle wykonane z aluminium laminowanego na folii poliestrowej lub polipropylenowej, stanowiąc lekką, niedrogą i elastyczną alternatywę. Istnieją inne typy, takie jak spirale, taśmy i ich kombinacje, które różnią się procentowym pokryciem częstotliwości, elastycznością, żywotnością, wytrzymałością mechaniczną, kosztem i łatwością zakańczania.

Mogą również istnieć specyficzne wymagania dotyczące danego zastosowania, które należy wziąć pod uwagę. Na przykład w zastosowaniach medycznych często występują czujniki wrażliwe na pola magnetyczne. W tym przypadku, takie rozwiązanie jak zespoły kablowe 0897616791 MMCX są dobrym wyborem, ponieważ są dostępne w wersjach ze sprzężeniem niemagnetycznym, co zapewnia lepszą kompatybilność projektową.

Ograniczenia przestrzenne, zagrożenia środowiskowe i konserwacja

Jeśli chodzi o parametry fizyczne, często głównymi przeszkodami są ograniczenia przestrzeni i prowadzenia. Weźmy pod uwagę zastosowania w przemyśle obronnym, które znane są z wyjątkowo małej ilości miejsca na instalację komponentów. W tym przypadku praktycznym jest takie rozwiązanie, jak zespół kablowy 0897611760 SSMCX. Złącza SSMCX należą do najmniejszych na rynku i są dostępne w orientacji pionowej oraz pod kątem prostym, co pozwala na stosowanie ich w trudnych warunkach jeśli chodzi o przestrzeń i prowadzenie przewodów.

Podczas doboru zespołu projektanci muszą również wziąć pod uwagę minimalny promień gięcia. Ze względu na złożoną konstrukcję, kable RF są zwykle dość sztywne. W sytuacjach wymagających zgięć o małym promieniu, należy szukać takich rozwiązań, jak elastyczne zespoły mikrofalowe firmy Molex (ilustracja 4). Kable te zostały zaprojektowane z myślą o mniejszych statycznych promieniach zgięcia.

Ilustracja 4: przykładowe kable na częstotliwości radiowe (RF) o małym statycznym promieniu zgięcia. (Źródło ilustracji: Molex)

Problemem mogą być również ekstremalne temperatury, szczególnie w przypadku zastosowań zewnętrznych, np. w sektorze telekomunikacyjnym. Płaszcze termoplastyczne, powszechnie stosowane w zespołach kablowych na częstotliwości radiowe (RF), nie są odpowiednie do takich zastosowań. Zamiast tego potrzebne są trwalsze materiały. Na przykład wspomniane wcześniej elastyczne zespoły mikrofalowe posiadają płaszcz Temp-Flex wykonany z materiału fluoroetylenowo-propylenowego (FEP), który jest wytrzymałym materiałem podobnym do teflonu.

Szczególnie w zastosowaniach lotniczych, na konstrukcję negatywnie wpływać mogą drgania i wstrząsy. Aby zapewnić niezawodne działanie, stosowane zespoły kablowe RF muszą mieć wyjątkowo bezpieczne połączenia. Dobrym przykładem jest zespół kablowy 0732306110 firmy Molex, który wykorzystuje opatentowany przez firmę mechanizm blokujący złącza MHF (ilustracja 5).

Ilustracja 5: system złączy MHF firmy Molex wykorzystuje opatentowany mechanizm blokujący, który zapewnia bezpieczeństwo połączenia. (Źródło ilustracji: Molex)

Konserwację należy traktować jak część procesu projektowania. Ważne jest, aby przyjrzeć się średniemu czasowi między awariami (MTBF) zespołów kablowych i zastanowić się, jak zorganizować projekt pod kątem łatwości konserwacji i napraw z rozsądnym dostępem do tych podzespołów i połączeń, które mogą wymagać największej uwagi.

Projektanci powinni również rozważyć utworzenie harmonogramów przeglądów dotyczących typowej konserwacji oraz list kontrolnych dla użytkowników wskazujących na to, że zespół kablowy może wymagać naprawy lub wymiany, aby aktywnie radzić sobie z komplikacjami. Typowe czynności konserwacyjne obejmują sprawdzanie zespołów pod kątem zużycia, a także czyszczenie kabli i złączy w celu usunięcia zanieczyszczeń, które mogą wnikać do połączeń i pogarszać parametry działania.

Ważna jest również ocena producenta zespołu kablowego. Kryteria obejmują stosowne certyfikaty, doświadczenie w produkcji odpowiednich zespołów, wystarczającą liczbę opcji produktu, aby zapewnić elastyczność projektowania oraz procesy zapewnienia jakości w celu uniknięcia problemów z parametrami działania. Na przykład firma Molex jest wiodącym projektantem w dziedzinie technologii kabli i złączy, oferującym innowacje poparte ponad 8100 patentami i znakomitą reputacją w dziedzinie jakości i wsparcia technicznego, oferując m.in. narzędzie do tworzenia kabli niestandardowych.

Podsumowanie

Wybór odpowiedniego zespołu kablowego RF jest trudny, ponieważ wymaga zrozumienia i starannego rozważenia takich czynników, jak kompatybilność częstotliwości, ekranowanie, warunki środowiskowe, ograniczenia przestrzenne i konserwacja. Współpraca z doświadczonym producentem, który wnosi do branży wiedzę, sprawdzoną jakość i innowacje, może być kluczem do pokonania tych wyzwań, szczególnie dla inżynierów i projektantów, którzy dopiero zaczynają korzystać z częstotliwości radiowych. Taki partner może kierować procesem doboru, instalacji i konserwacji omawianych kabli, aby zapewnić niezawodne działanie urządzeń i systemów z najlepszymi możliwymi parametrami.