Optymalizacja projektów na częstotliwości radiowe (RF) pod kątem pracy w ekstremalnych środowiskach

W świecie coraz bardziej zależnym od łączności bezprzewodowej, projektanci systemów do takich zastosowań, jak morska nawigacja GPS, przemysłowy Internet rzeczy (IIoT), agronomia inteligentna i bezzałogowe statki powietrzne, potrzebują komponentów na częstotliwości radiowe (RF), które mogą działać niezawodnie w ekstremalnych warunkach środowiskowych. Wyzwania, którym muszą stawić czoła, to między innymi drgania, pyły, wysoka wilgotność, narażenie na wodę lub inne płyny oraz mgłę solną. System musi być zaprojektowany tak, aby wytrzymać te trudne warunki, jednak kluczowym problemem jest połączenie na częstotliwości radiowe (RF), gdzie złącze koncentryczne przesyła sygnały RF między urządzeniami lub między urządzeniem i anteną. Projektanci muszą mieć pewność, że złącza i kable, których używają, są dobrze dobrane do zadania, a jednocześnie spełniają rosnące wymagania dotyczące parametrów działania i gęstości połączeń.

Artykuł omawia krótko wyzwanie projektowania pod kątem ekstremalnych warunków środowiskowych, a następnie przedstawia adaptery do częstotliwości radiowych (RF), złącza i zespoły kablowe firmy Amphenol RF. Artykuł wskazuje, w jaki sposób komponenty te mogą pomóc w ochronie przed wilgocią, pyłem, drganiami i korozją oraz w uszczelnieniu obudów, zapewniając jednocześnie doskonałe parametry działania na częstotliwościach radiowych (RF) w kompaktowych obudowach złączy odpowiednich do obudów o dużej gęstości.

Ekstremalne warunki środowiskowe

Od hal produkcyjnych po platformy wiertnicze, przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) jest przykładem zastosowania, które wykorzystuje częstotliwości radiowe (RF) w środowisku, w którym może występować wysoką wilgotność, para wodna, rozpylone lub rozpryskane ciecze, pyły lub żrące chemikalia, takie jak słona woda (ilustracja 1).

Ilustracja 1: schemat przedstawiający przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) ze zdalnymi bezprzewodowymi i przewodowymi czujnikami komunikującymi się z bramą brzegową. W całym systemie zastosowano złącza na częstotliwości radiowe (RF). (Źródło ilustracji: Art Pini)

Przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) wykorzystuje inteligentne czujniki, aktuatory, roboty i podobne urządzenia w celu usprawnienia procesów produkcyjnych. Urządzenia te są połączone w sieć, zapewniając gromadzenie, wymianę i analizę danych oraz sterowanie. Udostępnianie danych z wielu maszyn i systemów pomaga zwiększyć sprawność i niezawodność procesów przemysłowych.

Przy projektowaniu takich urządzeń należy wziąć pod uwagę warunki środowiskowe. Ekstremalne warunki wymagają szczelnego zamknięcia urządzenia, a wszelkie porty muszą być odporne na korozję i przeciekanie. Metalowe obudowy wymagają stosowania anten zewnętrznych. Złącza są również potrzebne dla zewnętrznych czujników urządzenia i połączeń sygnałowych z innymi urządzeniami. Złącza koncentryczne do anten lub kabli sygnałowych muszą zapewniać szczelne zamknięcie za pomocą ich obudów i uszczelek, aby spełniać wymagania dotyczące tolerancji na narażenia. Norma branżowa IEC 60529 wykorzystuje stopień ochrony IP do określenia poziomu ochrony, jaki zapewnia dane złącze. Stopień ochrony IP składa się z liter IP, po których następuje dwucyfrowa liczba. Pierwsza cyfra oznacza stopień ochrony przed wnikaniem pyłu i cząstek stałych. Druga cyfra oznacza stopień ochrony przed wnikaniem wody. Definicje stopnia ochrony IP wahają się od braku ochrony do pełnej ochrony, przy czym wyższe liczby oznaczają większą ochronę (ilustracja 2).

Ilustracja 2: stopień ochrony przed wnikaniem pyłu i wody zgodnie z normą IEC 60529. (Źródło ilustracji: Amphenol RF)

Złącza odpowiednie do pracy w ekstremalnych warunkach środowiskowych powinny mieć stopień ochrony IP67 lub IP68. Stopień ochrony IP67 oznacza pyłoszczelne uszczelnienie i ochronę przed wodą, w tym pełne zanurzenie przez 30 minut na głębokości do 1 metra.

Złącza koncentryczne o stopniu ochrony IP67

Amphenol RF oferuje szeroką gamę pyłoszczelnych i wodoszczelnych złączy koncentrycznych typu SMA, BNC i TNC, zgodnych ze stopniami ochrony IP. Model 901-10746-EE jest przykładem gniazda SMA dla kabla RG-58 przeznaczonego do montażu grodziowego i ma stopień ochrony IP67 (ilustracja 3).

Ilustracja 3: gniazdo grodziowe RF 901-10746-EE posiada stopień ochrony IP67, co oznacza, że jest wodoszczelne, pyłoszczelne i odporne na korozję powodowane przez słoną wodę. (Źródło ilustracji: Amphenol RF)

Charakterystyka elektryczna wspomnianego złącza żeńskiego SMA obejmuje impedancję nominalną 50Ω dla kabla koncentrycznego RG-58. Działa ono w zakresie częstotliwości roboczych od zera do 6GHz z maksymalnym napięciowym współczynnikiem fali stojącej (VSWR) wynoszącym 1,30:1, co odpowiada stratom odbiciowym na poziomie -18dB i ma znamionową wartość przebicia dielektrycznego wynoszącą 1000Vrms. Jego zakres temperatur roboczych wynosi od -65°C do +165°C. Proces montażu rozpoczyna się od przylutowania żyły środkowej do wtyku złącza. Wtyk i kabel wkłada się do złącza z plecionką nad radełkowaniem. Tulejka jest następnie zaciskana na plecionce. Pierścień okrągły uszczelnia korpus złącza na panelu montażowym.

Korpus złącza wykonany jest z mosiądzu, tulejka z miedzi, a oba elementy pokryte są odporną na korozję powłoką ze stopu niklu i cyny. Powłoka spełnia normę MIL-STD-202 metoda 101 dla mgły solnej dla 5% roztworu soli powtarzanego przez 720 godzin. Po narażeniu na działanie mgły solnej weryfikowana jest integralność powłoki, a parametry działania złącza RF, w tym rezystancja zestykowa i straty odbiciowe, są ponownie testowane.

Styk żyły środkowej jest wykonany z pozłacanej miedzi berylowej i jest osadzony w teflonowym dielektryku. Spełnia on wymagania IP67 w stanie niepołączonym, gdy jest zmontowany z kablem i tulejką.

Złącze jest montowane do panelu za pomocą elementów ze stali nierdzewnej i uszczelnione gumą silikonową, aby zagwarantować fizyczną integralność i zgodność z klasą IP67.

Pasuje do niego wtyczka SMA 901-9876-RFX-EE firmy Amphenol RF. Ta montowana na kablu wtyczka SMA ma taki sam skład materiałowy i powłokę jak gniazdo grodziowe i działa w tym samym zakresie temperatur roboczych. Łączy się z gniazdem za pomocą gwintowanej tulejki na gwintowanym korpusie gniazda. Podobnie jak model 901-10746-EE, wtyczka posiada stopień ochrony IP67 i jest przeznaczona do współpracy z kablami RG-58. Posiada zakres częstotliwości roboczych od zera do 12,4GHz.

Złącza RF przeznaczone do pracy w ekstremalnych warunkach środowiskowych są również dostępne w wersji BNC i TNC. Złącze TNC jest gwintowaną wersją złącza BNC. Po dokręceniu z określonym momentem obrotowym, złącza gwintowane są odporne na drgania. Wtyczka kątowa TNC 031-6501-EE (ilustracja 4, po lewej) wykorzystuje te same materiały i spełnia te same normy IP67 i odporności na korozję, co złącza SMA. Jest ona przystosowana do pracy w zakresie temperatur roboczych od -40°C do 85°C. Pod względem elektrycznym posiada impedancję charakterystyczną 50Ω i zakres częstotliwości roboczych do 6GHz. Złącza kątowe eliminują potrzebę zaginania kabla, minimalizując ryzyko uszkodzenia kabla koncentrycznego, a jednocześnie oszczędzając miejsce w małych obudowach stosowanych w rozwiązaniach przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i podobnych systemach. Model 031-6501-EE można połączyć z pasującym adapterem grodziowym, na przykład AD-TNCJTNCJ-EE (ilustracja 4, po prawej).

Ilustracja 4: kątowa wtyczka 031-6501-EE TNC i adapter grodziowy AD-TNCJTNCJ-EE TNC pozwalają na ciasne skręty bez zginania kabli, oszczędzając jednocześnie miejsce w kompaktowych obudowach używanych w zastosowaniach przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT). (Źródło ilustracji: Amphenol RF)

Adapter AD-TNCJTNCJ-EE posiada stopień ochrony IP68, jest odporny na korozję i posiada zakres temperatur roboczych od -65°C do +165°C. Jego impedancja charakterystyczna wynosi 50Ω, a pracuje on w zakresie częstotliwości do 18GHz. Napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) wynosi 1,2:1 (co odpowiada stratom odbiciowym na poziomie -21dB) dla częstotliwości od 0 do11GHz i 1,3:1 (co odpowiada stratom odbiciowym na poziomie -18dB) dla częstotliwości od 11 do 18GHz. Adaptery grodziowe umożliwiają odłączenie kabli od panelu montażowego lub drzwi, dzięki czemu można je łatwo zdemontować w celu serwisowania.

Złącza BNC przypominają złącza TNC, różniąc się przede wszystkim mechanizmem blokującym. Złącze BNC to szybkozłącze, które wykorzystuje dwa bagnetowe uchwyty po stronie gniazda, które łączą się ze szczelinami w zespole wtyczki, blokując je razem przez ćwierćobrót. Zapewniają one również stopień ochrony IP67 i odporność na korozję w przypadku mgły solnej.

Wtyczka BNC 031-6924-EE (ilustracja 5, po lewej) ma zakres temperatur roboczych od -40°C do +85°C. Jej impedancja charakterystyczna 50Ω jest kompatybilna z kablem RG-58. Charakteryzuje się ona napięciowym współczynnikiem fali stojącej (VSWR) na poziomie 1,30:1 (co odpowiada stratom odbiciowym na poziomie -18dB) i zakresem częstotliwości od zera do 6GHz.

Współpracujące złącze AD-BNCJBNCJ-EE (ilustracja 5, po prawej) to adapter grodziowy typu gniazdo-gniazdo, który jest również złączem 50Ω o maksymalnej częstotliwości 12GHz. Jego napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) wynosi 1,30:1 (co odpowiada stratom odbiciowym na poziomie -18dB) od zera do 4GHz i mniej niż 1,45:1 (co odpowiada stratom odbiciowym na poziomie -15dB) od 4 do 12GHz. Jego zakres temperatur roboczych wynosi od -40°C do +85°C.

Ilustracja 5: komponenty złączy BNC do ekstremalnych warunków środowiskowych przeznaczone są do szybkiego łączenia i rozłączania. (Źródło ilustracji: Amphenol RF)

Podsumowanie

Podczas projektowania urządzeń bezprzewodowych należy wziąć pod uwagę fizyczne i elektryczne wymagania zastosowań, aby zapewnić funkcjonalność i trwałość produktu. Złącza koncentryczne RF stosowane w systemach bezprzewodowych mają za zadanie przede wszystkim utrzymać integralność sygnału niezależnie od warunków otoczenia. Aby to osiągnąć, niezbędne jest wybranie złączy i adapterów o wysokiej klasie niezawodności, które są odporne na drgania, korozję oraz wnikanie cieczy i pyłów. Złącza firmy Amphenol RF są idealne do projektów przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach.