Guida tecnica alla selezione e all'uso dei cavi RF

I cavi assemblati RF sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, da settori consolidati come l'aerospaziale e le comunicazioni, a casi d'uso più recenti come l'automotive, la lavorazione industriale e l'Internet delle cose (IoT). L'elenco delle applicazioni in continua espansione ha portato allo sviluppo di nuovi tipi di cavi RF, offrendo agli ingegneri ulteriori opportunità per ottimizzare i progetti dei sistemi RF.

Tuttavia, questa crescita sta complicando il processo di progettazione. Con un numero così elevato di prodotti sul mercato, è difficile identificare quello migliore per una particolare applicazione. Inoltre, l'uso del cablaggio RF in nuove applicazioni porta una tecnologia sconosciuta di fronte a un maggior numero di progettisti, installatori e manutentori. Oltre alle considerazioni sullo spazio e sull'ambiente, questi tecnici devono ora acquisire familiarità con la compatibilità di frequenza, l'adattamento di impedenza, il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione, l'accoppiamento magnetico e la schermatura.

Per garantire le prestazioni e l'affidabilità dei sistemi RF, gli ingegneri hanno bisogno di un approccio attento e di una chiara tabella di marcia delle opzioni e delle potenziali insidie che li attendono.

Partendo da una breve panoramica delle applicazioni RF, comprese le loro caratteristiche elettriche, la costruzione fisica e i casi d'uso tipici, questo articolo funge da guida al complesso compito di scegliere, installare e mantenere i cavi assemblati RF. Sono presentati esempi di Molex per illustrare i principali criteri di selezione e utilizzo.

L'espansione dei casi d'uso dei cavi RF

Le tecnologie RF sono presenti in molti settori, ognuno dei quali presenta sfide uniche. Le frequenze variano da centinaia di hertz a decine di gigahertz. Alcune applicazioni richiedono robustezza, altre hanno ingombri fisici estremamente limitanti. Per illustrare la varietà dei casi d'uso, si considerino queste applicazioni comuni:

• Aerospaziale e difesa: sistemi radar, canali di comunicazione e GPS
• Automotive e trasporti: sistemi di infotainment, navigazione e reti di comunicazione veicolare
• Telecomunicazioni e trasmissione: segnali video 8K su reti Wi-Fi, LTE e 5G
• Industriale: sensori IoT, linee di assemblaggio automatizzate e telemetria
• Medicale: sistemi di monitoraggio remoto dei pazienti, macchinari diagnostici avanzati e unità di chirurgia robotica.
• Test e misurazioni: misurazioni al banco, test sul campo e garanzia di qualità nelle configurazioni di produzione.

A causa del crescente utilizzo della radiofrequenza, un numero sempre maggiore di ingegneri e progettisti si cimenta con i circuiti ad alta frequenza, ma molti di loro non hanno esperienza con questa tecnologia. Di fronte a scadenze e budget ristretti, hanno bisogno di soluzioni che semplifichino il loro lavoro, garantendo al contempo l'affidabilità dei sistemi progettati.

È qui che entrano in gioco i cavi assemblati RF. Questi assiemi sono costituiti da connettori e cavi preassemblati che soddisfano i requisiti prestazionali specificati, riducendo al contempo lo sforzo di progettazione. L'utilizzo di cavi RF preconfezionati può far risparmiare tempo e costi durante la progettazione e la prototipazione e migliorare la qualità e l'efficienza della produzione.

Compatibilità di frequenza, adattamento di impedenza e ROS in tensione

La scelta del cavo assemblato appropriato richiede un'attenta considerazione di diversi fattori. In primo luogo, l'assieme deve essere in grado di gestire il campo di frequenza del segnale RF. Questo può variare da poche centinaia di hertz alla banda di frequenza super-alta (SHF) da 3 a 30 GHz o superiore (Figura 1).

Figura 1: I cavi RF sono disponibili in un'ampia varietà di stili e possono essere classificati, tra gli altri fattori, in base alle dimensioni del connettore e alla frequenza massima supportata. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Per ottenere le prestazioni desiderate, un cavo assemblato deve gestire il campo di frequenza appropriato senza perdite o distorsioni significative del segnale. Ad esempio, la Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) stabilisce requisiti rigorosi per la qualità del segnale nell'ambito delle linee guida 2082-1, che limitano la perdita a 40 dB a metà della frequenza di clock.

Un modo per soddisfare queste esigenze è rappresentato dai mini cavi assemblati RF BNC di Molex, che offrono prestazioni elevate in termini di attenuazione di riflessione a frequenze fino a 12 GHz. Queste prestazioni superano i requisiti per la trasmissione seriale di video televisivi ad alta definizione (HDTV) 8K, consentendo una futura espansione della larghezza di banda senza modifiche hardware.

L'adattamento di impedenza è un altro parametro fondamentale. I segnali RF sono suscettibili di interferenze da onde incidenti e riflesse causate da un disadattamento di impedenza lungo la linea del segnale. Per ridurre al minimo la perdita di segnale, il cavo assemblato deve avere la stessa impedenza del carico collegato, in genere 50 o 75 Ω. È buona norma progettare i connettori e i cavi insieme per ottenere l'abbinamento migliore.

Un esempio reale di questa pratica è l'assieme 0897629290 che accoppia i connettori BNC di Molex con un cavo 4794R di Belden per applicazioni di fascia alta a 75 Ω.

Per applicazioni particolarmente impegnative, come quelle di test e misurazione, può essere necessario considerare attentamente parametri aggiuntivi come ROS in tensione e perdita di inserzione. Il ROS in tensione è il rapporto tra un segnale incidente e il segnale riflesso che fornisce una misura dell'efficienza con cui i segnali RF vengono trasportati dalla sorgente al carico. La perdita di inserzione è la quantità di energia che un segnale perde mentre viaggia lungo un connettore e un cavo. La Figura 2 illustra alcuni esempi.

Figura 2: Esempi di ROS in tensione e perdita di inserzione per cavi di frequenza a microonde efficienti e a bassa perdita. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Schermatura, accoppiamento magnetico e altre considerazioni

La schermatura è un'altra considerazione importante. Qualsiasi cavo che trasporti segnali RF può agire da antenna e trasmettere o ricevere segnali, creando interferenze. Per ridurre al minimo queste interferenze, i cavi devono essere schermati con un involucro metallico collegato a terra (Figura 3).

Figura 3: Un tipico cavo schermato. Partendo dall'interno del cavo, si trovano il conduttore centrale, un materiale dielettrico che separa il nucleo dalla schermatura, una schermatura metallica intrecciata e la guaina del cavo. (Immagine per gentile concessione di Molex)

La scelta del materiale di schermatura è influenzata da una serie di fattori, tra cui i requisiti prestazionali, le condizioni ambientali e i vincoli di costo. Ad esempio, il rame è molto efficace per la maggior parte delle frequenze, ma è anche relativamente pesante e costoso, mentre l'alluminio è leggero e poco costoso, ma meno efficace e più soggetto alla corrosione.

Bisogna anche considerare la forma di schermatura. Le trecce metalliche, come quelle dell'assieme 0897616761 MCX con cavi RG-136, offrono un'eccellente resistenza meccanica e protezione fisica. Le schermature a lamina, invece, sono in genere realizzate in alluminio laminato su una pellicola di poliestere o polipropilene, per un'alternativa leggera, economica e flessibile. Esistono altri tipi, come quelli a spirale, a nastro e combinati, che variano in termini di percentuale di copertura della frequenza, flessibilità, durata, resistenza meccanica, costo e facilità di terminazione.

È possibile che si debbano considerare anche requisiti applicativi particolari. Ad esempio, le applicazioni medicali spesso coinvolgono sensori che possono essere influenzati dai campi magnetici. In questo caso, una soluzione come il cavo assemblato MMCX 0897616791 è una scelta valida, in quanto questi assiemi sono disponibili in versioni con accoppiamento non magnetico per una migliore compatibilità progettuale.

Vincoli di spazio, rischi ambientali e manutenzione

Quando si considerano i parametri fisici, i limiti di spazio e di instradamento sono spesso gli ostacoli principali. Si pensi alle applicazioni per la difesa, che sono notoriamente in spazi angusti. In questo caso, una soluzione come il cavo assemblato 0897611760 SSMCX è ideale. I connettori SSMCX sono tra i più piccoli sul mercato e sono disponibili con orientamento verticale e ad angolo retto per adattarsi ai vincoli di spazio e di instradamento.

I progettisti devono anche considerare il raggio di curvatura minimo quando scelgono un assieme. A causa della loro complessa costruzione, i cavi RF tendono ad essere piuttosto rigidi. Per le situazioni che richiedono curve strette, cercate soluzioni come i cavi assemblati per microonde flessibili di Molex (Figura 4). Questi cavi sono progettati specificamente per un raggio di curvatura statico ridotto.

Figura 4: Un campione di cavi RF con un piccolo raggio di curvatura statico. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Anche le temperature estreme possono essere un problema, in particolare per le applicazioni esterne come quelle del settore telco. Per queste applicazioni, le guaine termoplastiche comuni ai cavi assemblati RF non sono adatte, ma sono necessari materiali più resistenti. Ad esempio, gli assiemi per microonde flessibili menzionati in precedenza utilizzano il materiale Temp-Flex in etilpropilene fluorurato (FEP) come guaina, un materiale resistente simile al Teflon.

Le vibrazioni e gli urti possono compromettere il progetto, soprattutto in applicazioni come l'aviazione. Per garantire un funzionamento affidabile, i cavi assemblati RF utilizzati devono avere connessioni straordinariamente sicure. Un buon esempio è il cavo assemblato 0732306110 di Molex, che utilizza il meccanismo di bloccaggio dei connettori MHF brevettato dall'azienda (Figura 5).

Figura 5: Il sistema di connettori MHF di Molex utilizza un meccanismo di bloccaggio brevettato per garantire una connessione sicura. (Immagine per gentile concessione di Molex)

La manutenzione è una considerazione importante del processo di progettazione. È importante considerare il tempo medio tra guasti (MTBF) per i cavi assemblati e considerare come organizzare il progetto per facilitare la manutenzione e la riparazione con un accesso ragionevole ai sottoassiemi e alle connessioni che potrebbero richiedere maggiore attenzione.

I progettisti dovrebbero anche prendere in considerazione la creazione di programmi di ispezione per la normale manutenzione e di liste di controllo per gli utenti che segnalano la necessità di riparare o sostituire un cavo assemblato per gestire in modo proattivo le complicazioni. Le operazioni di manutenzione più comuni comprendono il controllo dell'usura degli assiemi e la pulizia dei cavi e dei connettori per rimuovere i contaminanti che potrebbero penetrare nelle connessioni e deteriorare le prestazioni.

Infine, è importante valutare il produttore dei cavi. I criteri includono certificazioni appropriate, esperienza nella produzione di assiemi rilevanti, opzioni di prodotto sufficienti per supportare la flessibilità del progetto e processi di garanzia della qualità per evitare problemi di prestazioni. Ad esempio, Molex è da sempre un leader nello sviluppo di tecnologie per cavi e connettori, con innovazioni supportate da oltre 8.100 brevetti e una solida reputazione per la qualità e l'assistenza tecnica, compreso uno strumento per la creazione di cavi personalizzati.

Conclusione

La scelta del giusto cavo assemblato RF è impegnativa in quanto richiede la comprensione e l'attenta considerazione di fattori quali la compatibilità di frequenza, la schermatura, le condizioni ambientali, i vincoli di spazio e la manutenzione. Come dimostrato, la collaborazione con un produttore esperto che apporta competenze, garanzia di qualità e innovazione può essere la chiave per affrontare queste sfide, in particolare per gli ingegneri e i progettisti alle prime armi con la radiofrequenza. Un partner di questo tipo può guidare nel processo di selezione, installazione e manutenzione di questi cavi per garantire dispositivi e sistemi funzionanti in modo affidabile e al massimo delle loro prestazioni.