Come ottimizzare la scelta e l'implementazione dei connettori RF per le applicazioni militari

I connettori e i cavi coassiali RF sono componenti comuni che svolgono un ruolo in gran parte invisibile ma estremamente critico nelle applicazioni militari. Il compito del gruppo è quello di trasmettere segnali RF fino a frequenze di decine di gigahertz (GHz) da un'antenna a un ricevitore. Il gruppo deve gestire e mantenere in modo affidabile l'integrità dei segnali RF sensibili ed essere sufficientemente robusto da resistere alla severità del campo di battaglia.

Ingegnere alla ricerca di un connettore RF ha centinaia di opzioni a disposizione e può essere tentato di scegliere il meno costoso partendo dal presupposto che i connettori RF sono più o meno uguali una volta che soddisfano alcuni requisiti di base. Sarebbe un errore. Molti connettori RF non rispettano specifiche ingegneristiche rigorose e il guasto di un componente mal progettato può mettere fuori uso un'apparecchiatura militare da milioni di euro in un momento critico. Per questo è fondamentale che i componenti selezionati siano realizzati secondo gli standard internazionali accettati.

Oltre alle proprietà meccaniche, come la durata, la resistenza all'umidità e alla polvere, e alle proprietà elettriche, come l'impedenza, l'intervallo di frequenza, il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione e la resistenza all'isolamento, altri fattori possono rendere il progetto più o meno efficace. Ad esempio, in alcune applicazioni militari, come le rotaie dei lanciarazzi, le superfici interne di componenti ottici e le applicazioni per armi leggere, la riflessione della luce da parte dei connettori standard in acciaio inossidabile può causare problemi operativi.

Rivolgersi a un produttore affidabile che dimostri che i suoi connettori RF sono prodotti secondo le specifiche e gli standard di prestazione militari pertinenti è un buon punto di partenza quando si cerca un connettore RF robusto e affidabile.

Questo articolo esamina i principali criteri di selezione elettrica e meccanica dei connettori coassiali RF per applicazioni militari. Fornisce esempi reali di Amphenol SV Microwave e ne discute l'applicazione. Particolare enfasi è data all'uso di una finitura di alta qualità, resistente e non riflettente per le applicazioni di nicchia che utilizzano connettori RF in cromo nero.

Cavi e connettori coassiali RF ad alte prestazioni

La chiave per garantire che i componenti RF siano all'altezza della severità delle applicazioni militari è acquistare componenti conformi alle relative specifiche di prestazione militare (MIL-PRF). Solo un gruppo selezionato di produttori può fornire connettori RF conformi. Un'azienda che fa al caso nostro è Amphenol SV Microwave. L'azienda offre oltre 400 connettori RF conformi a MIL-PRF M39012,

lo standard chiave per i connettori RF, che richiede test visivi, meccanici ed elettrici in diverse fasi di produzione per garantire la conformità. La specifica richiede inoltre che gli impianti e i processi di produzione soddisfino gli standard di qualità. I connettori e gli adattatori coassiali conformi a MIL-PRF-39012 sono adatti alle applicazioni militari (e ad altre applicazioni ad alta affidabilità), tra cui radar, apparecchiature di terra SATCOM e gruppi RF/microonde aerospaziali.

Un criterio chiave dei connettori MIL-PRF-39012 è che il pin centrale deve essere dorato a una profondità, con una qualità di adesione e una finitura standardizzate. La doratura dei contatti catturati assicura una perdita di inserzione minima e un buon contatto elettrico per lunghi periodi in ambienti difficili (Figura 1).

Figura 1: Un criterio chiave dei connettori MIL-PRF-39012 è che il pin centrale deve essere dorato a una profondità, con una qualità di adesione e una finitura standardizzate. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Considerazioni sulla progettazione dei cavi coassiali RF

Quando si progettano soluzioni coassiali RF per applicazioni militari, è importante considerare il cavo e il connettore come un sistema completo. Le prestazioni del sistema dipendono in larga misura dal perfetto funzionamento dei due componenti.

Un tipico cavo coassiale comprende un'anima di rame o in filo d'acciaio rivestito in rame. Il nucleo trasporta i segnali di ingresso/uscita ad alta frequenza da/verso le apparecchiature collegate. Un isolante dielettrico, spesso in materiale plastico, circonda l'anima. L'isolante ha uno spessore costante e garantisce che lo spazio tra l'anima e lo scudo metallico che circonda il dielettrico sia sempre costante. Questo è importante perché qualsiasi variazione di spessore provoca una variazione dell'impedenza con un conseguente impatto sull'integrità del segnale.

Lo scudo metallico è realizzato in rame, alluminio o altri metalli e avvolge strettamente l'isolante. Il suo compito è quello di schermare l'anima interna dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) esterne. Il gruppo viene poi rivestito con una guaina in gomma o plastica per isolare e proteggere i conduttori interni (Figura 2). I cavi per esterno necessitano di un isolamento supplementare e di guaine speciali per proteggere i fili dal sole e dall'umidità.

L'anima interna trasmette il segnale ad alta frequenza, mentre la schermatura funge esclusivamente da linea di ritorno. Tra i due conduttori esiste un campo elettromagnetico che non si estende oltre lo scudo. Ciò significa che il segnale RF che attraversa il cavo non influisce sulle apparecchiature elettriche ed elettroniche vicine.

Figura 2: Un cavo coassiale è composto da quattro parti: il conduttore interno, un dielettrico in materiale plastico, il conduttore di ritorno/scudo e il rivestimento esterno (nero) in gomma o plastica. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Dove l'isolante dielettrico tocca il conduttore centrale, assorbe parte dell'energia elettrica. Nel caso di lunghe tratte di cavo, l'attenuazione del segnale può essere significativa. I cavi ad alta efficienza utilizzano distanziali con un contatto minimo con il conduttore interno e formano un traferro costante tra il conduttore interno e quello esterno che funge da dielettrico efficiente.

L'importanza dell'impedenza

Nei sistemi RF ad alta frequenza, l'efficienza della trasmissione si basa sull'adattamento dell'impedenza dell'antenna a quella del trasmettitore o del ricevitore.

Una discrepanza significativa comporta una scarsa efficacia dell'antenna, perché interferisce con la potenza in avanti e crea un'onda di tensione stazionaria. Una misura comune di quanto l'impedenza sia equalizzata è il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione. Un ROS in tensione pari a 1 indica l'assenza di perdite di disadattamento dell'impedenza, mentre numeri più alti indicano perdite crescenti. Ad esempio, un ROS in tensione di 3,0 indica che il 25% circa della potenza del trasmettitore viene persa nel sistema d'antenna.

Il connettore e il cavo RF fanno parte dell'impedenza d'antenna, quindi è importante che il progettista conosca il valore dell'impedenza dei componenti per massimizzare l'efficienza del sistema RF. L'impedenza caratteristica di un cavo coassiale è proporzionale al rapporto tra il diametro esterno del conduttore interno e il diametro interno del conduttore esterno. La funzione principale dell'isolante dielettrico è quella di stabilire e mantenere questa separazione.

Nella maggior parte dei casi, i produttori di cavi forniscono cavi RF con impedenze di 50, 75 o 95 Ω, anche se sono disponibili altre impedenze. Oltre a un intervallo di impedenze fisse, i cavi sono forniti con diversi tipi di dielettrico, capacità, diametri esterni, caratteristiche di attenuazione e materiali di schermatura.

Le versioni sono generalmente classificate in due sistemi, LMR (il significato delle lettere è storico: ciò che è importante sapere è che questi cavi sono del tipo a bassa perdita) e radioguida (RG). Il tipo RG è offerto in un maggior numero di opzioni, ma non tutte soddisfano le specifiche militari. Un fornitore affidabile può assistervi nella scelta per le applicazioni militari.

Considerazioni sui connettori coassiali RF

Il connettore coassiale RF consente di fissare saldamente il cavo all'apparecchiatura radio. Indipendentemente dalla qualità del cavo, un connettore montato erroneamente compromette le prestazioni elettriche. Un accoppiamento meccanicamente sicuro ed elettricamente robusto tra cavo e connettore garantisce una buona integrità del segnale e un'impedenza costante, anche alle alte frequenze. Per garantire l'integrità è utile specificare il cavo e il connettore insieme e farli consegnare dal produttore come gruppo completo. Il produttore può garantire un collegamento di alta qualità e si occupa di testare l'integrità del gruppo prima di consegnarlo.

I connettori maschi polarizzati standard hanno filettature all'interno del guscio e un pin centrale, mentre i connettori femmina polarizzati standard hanno filettature all'interno del guscio e sono privi di pin centrale. Non è una buona pratica di progettazione unire i cavi accoppiando un connettore maschio e uno femmina, in quanto ciò aumenta la perdita di segnale intrinseca del cavo. È meglio specificare un cavo continuo per tratte lunghe, in modo da garantire una minore perdita di segnale e un'impedenza costante. Il modo corretto per collegare un connettore maschio a un altro maschio o una femmina a una femmina è un adattatore per cavi coassiali. Questa soluzione funziona, ma nelle applicazioni ad alte prestazioni è sconsigliata, perché aumenta la perdita di segnale.

Come i cavi, i connettori RF sono disponibili in vari tipi e con valori di impedenza fissi. Un esempio comune è la versione subminiaturizzata A (SMA). I connettori sono dotati di un robusto meccanismo di accoppiamento a vite, hanno un'impedenza standard di 50 Ω e sono progettati per l'uso da c.c. (0 Hz) a 18 GHz. Le applicazioni includono sistemi a microonde e radio portatili (Figura 3).

Figura 3: I connettori SMA offrono un collegamento a vite, un'impedenza di 50 Ω e possono gestire segnali RF fino a 18 GHz. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Un altro tipo comune è la versione subminiaturizzata B (SMB). Questi sono più piccoli degli SMA e presentano un accoppiamento a scatto. Sono disponibili con impedenze di 50 e 75 Ω e funzionano fino a 4 GHz. Meno robusti dei prodotti SMA, questi connettori non sono adatti agli ambienti difficili.

Altri tipi di connettori RF sono: tipo F, utilizzati per applicazioni quali modem via cavo e TV digitale terrestre; tipo N, utilizzati per applicazioni commerciali che utilizzano cavi spessi; FME, utilizzati per dispositivi di comunicazione cellulare; TNC, utilizzati per applicazioni cellulari all'aperto; UHF, per radio amatoriali e marine.

Il connettore RF collegato al cavo coassiale RF si avvita in genere a un connettore di tipo opposto collegato a una paratia o direttamente all'apparecchiatura che riceve o invia il segnale RF. Il tipo a paratia presenta filettature esterne su cui si innestano le filettature interne dei connettori per cavi (Figura 4). I produttori di connettori RF per cavi sono la miglior fonte di connettori da paratia, anche se la standardizzazione garantisce che i connettori dello stesso tipo da qualsiasi produttore funzionino in modo soddisfacente.

Figura 4: I connettori da paratia SMA hanno filettature esterne su cui si innestano le filettature interne dei connettori per cavi. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Opzioni di connettore RF non riflettente

I produttori più rinomati offrono una gamma di connettori diritti, angolati, maschi e femmine. Ma alcuni, come Amphenol SV Microwave, includono anche componenti speciali. Un'aggiunta fondamentale alla gamma dell'azienda è il connettore SMA RF non riflettente per applicazioni su cavo e su paratia.

Esistono molte applicazioni militari in cui la finitura standard in acciaio inox o ottone dei connettori RF industriali potrebbe causare problemi. Ad esempio, se utilizzati su armi di piccolo calibro, tali connettori RF potrebbero riflettere la luce naturale e rivelare la posizione di un combattente. Oppure i connettori RF utilizzati nell'ottica di un aereo o di un elicottero potrebbero generare artefatti luminosi che compromettono la precisione di un sistema di puntamento.

Per soddisfare la domanda di connettori RF non riflettenti, Amphenol ha introdotto un connettore per cavi SMA maschio cromato nero, 2911-61008 (Figura 5, a sinistra) e un connettore da paratia SMA femmina cromato nero, 2921-61689 (Figura 5, a destra). I prodotti hanno un'impedenza di 50 Ω e possono supportare segnali RF fino a 18 GHz con un massimo di 500 cicli di accoppiamento. Il contatto centrale è in rame-berillio dorato. I connettori RF sono destinati all'uso con il cavo coassiale semirigido RF RG-405 (2,16 mm), un tipo di cavo conforme alle specifiche militari e comune nelle applicazioni di difesa.

Figura 5: Il connettore maschio per cavi SMA (a sinistra) e il connettore femmina da paratia (a destra) con specifiche militari di Amphenol possono essere forniti con una placcatura in cromo nero non riflettente. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Il materiale del corpo dei connettori RF è l'acciaio inossidabile, a cui è stata applicata una placcatura in cromo nero conforme allo standard MIL-C-14538. La placcatura in cromo nero oggetto di questa specifica è unica nel settore militare ed è dura, aderente, termoresistente e assolutamente non riflettente. I connettori sono supportati da un cappuccio parapolvere SMA maschio non riflettente, il modello 2911-61009, da utilizzare con il connettore femmina da paratia quando il cavo è scollegato.

Conclusione

Le applicazioni militari sono soggette a polvere, grasso, calore e vibrazioni. I connettori e i cavi per queste applicazioni devono trasmettere segnali ad alta frequenza in modo affidabile per molti anni. Le varianti di questi connettori necessitano di rivestimenti non riflettenti che siano sufficientemente robusti e durevoli da resistere al calore e agli urti senza scheggiarsi o usurarsi.

I progettisti di applicazioni militari RF possono star sicuri che i loro progetti soddisfino i requisiti necessari rivolgendosi a fornitori come Amphenol SV Microwave, che offrono prodotti conformi alle specifiche e agli standard di prestazione militari.