Come selezionare, utilizzare e manutenere connettori coassiali per applicazioni RF

I circuiti a radiofrequenza (RF) proliferano nelle comunicazioni sia cablate che wireless, incluso Wi-Fi e varie tecnologie wireless utilizzate per Internet delle cose (IoT). Questi segnali ad alta frequenza devono essere distribuiti tra sistemi, componenti circuitali e sottoassiemi con perdita o radiazione spuria minima.

Anche se questo è tradizionalmente il ruolo dei cavi e dei connettori coassiali RF, i progettisti che tengono conto di tempo, costo e affidabilità devono scegliere rapidamente il connettore RF ottimale e applicarlo correttamente per ottenere le massime prestazioni e una lunga durata.

Questo articolo tratta di connettori RF dal punto di vista dei parametri critici come dimensioni, campo di frequenza, perdita e durata per aiutare i progettisti ad abbinarli alla loro applicazione RF. Proporrà inoltre soluzioni adeguate con informazioni utili su come applicarle e gestirle.

Connettori coassiali RF

I connettori e i cavi coassiali RF forniscono collegamenti RF nelle comunicazioni, nelle trasmissioni dei media e wireless, nonché per l'utilizzo di test e misurazioni. Forniscono percorsi a bassa perdita tra sistemi, componenti, sottoassiemi e dispositivi RF che utilizzano cavi coassiali o strip line. La struttura coassiale di base è costituita da un conduttore centrale circondato da uno strato dielettrico isolante concentrico. Questo, a sua volta, è racchiuso da un involucro conduttivo cilindrico. Le dimensioni dei cavi sono controllate con precisione per fornire una dimensione e una spaziatura del conduttore costanti, necessarie per il corretto funzionamento di una linea di trasmissione. I connettori RF forniscono giunzioni per l'unione di cavi coassiali e linee di trasmissione strip line ad altri componenti o sottoassiemi. Estendono la struttura coassiale aggiungendo conduttori di interblocco insieme a un meccanismo di blocco, il tutto mantenendo un'impedenza elettrica costante. Nella Figura 1 è mostrata una coppia di giunzione di connettori subminiaturizzati di tipo A (SMA) di Amphenol RF.

Figura 1: La coppia di connettori SMA è un esempio di connettore coassiale e l'immagine mostra il conduttore interno corrispondente, lo strato dielettrico e il conduttore esterno di bloccaggio. (Immagine per gentile concessione di Amphenol RF)

L'immagine a sinistra è la parte maschio (spina). L'immagine a destra mostra la femmina della coppia di connettori. In generale, la spina avrà un conduttore centrale sporgente e una filettatura di bloccaggio interna sul conduttore esterno. Il componente femmina ha un conduttore interno incassato e una filettatura di bloccaggio esterna. Va notato che alcuni tipi di connettori a "polarità inversa" avranno le filettature di bloccaggio invertite, con quelle esterne sul componente maschio e quelle interne sul componente femmina. Altri meccanismi di blocco possono comprendere il bloccaggio a rotazione, a baionetta o con anelli a chiusura a scatto.

La maggior parte dei connettori coassiali, come questa coppia di connettori SMA, hanno un "genere" e quindi strutture diverse su ciascuna metà. Ma esistono anche connettori che hanno strutture identiche su ciascun lato della giunzione. Questi sono per lo più connettori di alta precisione destinati ad applicazioni di laboratorio.

Tipi di connettori coassiali

Nella miriade di connettori RF, è possibile differenziare le varie tipologie tramite una serie di parametri chiave. Queste specifiche includono dimensioni fisiche, impedenza, ROS, tipo di accoppiamento, larghezza di banda o campo di frequenza (Tabella 1).

Tabella 1: Tabella riassuntiva delle specifiche dei connettori coassiali più diffusi. (Fonte dati: DigiKey)

Larghezza di banda del connettore

La specifica chiave per un connettore coassiale è la sua larghezza di banda. Questo parametro descrive la frequenza più alta a cui può essere utilizzato. La frequenza massima utilizzabile di un connettore dipende dal diametro del guscio esterno e dal materiale utilizzato come dielettrico. Più piccolo è il diametro del guscio, maggiore è la frequenza massima utilizzabile. Allo stesso modo, l'uso dell'aria come dielettrico offre caratteristiche di frequenza più elevate rispetto ad altri dielettrici. Quindi i connettori con larghezza di banda più elevata utilizzano l'aria come dielettrico.

Impedenza del connettore

Per garantire il massimo trasferimento di energia e ridurre le perdite dovute alla riflessione, l'impedenza caratteristica del connettore deve abbinarsi alla sorgente e al carico. La maggior parte dei connettori per applicazioni RF generiche è progettata con un'impedenza di 50 Ω mentre per applicazioni video sono disponibili connettori da 75 Ω.

ROS

Il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione è una misura dell'impedenza effettiva del connettore accoppiato. Più alto è il ROS, più potenza viene riflessa dal connettore a causa di mancate corrispondenze di impedenza. Notare che il ROS dipende dalla frequenza e che i suoi valori per il connettore devono essere confrontati solo alla stessa frequenza.

Meccanismo di accoppiamento

La colonna relativa all'accoppiamento elenca il tipo di meccanismo di blocco meccanico impiegato. Questa caratteristica è estremamente importante nelle applicazioni in cui il connettore è soggetto a vibrazioni. L'accoppiamento è normalmente un compromesso tra la facilità d'uso e una ritenuta sicura. La coppia di connettori SMA mostrata in precedenza nella Figura 1 è un esempio di accoppiamento filettato. Esempi di accoppiamento a baionetta e a innesto sono illustrati nella Figura 2, rispettivamente per il tipo di connettore BNC e SMP.

Figura 2: Esempi di accoppiamento a baionetta e a innesto Il metodo di accoppiamento è importante nelle applicazioni in cui sono previste vibrazioni ed è spesso un compromesso tra facilità d'uso e bloccaggio sicuro. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Dimensione del connettore e durata

Data la tendenza alla miniaturizzazione, le dimensioni giocano un ruolo importante nella selezione di un connettore. La Tabella 1 mostra le classi di dimensioni dei connettori elencati. Sussiste un compromesso tra dimensione e durata del connettore. I connettori più piccoli tendono a garantire meno cicli di connessione/disconnessione disponibili. Laddove il connettore N più grande può avere una durata superiore a 500 cicli di accoppiamento, la durata del connettore microminiaturizzato U.FL è limitata a 30 cicli. La durata di ogni connettore varia a seconda del produttore; se la durata è un parametro importante è necessario consultare le specifiche.

I connettori coassiali utilizzati in applicazioni come strumenti di test e misura, in cui sono tipici molti cicli di accoppiamento, sono generalmente protetti grazie a sistemi "salvaconnettore". Questi adattatori facilmente sostituibili si adattano ai connettori dello strumento e sono dotati di un corpo utilizzabile molte volte.

Classe del connettore e specifiche del settore

I connettori sono suddivisi in numerose classi diverse. Nella Tabella 1, connettori di precisione come quelli da 1 a 2,92 mm e N rientrano nella IEEE-STD-287. Questi connettori hanno tolleranze dimensionali più rigorose dettate dalle applicazioni tipiche ad ampia larghezza di banda. I connettori più diffusi rientrano in quelli specificati da MIL-STD-348 o da uno degli standard europei, come CECC 22220. Le tolleranze su questi connettori sono meno stringenti il che permette di risparmiare sui costi.

Compatibilità di accoppiamento

Nella classe del connettore è compresa anche la capacità di accoppiare connettori di varie famiglie. La Tabella 1 elenca un numero di possibili accoppiamenti di connettori intercambiabili. I connettori da 1,85 e 2,4 mm sono intercambiabili, così come i connettori da 2,92 e 3,5 mm. I corpi dei connettori maschio da 2,92 e 3,5 mm possono essere accoppiati con connettori femmina SMA ma a scapito della larghezza di banda complessiva. A causa della differenza nella loro classe di tolleranza, non è una buona pratica cercare di accoppiare un maschio SMA con un connettore femmina da 2,92 mm o 3,5 mm. Le tolleranze meccaniche maggiori degli SMA possono danneggiare i pin dei connettori di precisione.

Potenza nominale dei connettori

I produttori non specificano la dissipazione di potenza dei loro connettori poiché tale valore dipende molto dall'applicazione. Varia in base alla frequenza, al ROS del sistema, alla temperatura, all'altitudine e alle impedenze di carico. In generale, la gestione della potenza varia direttamente con le dimensioni del connettore e la capacità di dissipazione del calore. La massima dissipazione di potenza diminuisce all'aumentare della frequenza.

Il connettore con la migliore capacità di gestione della potenza è il connettore N, che è in grado di supportare 300 e 400 W. Seguono in questa classifica i connettori BNC e SMA. I connettori di precisione sono limitati ad alcune decine di watt. Anche in questo caso, se è richiesto un funzionamento ad alta potenza, è importante contattare il produttore per ottenere specifiche di dissipazione della potenza più precise.

Uso del connettore

Prima di utilizzare un connettore, è importante ispezionarlo per rilevare danni quali particelle metalliche, conduttori centrali piegati o gusci esterni schiacciati o deformati (Figura 3). Eventuali danni devono essere riparati o occorre procedere alla sostituzione del connettore danneggiato. I connettori devono essere puliti, senza sporcizia accumulata o altri contaminanti. I corpi dei connettori devono accoppiarsi agevolmente senza inceppamenti. Non forzare l'accoppiamento del connettore; se si verifica un problema, ricontrollarlo per determinare la causa.

Quando si accoppia un connettore filettato, ruotare solo il guscio esterno e non il corpo o il cavo del connettore. La rotazione del corpo del connettore può danneggiare i conduttori centrali. Una volta serrata a mano la ghiera esterna, utilizzare una chiave dinamometrica calibrata per raggiungere la coppia di bloccaggio specificata secondo le istruzioni del produttore.

Figura 3: (a sinistra) Un esempio di connettore SMA con sporcizia e depositi di metallo accumulati sul dielettrico; (a destra) lo stesso connettore dopo essere stato pulito con un tampone di cotone e alcol isopropilico. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Manutenzione del connettore

I connettori devono essere tenuti puliti. Il modo migliore per assicurarne la pulizia è utilizzare i cappucci protettivi quando non sono in uso. Se un connettore è contaminato da sporcizia, deve essere pulito. I connettori con dielettrici solidi possono essere puliti con un tampone di cotone privo di lanugine imbevuto di alcol isopropilico. Fare attenzione a non piegare i pin del conduttore centrale. È buona norma pulire anche le filettature, sia interne che esterne (sui connettori filettati). Non utilizzare un tampone su connettori che utilizzano un dielettrico di aria, poiché gli alveoli dielettrici che trattengono gli elementi in posizione possono essere danneggiati dai solventi. Possono essere puliti usando aria compressa asciutta.

Scelta dei connettori coassiali

La scelta di un connettore coassiale inizia con l'ampiezza di banda richiesta per gestire i segnali utilizzati, quindi seguono considerazioni sulla dimensione e sulla configurazione meccanica (spina, presa, saldatura, montaggio a pannello, ecc.). Ad esempio, prendiamo un connettore di uscita per un generatore di segnale a 1 GHz. Poiché questa è una sorgente di segnale di test e misura, il connettore BNC è una scelta tipica. La larghezza di banda del BNC è superiore a 1 GHz ed è disponibile come presa a pannello. Il connettore BNC RF di Amphenol, modello 31-221-RFX, è una buona scelta.

Quando si seleziona un connettore per un segnale di frequenza superiore a 10 GHz, prendere in considerazione un connettore SMA come SF2950-6062 o un connettore di precisione da 2,92 mm come SF1521-60013 di Amphenol SV Microwave. Questa scelta potrebbe essere dettata dal compromesso tra larghezza di banda e costo. Il connettore da 2,9 mm ha una larghezza di banda doppia rispetto a uno SMA, ma il vantaggio della larghezza di banda è quasi triplo rispetto al costo.

Se la dimensione è un requisito importante, tenere conto della durata del connettore. Ad esempio, il modello MMCX 0734152063 di Molex LLC è garantito per 500 cicli di accoppiamento. U.FL-R-SMT(10) di Hirose Electric Co. è più piccolo, ma supporta solo 30 cicli di accoppiamento. Anche i costi potrebbero essere molto diversi.

Conclusione

Questo articolo ha esaminato vari tipi di connettori coassiali RF con le loro principali caratteristiche. Rappresenta un buon punto di partenza per i progettisti nella scelta di un connettore adatto per il loro progetto. Come detto, un'attenta analisi dei requisiti tecnici è importante per scegliere un connettore coassiale RF apparentemente semplice. Si consiglia anche di consultare le schede tecniche del fornitore per avere informazioni più dettagliate.