Ottimizzazione di progetti RF per il funzionamento in ambienti estremi

In un mondo sempre più dipendente dalla connettività wireless, i progettisti di sistemi per applicazioni come il GPS nautico, l'Industrial IoT, l'agricoltura intelligente e gli aeromobili a pilotaggio remoto hanno bisogno di componenti RF in grado di funzionare in modo affidabile in condizioni ambientali estreme. Le loro sfide includono vibrazioni, polvere, umidità, esposizione all'acqua o ad altri liquidi e nebbia salina. Sebbene il sistema debba essere progettato per resistere a queste condizioni difficili, una preoccupazione fondamentale è l'interconnessione RF, dove una connessione coassiale trasmette segnali RF tra i dispositivi o tra un dispositivo e un'antenna. I progettisti devono essere certi che i connettori e i cavi utilizzati siano adatti al compito, soddisfacendo al contempo i crescenti requisiti di prestazioni e densità di connessione.

Questo articolo illustra brevemente la sfida di progettare per ambienti estremi prima di introdurre gli adattatori, i connettori e i cavi assemblati RF di Amphenol RF. Mostra come questi componenti possano contribuire a proteggere da umidità, polvere, vibrazioni e corrosione, sigillando gli involucri e fornendo al contempo prestazioni RF superiori in connettori compatti adatti a involucri ad alta densità.

Ambienti estremi

Dalle fabbriche alle piattaforme petrolifere, l'Internet delle cose industriale (IIoT) è un esempio di applicazione che utilizza dispositivi RF in un ambiente che può includere alta umidità, vapore, spray liquidi, polvere o sostanze chimiche corrosive come l'acqua salata (Figura 1).

Figura 1: Schema concettuale di un sistema IIoT con sensori remoti wireless e cablati che comunicano con un gateway edge; sono utilizzati connettori RF. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

L'IIoT utilizza sensori intelligenti, attuatori, robot e dispositivi simili per migliorare i processi produttivi. Questi dispositivi sono connessi in rete e consentono di raccogliere, scambiare, analizzare e controllare i dati. La condivisione dei dati provenienti da più macchine e sistemi contribuisce a rendere i processi industriali più efficienti e affidabili.

Quando si progettano dispositivi del genere, è necessario considerare l'ambiente. Gli ambienti estremi richiedono che il dispositivo sia sigillato e che le porte siano resistenti alla corrosione e a prova di perdite. Gli involucri metallici richiedono antenne esterne. I connettori sono necessari anche per i sensori esterni al dispositivo e per le interconnessioni di segnale con altri dispositivi. I connettori coassiali per antenne o cavi di segnale devono essere sigillati con gli involucri che li ospitano e con guarnizioni per soddisfare questi requisiti di tolleranza di esposizione. Lo standard IEC 60529 utilizza i gradi di protezione dalle infiltrazioni (IP) per definire la protezione offerta da un determinato connettore. I gradi di protezione IP sono costituiti dalle lettere IP seguite da un numero a due cifre. La prima cifra indica il grado di protezione dall'ingresso di polvere e particelle solide. La seconda cifra indica il grado di protezione dalle infiltrazioni d'acqua. Le definizioni del grado di protezione IP variano da nessuna protezione alla protezione totale, con i numeri più alti che indicano una maggiore protezione (Figura 2).

Figura 2: Gradi di protezione contro l'infiltrazione di polvere e acqua secondo la norma IEC 60529. (Immagine per gentile concessione di Amphenol RF)

I connettori adatti all'esposizione ad ambienti estremi devono avere un grado di protezione IP pari a 67 o 68. Il grado di protezione IP67 indica una tenuta stagna alla polvere e una protezione dall'acqua, compresa l'immersione completa per 30 minuti fino a 1 metro di profondità.

Connettori coassiali con grado di protezione IP67

Amphenol RF offre un'ampia gamma di connettori coassiali SMA, BNC e TNC a tenuta di polvere e impermeabili, di grado IP. Il modello 901-10746-EE è un esempio di connettore SMA per cavo RG-58 destinato al montaggio passante, con grado di protezione IP67 (Figura 3).

Figura 3: Il connettore passante RF 901-10746-EE ha un grado di protezione IP67, ovvero è impermeabile, a tenuta di polvere e resistente alla corrosione dell'acqua salata. (Immagine per gentile concessione di Amphenol RF)

Le caratteristiche elettriche di questo connettore SMA femmina includono un'impedenza nominale di 50 Ω per il cavo coassiale RG-58. Funziona in un campo di frequenza da c.c. a 6 GHz con un rapporto massimo di onda stazionaria (ROS) in tensione di 1,30:1, che equivale a un'attenuazione di riflessione di -18 dB e ha un valore di perforazione del dielettrico di 1000 V rms. L'intervallo della temperatura di funzionamento si estende da -65 a +165 °C. Il processo di assemblaggio inizia con la saldatura del conduttore centrale al pin. Il pin e il cavo vengono inseriti nel connettore con la treccia sopra la zigrinatura. Il morsetto viene poi crimpato sulla treccia. La guarnizione ad anello toroidale sigilla il corpo del connettore al pannello di montaggio.

Il corpo del connettore è in ottone, il morsetto è in rame ed entrambi hanno una placcatura in lega di stagno-nichel resistente alla corrosione. La placcatura è conforme allo standard MIL-STD-202 metodo 101 in nebbia salina per una soluzione salina al 5% ripetuta per 720 ore. Dopo l'esposizione alla nebbia salina, viene verificata l'integrità della placcatura e vengono nuovamente testate le prestazioni RF del connettore, compresa la resistenza di contatto e l'attenuazione di riflessione.

Il contatto del conduttore centrale è in rame-berillio con placcatura in oro ed è inserito in un dielettrico in Teflon. Soddisfa i requisiti IP67 allo stato non accoppiato quando è assemblato con il cavo e il morsetto.

Il connettore è montato su un pannello con minuteria in acciaio inox e sigillato con una guarnizione in gomma siliconica per garantirne l'integrità fisica e la conformità IP67.

Il connettore SMA di accoppiamento è il modello 901-9876-RFX-EE di Amphenol RF. Questa spina SMA in linea, montata su cavo, ha la stessa composizione di materiale e placcatura del connettore passante e funziona nello stesso intervallo di temperatura. Si accoppia alla presa mediante una ghiera filettata sul corpo filettato della presa. Come il modello 901-10746-EE, la spina ha un grado di protezione IP67 ed è progettata per funzionare con cavi RG-58. Ha un campo di frequenze operative da c.c. a 12,4 GHz.

Questi connettori RF per ambienti estremi sono disponibili anche nei tipi BNC e TNC. Un connettore TNC è la versione filettata di un connettore BNC. I connettori filettati, se serrati alla coppia specificata, sono resistenti alle vibrazioni. Il modello 031-6501-EE (Figura 4, a sinistra) è un connettore TNC ad angolo retto che utilizza gli stessi materiali e soddisfa gli stessi standard IP67 e di resistenza alla corrosione dei connettori SMA. È classificato per il funzionamento in un intervallo di temperatura da -40 a +85 °C. Dal punto di vista elettrico, ha un'impedenza caratteristica di 50 Ω e un campo di frequenza operativa fino a 6 GHz. I connettori ad angolo retto eliminano la necessità di piegare i cavi, riducendo al minimo la possibilità di danneggiare il cavo coassiale e risparmiando spazio nei piccoli involucri utilizzati in sistemi IIoT e simili. Il modello 031-6501-EE può essere abbinato a un adattatore a presa passante, come il modello AD-TNCJTNCJ-EE (Figura 4, a destra).

Figura 4: La spina TNC 031-6501-EE ad angolo retto e l'adattatore a presa passante TNC AD-TNCJTNCJ-EE sono ideali in spazi angusti senza la necessità di piegare i cavi e fanno risparmiare spazio nei piccoli involucri IIoT. (Immagine per gentile concessione di Amphenol RF)

Il modello AD-TNCJTNCJ-EE ha un grado di protezione IP68, è resistente alla corrosione e ha un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -65 e +165 °C. La sua impedenza caratteristica è di 50 Ω e funziona fino a 18 GHz. La sua ROS in tensione è di 1,2:1 (equivalente a un'attenuazione di riflessione di -21 dB) per le frequenze tra 0 e 11 GHz e di 1,3:1 (equivalente a un'attenuazione di riflessione di -18 dB) per le frequenze tra 11 e 18 GHz. Gli adattatori a presa passante consentono di scollegare i cavi da un pannello di montaggio o da una porta, in modo da poterli rimuovere facilmente per la manutenzione.

I connettori BNC sono simili ai TNC, ma si differenziano principalmente per il meccanismo di bloccaggio. Un BNC è un connettore a connessione/disconnessione rapida che utilizza due baionette sul lato della presa che si innestano nelle fessure del gruppo spina, bloccandole con una rotazione di un quarto di giro. Offrono inoltre un grado di protezione IP67 e una resistenza alla corrosione in nebbia salina.

Il connettore BNC 031-6924-EE (Figura 5, a sinistra) ha un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 e +85 °C. L'impedenza caratteristica di 50 Ω è compatibile con il cavo RG-58. Ha una ROS in tensione di 1,30:1 (equivalente a un'attenuazione di riflessione di -18 dB) e un campo di frequenza compreso tra c.c. e 6 GHz.

La presa di accoppiamento AD-BNCJBNCJ-EE (Figura 5, a destra) è un adattatore passante presa-presa e anche un connettore da 50 Ω con una frequenza massima di 12 GHz. La sua ROS in tensione è di 1,30:1 (equivalente a un'attenuazione di riflessione di -18 dB) da c.c. a 4 GHz e inferiore a 1,45:1 (equivalente a un'attenuazione di riflessione di -15 dB) da 4 a 12 GHz. L'intervallo della temperatura di funzionamento si estende da -40 a +85 °C.

Figura 5: I componenti dei connettori BNC per ambienti estremi sono utilizzati per la connessione/disconnessione rapida. (Immagine per gentile concessione di Amphenol RF)

Conclusione

Nella progettazione di dispositivi wireless, i progettisti devono considerare i requisiti fisici ed elettrici dell'applicazione per garantire la funzionalità e la longevità del prodotto. I connettori coassiali RF utilizzati nei sistemi wireless hanno il compito principale di mantenere l'integrità del segnale indipendentemente dall'ambiente circostante. A tal fine, è essenziale scegliere connettori e adattatori altamente affidabili in grado di resistere alle vibrazioni, all'ingresso di liquidi, alla polvere e alla corrosione. I connettori di Amphenol RF per ambienti estremi sono ideali per progetti destinati a operare in ambienti severi.