Slik optimaliserer du valg og implementering av RF-kontakter for militære konstruksjoner

RF-koaksialkontakter og -kabler er vanlige komponenter som utfører en stort sett usett, men svært viktig rolle i militære konstruksjoner. Jobben til sammensetningen er å sende RF-signaler – med frekvenser på opptil titalls gigahertz (GHz) – fra en antenne til en mottaker. Den må på en pålitelig måte håndtere og opprettholde integriteten til følsomme RF-signaler, samtidig som den er robust nok til å potensielt tåle den harde slagmarken.

Det finnes hundrevis av alternativer for teknikere som er ute etter en RF-kontakt, og det kan være fristende å velge de billigste, under forutsetning av at RF-kontaktene er mer eller mindre identiske og de oppfyller noen grunnleggende krav. Det ville være en tabbe. Mange RF-kontakter er ikke konstruert i henhold til krevende tekniske spesifikasjoner, så hvis det oppstår feil på en dårlig konstruert del, kan dette føre til at militær maskinvare til flere millioner dollar vil være ute av drift i et kritisk øyeblikk. Derfor er det viktig at de utvalgte komponentene er konstruert i henhold til aksepterte internasjonale standarder.

I tillegg til mekaniske egenskaper som holdbarhet, kan andre faktorer, slik som motstandsdyktighet mot fuktighet og støv, elektriske egenskaper som impedans, frekvensområde, ståbølgeforhold (VSWR) og isolasjonsmotstand, gjøre at konstruksjonen enten er vellykket eller mislykket. I visse militære konstruksjoner, for eksempel rakettkasterskinner, innvendige overflater på optiske deler og håndvåpenkonstruksjoner, kan lysrefleksjon fra standard rustfrie stålkontakter forårsake operative problemer.

Å bruke en anerkjent produsent som demonstrerer at RF-kontaktene er produsert i henhold til relevante militære ytelsesspesifikasjoner og standarder, er et godt sted å starte når du er ute etter en robust og pålitelig RF-kontakt.

Denne artikkelen tar for seg de viktigste elektriske og mekaniske kriteriene når RF-koaksialkontakter for militære konstruksjoner skal velges. Den gir eksempler fra den virkelige verden fra Amphenol SV Microwave, og tar for seg bruken av disse. Det legges særlig vekt på bruken av en slitesterk, ikke-reflekterende overflate av høy kvalitet for nisjekonstruksjoner ved å bruke RF-kontakter i svarte krom.

Høyytelses RF-koaksialkabler og -kontakter

Den viktigste faktoren for å sikre at RF-komponenter er i stand til å håndtere kravene til de militære konstruksjonene, er å kjøpe komponenter som er i samsvar med den relevante militære ytelsesspesifikasjonen (MIL-PRF – military performance specification). Bare en utvalgt gruppe produsenter kan levere RF-kontakter som er i samsvar. Ett firma som gjør dette, er Amphenol SV Microwave. Selskapet tilbyr over 400 RF-kontakter som er i samsvar med MIL-PRF M39012.

MIL-PRF-39012 er hovedstandarden for RF-kontakter. Standarden krever visuell, mekanisk og elektrisk testing på flere produksjonstrinn for å sikre samsvar. Spesifikasjonen krever også at produksjonsanlegg og -prosesser oppfyller kvalitetsstandarder. Koaksialkontakter og -adaptere som oppfyller MIL-PRF-39012 er godt egnet for militære konstruksjoner (og andre konstruksjoner med høy pålitelighet), inkludert radar, SATCOM-bakkeutstyr og RF/mikrobølge-enheter for romfart.

Et viktig kriterium for MIL-PRF-39012-kontakter er at senterpinnen må være gullbelagt til en standardisert dybde, heftkvalitet og overflate. Gullbelegget på de sikrede kontaktene sørger for minimum innsettingstap og god elektrisk kontakt over lange perioder i tøffe omgivelser (figur 1).

Figur 1: Et viktig kriterium for MIL-PRF-39012-kontakter er at senterpinnen må være gullbelagt til en standardisert dybde, heftkvalitet og finish. (Bildekilde: Amphenol)

Konstruksjonsfaktorer for RF-koaksialkabel

Når du utvikler RF-koaksialløsninger for militære konstruksjoner, er det viktig å se på kabelen og kontakten som et komplett system. Ytelsen til dette systemet avhenger veldig av at de to komponentene fungerer i perfekt harmoni.

En typisk koaksialkabel omfatter en kjerne av kobber eller kobberbelagt ståltråd. Kjernen fører høyfrekvente inngangs-/utgangssignaler til/fra det tilkoblede utstyret. En dielektrisk isolator, ofte laget av plast, omgir kjernen. Isolatoren har en konstant tykkelse og sikrer at mellomrommet mellom kjernen og metallskjermen som omgir det isolerende materialet holdes konstant. Dette er viktig fordi alle variasjoner i tykkelse forårsaker variasjon i impedans, noe som dermed medfører en innvirkning på signalintegriteten.

Metallskjermingen er laget av vevd kobber, aluminium eller andre metaller, og vikles tett rundt isolatoren. Jobben til denne er å skjerme den indre kjernen mot ekstern elektromagnetisk interferens (EMI). Sammenstillingen dekkes deretter i en gummi- eller plastkappe for å isolere og beskytte de indre lederne (figur 2). Kabler klassifisert for utendørsbruk trenger ekstra isolasjon og spesielle kapper for å beskytte ledningene mot sol og fuktighet.

Den indre kjernen sender det høyfrekvente signalet, mens skjermingen utelukkende fungerer som en returledning. Et elektromagnetisk felt eksisterer mellom de to lederne, men strekker seg ikke utenfor skjermingen. Dette betyr at RF-signalet som går gjennom kabelen ikke vil påvirke elektrisk og elektronisk utstyr i nærheten.

Figur 2: En koaksialkabel er laget av fire deler: Den indre lederen, en plastisolator (dielektrikum), returleder/-skjerming og den ytre (svarte) gummi- eller plastkappen. (Bildekilde: Amphenol)

I tilfeller der den dielektriske isolatoren berører senterlederen, absorberer den noe av den elektriske energien. Signaldempingen kan være betydelig for lange kabelløp. Høyeffektive kabler bruker avstandsstykker som har minimal kontakt med den indre lederen, og de danner en konsistent luftspalte mellom indre og ytre ledere som fungerer som en effektiv isolator (dielektrikum).

Viktigheten av impedans

I høyfrekvente RF-systemer er virkningsgraden til overføringen avhengig av å samsvare antennens impedans med senderens eller mottakerens impedans.

Betydelig uoverensstemmelse fører til dårlig antenneyteevne, fordi det forstyrrer effekten som strømmer fremover og skaper en stående spenningsbølge. Et vanlig mål for hvor godt impedansen er utjevnet, er ståbølgeforholdet (VSWR – voltage standing wave ratio). En VSWR på 1 betyr ingen impedanstap, mens høyere tall betyr økende tap. For eksempel betyr en VSWR på 3,0 at omtrent 25 prosent av sendereffekten går tapt i antennesystemet.

RF-kontakten og -kabelen utgjør en del av antenneimpedansen, så det er viktig at konstruktøren kjenner impedansverdien til komponentene for å maksimere virkningsgraden til RF-systemet. Den karakteristiske impedansen til en koaksialkabel er proporsjonal med forholdet mellom den ytre diameteren til den indre lederen og den indre diameteren til den ytre lederen. Hovedfunksjonen til den dielektriske isolatoren er å fastsette og opprettholde denne separasjonen.

I de fleste tilfeller leverer kabelprodusenter RF-kabler med impedanser på 50, 75 eller 95 ohm (Ω), men andre impedanser er også tilgjengelige. I tillegg til en rekke faste impedanser, leveres også kabler med forskjellige dielektriske typer, kapasitanser, utvendige diametre, dempingsegenskaper og skjermingsmaterialer.

Versjoner klassifiseres vanligvis under to systemer: LMR (betydningen av bokstavene er historisk – det viktigste å være klar over er at disse kablene er en type med lave tap) og radioguide (RG). RG-typen har et større antall alternativer, men ikke alle oppfyller militære spesifikasjoner. En anerkjent leverandør kan bistå med utvalget for militære konstruksjoner.

Faktorer for RF-koaksialkontakter

RF-koaksialkontakten gjør det mulig å koble kabelen til radioutstyret på en sikker måte. Uansett hvor god kabelen er, vil en dårlig montert kontakt undergrave den elektriske ytelsen. En mekanisk sikker og elektrisk robust sammenkobling mellom kabelen og kontakten, vil sikre god signalintegritet og konsekvent impedans, selv ved høye frekvenser. En måte å oppnå integritet på, er å spesifisere kabelen og kontakten sammen og få dem levert fra produsenten som en komplett sammenstilling. Produsenten er best utstyrt for å sikre tilkoblinger av høy kvalitet, og vil også teste enhetens integritet før levering.

Standard polariserte hannkontakter har gjenger på innsiden av skallet og en senterpinne, mens standard polariserte hunnkontakter har gjenger på innsiden av skallet og ingen senterpinne. Det er ikke god designpraksis å koble sammen kabler ved å parre en hannkontakt med en hunnkontakt, da dette vil øke kabelens iboende signaltap. Det er bedre praksis å spesifisere en kontinuerlig kabel for lange kabelløp, da dette vil sikre lavere signaltap og konsekvent impedans. Den riktige måten å koble en hannkontakt til en annen hannkontakt, eller en hunnkontakt til en hunnkontakt, er med en koaksialkabeladapter. Dette vil fungere, men det anbefales ikke i konstruksjoner med høye spesifikasjoner, da det også vil øke signaltapet.

I likhet med kablene, kommer RF-kontakter i ulike typer og med faste impedansverdier. Et vanlig eksempel er Subminiature Version A (SMA). Kontaktene har en robust sammenkoblingsmekanisme som kan skrus sammen, en standardimpedans på 50 Ω og er konstruert for bruk fra DC (likestrøm, 0 Hz) til 18 GHz. Bruksområder omfatter mikrobølgesystemer og håndholdte radioer (figur 3).

Figur 3: SMA-kontakter tilbyr skruetilkobling, 50 Ω impedans og evnen til å håndtere RF-signaler på opptil 18 GHz. (Bildekilde: Amphenol)

Et vanlig eksempel er Subminiature Version A (SMB). Disse er mindre enn SMA og har en sammenkobling med trykklås. De er tilgjengelige i impedanser på 50 og 75 Ω og fungerer ved opptil 4 GHz. Kontaktene er mindre robuste enn SMA-produkter, og de er ikke egnet for tøffe miljøer.

Andre typer RF-kontakter inkluderer: F-Type, som brukes for konstruksjoner som kabelmodemer og kabel-TV; N-Type, som brukes for kommersielle konstruksjoner med tykk kabel; FME, som brukes for mobilkommunikasjonsenheter; TNC, som brukes til utendørs mobilkonstruksjoner; og UHF, som brukes for amatør- og marinradio.

RF-kontakten som er festet til RF-koaksialkabelen skrus vanligvis inn i en kontakt av motsatt type festet til en gjennomføring, eller direkte til utstyret som mottar eller sender RF-signalet. Gjennomføringstypen har utvendige gjenger som de innvendige gjengene på kabelkontaktene binder seg til (figur 4). Produsenter som lager RF-kontakten er den beste kilden til gjennomføringskontakter, men standardisering sikrer at kontakter av samme type fra alle produsenter vil fungere godt sammen.

Figur 4: SMA-gjennomføringskontakter har utvendige gjenger som de innvendige gjengene på kabelkontaktene binder seg til. (Bildekilde: Amphenol)

Alternativer for ikke-reflekterende RF-kontakter

Ansette produsenter tilbyr et utvalg av rette og vinklede kontakter av hann- og hunntypen. Men noen, for eksempel Amphenol SV Microwave, inkluderer også spesialkomponenter i sortimentet sitt. Et viktig tillegg til selskapets sortiment er en ikke-reflekterende SMA RF-kontakt for både kabel- og gjennomføringsinstallasjoner.

Det er mange militære konstruksjoner der industrielle RF-kontakter med overflater av standard rustfritt stål eller messing kan forårsake problemer. Hvis de for eksempel brukes på håndvåpen, kan slike RF-kontakter reflektere naturlig lys og avsløre posisjonen til stridende. RF-kontakter som brukes i optikken til et luftfartøy eller helikopter, kan generere lysfenomener som undergraver nøyaktigheten til et målrettingssystem.

For å imøtekomme etterspørselen etter ikke-reflekterende RF-kontakter, har Amphenol introdusert en SMA-hannkontakt i svart krom, 2911-61008 (figur 5, venstre), og en tilhørende SMA-hunnkontakt i svart krom, 2921-61689 (figur 5, høyre). Produktene har en impedans på 50 Ω, og kan støtte RF-signaler på opptil 18 GHz og opptil 500 tilkoblingssykluser. Senterkontakten i hvert tilfelle er gullbelagt berylliumkobber. RF-kontaktene er konstruert for å brukes med RG-405 (0,2159 cm), halvstiv RF-koaksialkabel, en type som samsvarer med militære spesifikasjoner og er populær i forsvarskonstruksjoner.

Figur 5: Amphenols SMA hannkabelkontakt (venstre) og hunngjennomføringskontakt (høyre) med militær spesifikasjon kan leveres med en ikke-reflekterende svart kromplett. (Bildekilde: Amphenol)

RF-kontaktenes kapslingsmateriale er rustfritt stål, som har blitt påført en svart kromplett som oppfyller MIL-C-14538-standarden. Den svarte krompletten som dekkes av denne spesifikasjonen er unik for militæret, og den er hard, sammenhengende, varmebestandig og fullstendig ikke-reflekterende. Kontaktene støttes av en ikke-reflekterende SMA-hannstøvhette, 2911-61009, som kan brukes med hunngjennomføringskontakten når kabelen er frakoblet.

Konklusjon

Militære konstruksjoner er utsatt for støv, fett, varme og vibrasjoner. Det er forventet at kontakter og kabler til disse konstruksjonene kan overføre høyfrekvente signaler på en pålitelig måte i mange år. Varianter av disse kontaktene trenger ikke-reflekterende belegg som er tøffe og holdbare nok til å motstå varme og støt uten å oppleve avskalling eller slitasje.

Konstruktører av militære RF-konstruksjoner kan sikre at konstruksjonene oppfyller de nødvendige kravene ved å benytte leverandører, for eksempel Amphenol SV Microwave, som tilbyr produkter som er i samsvar med militære ytelsesspesifikasjoner og standarder.