Forstå og velge koaksiale kontakter og kabelmoduler for GHz-området

Radiofrekvenskontakter (RF-kontakter) og deres ferdiglagde koaksiale kabelmoduler gir viktige signalbaner mellom kretskort, delsammensetninger og ramme. En egnet kontakt vil i minste fall tilby den minimum elektriske ytelsen og mekaniske robustheten som er påkrevd. RF-kontaktfamiliene som har blitt brukt i mange år, deriblant BNC-kontakten som er av bajonett-kontakttypen, er imidlertid ikke lenger tilstrekkelige på grunn av deres store fysiske størrelse og ytelsesbegrensninger.

For å imøtekomme de mange utfordringene i dagens konstruksjoner, kan konstruktører velge mellom mange bestemte typer som er tilgjengelige i flere større familier, der hver av disse tilbyr en kombinasjon av høyere båndbredde, mindre størrelse og bruk av tynnere koaksialkabler. Disse kontaktene er tilgjengelige i et bredt utvalg av kretskort-termineringstyper og kabel-termineringstyper som er kompatible med de mange klassene av fysiske installasjonsprioriteringer. Konstruktører må derfor først velge den egnede kontaktfamilien for å imøtekomme konstruksjonskravene, og deretter typen innenfor denne familien.

Denne artikkelen vil ta for seg fem mye brukte RF-kontaktfamilier i gigahertz-området (GHz). Den vil også ta for seg det nært beslektede spørsmålet om komplette kabelmoduler som termineres med den valgte kontakten, som bruker komponenter i de forskjellige familiene fra Würth Elektronik.

Grunnleggende om RF-kontakter

Det er viktig å avklare kontaktrelatert terminologi. En «kontakt» er metalltermineringen som kan kobles til og fra etter behov, mens «kabelen» er koaksialledningen som består av en indre kobberleder, et dielektrisk mellomlag, ytre skjerming og isolasjon som koblingen er festet til. En «kabelmodul» er kombinasjonen av en kabel med en kontakt i en eller begge ender. Begrepet «kabel» brukes imidlertid ofte i stedet for «kabelmodul» i uformelle samtaler, der den faktiske betydningen vanligvis kommer tydelig frem fra konteksten. Vi vil bruke disse begrepene i deres strenge betydning i denne artikkelen.

Selv om kontakter er passive komponenter som ikke gir noen signalbehandling eller -forbedring, er de viktige elementer i nesten alle produktkonstruksjoner. Den «ideelle» kontakten tilbyr svært viktige mekaniske egenskaper, for eksempel praktisk sammenkobling og frakobling, mekanisk og elektrisk integritet og den skal være elektrisk usynlig uten noen ohmsk (likestrøm) motstand eller RF-impedansdiskontinuiteter. Utfordringene med å konstruere, produsere og bruke kontakter øker i takt med driftsfrekvensen. Etter hvert som den påkrevde driftsfrekvensen beveger seg inn i RF-domenet, inn i og over gigahertz-området (GHz), blir den mekaniske konstruksjonen, etter tvingende behov, stadig mer nøyaktig, med mange kritiske ytelsesegenskaper og -parametere.

Klassiske kontakter som BNC (Bayonet Neil-Concelman), som tilbys i versjoner på 50 Ω og 75 Ω (sistnevnte for video og TV), har vært mye brukt siden 1950-tallet og er fortsatt i bruk i dag (figur 1). Denne låsekontakten har en hurtigkobling/-frakobling med en tredjedels vridning via et «bajonettsystem». Selv om frekvensresponsen formelt sett er klassifisert til 4 GHz, øker kontaktens tap til ofte uakseptable nivåer ved høyere frekvenser. Fysisk sett passer den ikke i dagens kompakte, tettpakkede konstruksjoner på grunn av den relativt store størrelse og den store minimums-bøyningsradiusen til en ferdiglaget kabelmodul.

Figur 1: BNC-kontakten omfatter en bajonettlås og har vært mye brukt siden den ble utviklet tidlig på 1950-tallet, men den er ikke elektrisk eller mekanisk kompatibel med mange av dagens høyfrekvente, plassbegrensede installasjoner. En hannkontakt brukes vanligvis med kabelmoduler (venstre); en hunnkontakt (høyre), for bruk på instrumentpaneler. (Bildekilde: Wikipedia; Pinterest)

Nyere familier for nye bruksområder

Mange bransjestandard-kontaktfamilier er tilgjengelige, og disse er mer effektive for høyfrekvente, mer kompakte installasjoner. Blant de mest populære er SMA-, SMB-, SMP-, MMX- og MMCX-familiene, der alle har en standard RF-impedans på 50 Ω. Hver av disse tilbyr en ulik kombinasjon av elektriske og mekaniske egenskaper. I motsetning til diameteren på BNC-kontakten, som er 17 mm, har disse kontaktene en mye mindre diameter på rundt 5 mm.

Denne artikkelen vil ta for seg ett enkelt kontaktelement i hver av disse familiene. Innenfor hver familie er det imidlertid mange elementer med nesten identiske elektriske spesifikasjoner, men med svært forskjellige mekaniske konfigurasjoner og arrangementer. Disse omfatter kretskortversjoner med en rettvinklet hoveddel eller en rett hoveddel, og med termineringer for overflatemontering, hullmontering eller inngangsende; bakmonterte typer for gjennomføring; og panelmonterte versjoner med loddebrønn, flat flik eller rund loddebolt. Det er også forskjellige arrangementer for sammenkobling av kontakter som festes på enden av kabelen, for eksempel rette og rettvinklede variasjoner.

Det er bra for konstruktører å ha såpass mange alternativer innenfor en gitt tilkoblingstype, fordi det øker sannsynligheten for at det finnes tilgjengelig hyllevare med et spesifikt format som er godt egnet til produktets konstruksjon og begrensninger. Dette betyr at det vil være små eller ingen endringer som kreves for produktets mekaniske konstruksjonsprioriteringer. Se nærmere på disse fem familiene:

•SMA: Koaksialkontakter i subminiatyr SMA-serien er konstruert med gjengeteknologi for å sikre høy mekanisk stabilitet ved intense vibrasjoner (figur 2). Kontaktens fastholdte senterkontakt og isolator øker aksialkraft og moment. Den tykke forgyllingen på senterkontakten bidrar til forbedret elektrisk ytelse og opptil 500 sammenkoblingssykluser.

Figur 2: Kontakter i subminiatyr SMA-serien bruker en gjengekobling til å gi økt mekanisk integritet ved intense vibrasjoner. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Et godt eksempel på denne kontakttypen er Würth Elektronik sin 60312242114510, en likestrøm til 10 GHz SMA-hunnkontakt (figur 3). Den er konstruert for bruk på kortkanter og orientert på inngangsende. Denne panelmonterte loddekontakten leveres også med en mutter og låseskive i front for å muliggjøre gjennomføringsfeste for å gi ekstra stivhet til sluttproduktet.

Figur 3: 60312242114510 likestrøm til 10 GHz SMA-hunnkontakten inkluderer en mutter og tilhørende låseskive i front for å gi ytterligere mekanisk integritet når den er montert gjennom et panel eller via gjennomføring (alle mål er i millimeter). (Bildekilde: Würth Elektronik)

Viktige RF-spesifikasjoner inkluderer ståbølgeforhold (VSWR – voltage standing wave ratio) under 1,2 og innsettingstap (IL – insertion loss) på mindre enn 0,14 desibel (dB) fra likestrøm til 12,4 GHz, med korresponderende VSWR- og IL-nummer på 1,4 og 0,2 dB fra 12,4 til 18 GHz.

•SMB: Kontakter i SMB-serien er konstruert for trykklåskobling med bredbåndskapasitet fra likestrøm til opptil 4 GHz. De er mindre enn kontakter i SMA-serien, så de egner seg dermed godt til kretsminiatyrisering. Blant de tilgjengelige SMB-kontaktene er kretskortkontakter for hullmontering og overflatemontering, samt kantkort og kabelkontakter for plugger og stikkontakter (figur 4).

Figur 4: SMB-kontakter er klikklås-enheter som er mindre enn SMA-kontaktene, og uten gjenger. De er også tilgjengelige i en rekke ulike konfigurasjoner. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Et eksempel på en SMB-kontakt er 61611002121501, en rettvinklet, gjennomhulls loddekontakt med hannpinner, med en VSWR på 1,5 og et innsettingstap på under 0,2 dB (figur 5). I likhet med SMA-enheten, er den også klassifisert for 500 tilkoblingssykluser.

Figur 5: 61611002121501 SMB-kontakten er en rettvinklet trykklås-enhet som er konstruert for hullmontert kortfeste og lodding, som er mindre enn SMA-enheten, men som har sammenlignbare spesifikasjoner. (Bildekilde: Würth Elektronik)

•SMP-serien: Disse miniatyrkontaktene med både glide- og klikklås-funksjoner kan brukes i konstruksjoner på opptil 40 GHz. De er tilgjengelige med tre grensesnitttyper: full «bulk» med maksimal fastholdelse og høy motstand mot vibrasjoner (100 sykluser); begrenset bulk med middels til lav fastholdelse (500 sykluser); og glatt hull (1000 sykluser) med lavest fastholdelse oppnådd ved hjelp av glidekontakter for modulære systemer og konstruksjoner (figur 6).

Figur 6: Kontakter i SMP-serien tilbyr en rekke klassifiseringer for fastholding, inkludert begrenset bulk for middels til lav fastholdelse (venstre) som er klassifisert for 500 sykluser; og glatt hull (høyre) med lavest fastholdelse, men klassifisert for dobbelt så mange sykluser. (Bildekilde: Würth Elektronik)

En av kontaktene i denne serien er 60114202122305, en overflatemontert kantkortkontakt med et forlenget loddebein for kretskort som har en maksimal tykkelse på opptil 1,2 mm (figur 7). Det er spesifisert med en VSWR på 1,5 og et innsettingstap på 0,42 dB fra likestrøm til 12 GHz.

Figur 7: 60114202122305 er en kantkortkontakt med glatt hull i SMP-serien som er klassifisert til 12 GHz. (Bildekilde: Würth Elektronik)

•MCX-serien: Kontakter i MCX-serien (MCX – Micro Coaxial) har en koblingsmekanisme med trykklås for å gi rask og praktisk tilkobling, og de er beregnet for drift fra likestrøm til 6 GHz (figur 8). Disse kontaktene er kompatible med IEC 61169-36, «Radiofrekvenskontakter – Del 36: Microminiatyr RF-kontakter med trykklåskobling – Karakteristisk impedans 50 Ω (type MCX)».

Figur 8: Kontakter i MCX-serien er en enda mindre kontakter i klikklås-familien som er kompatible med IEC 61169-36. (Bildekilde: Würth Elektronik)

60612202111308 er en overflatemontert kantinngangskontakt i MCX-serien, som er egnet for kort med en tykkelse på opptil 1,6 mm. Den har en VSWR på 1,3 og et innsettingstap på 0,25 dB over dette området, og den er klassifisert for 500 sykluser.

Figur 9: MCX-seriens 60612202111308 overflatemonterte kantinngangskontakt har et innsettingstap på bare 0,25 dB til 6 GHz. (Bildekilde: Würth Elektronik)

•MMCX-serien: Disse kontaktene er ca. 30 % mindre sammenlignet med MCX-kontaktene og er egnet for bruksområder med svært små konstruksjonskrav (figur 10). De har en koblingsmekanisme med trykklås som gir rask og enkel tilkobling, og de oppfyller IEC 61169-36.

Figur 10: Kontakter i MMCX-serien er ca. 30 % mindre enn de i MCX-serien, og de har sammenlignbar RF-ytelse. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Som et eksempel er 66046011210320 MMCX-pluggen en «frithengende» (på-linje) hannpinne-kontakt med klemforbindelse i MMCX-familien (figur 11). Denne 6 GHz-kontakten fungerer med koaksialkablene RG174, RG316 og RG188, og den har en VSWR på 1,3 og et innsettingstap på 0,3 dB.

Figur 11: 66046011210320 MMCX-pluggen er konstruert for å krympes på en kabel, for eksempel koaksialtypene RG174, RG316 og RG188. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Spesialkontakter og -adaptere fyller ut familiene

Med tanke på det brede spekteret av kontakter som er i bruk, er det uunngåelig at det vil være behov for adaptere som gjør det mulig å koble sammen én type familie med en annen type. Würth Elektronik tilbyr flere komplette adapterserier som støtter overganger fra én kontakttype og -kjønn til en annen, for eksempel fra SMA-plugger og -stikkontakter til den andre serien med plugger og stikkontakter (figur 12).

Figur 12: Her vises de mange tilgjengelige adapterne for SMA-plugger og -stikkontakter som gir effektiv overgang til forskjellige kontakttyper i SMB-, MCX- og MMCX-familiene. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Det er en annen spesiell kontakttype som kan forvirre konstruktører i begynnelsen: RP-kontakten, som har omvendt polaritet (RP – reverse polarity). Standard kontaktkonfigurasjon er å ha en senterkontakt med hannpinne i pluggen, og en tilsvarende hunnkontakt i stikkontakten. I USA krever imidlertid retningslinjene til Federal Communications Commission (FCC) omvendt kjønnspolaritet i noen unike tilfeller.

Situasjonen går flere tiår tilbake, til tiden da trådløse Wi-Fi-rutere for forbrukermarkedet ble introdusert. De ble konstruert for begrenset rekkevidde, så de hadde en liten antenne med en kontakt ved innfatningen som var skrudd direkte inn i Wi-Fi-enhetens antennetilkobling, noe som dermed gjorde at den ikke var mulig å flytte. FCC var imidlertid bekymret for at sluttbrukere ville forsøke å øke enhetens rekkevidde med tilleggsforsterkere og/eller eksterne antenner, noe som ville forårsaket forstyrrelser i Wi-Fi-båndet. «Løsningen» deres var å forsøke å hindre enkel tilkobling av slikt tilleggsutstyr ved å pålegge bruk av RP-kontakter på disse trådløse enhetene (som ofte brukte SMA-kontakter) for å gjøre dem inkompatible med standard tilleggsutstyr (figur 13).

Figur 13: RP SMA-plugger og -stikkontakter har motsatt kjønn på senterlederne sammenlignet med konvensjonelle SMA-kontakter; (fra venstre til høyre) standard SMA-hannkontakt, standard SMA-hunnkontakt, RP-SMA-hunnkontakt, RP-SMA-hannkontakt. (Bildekilde: Wikipedia)

I løpet av kort tid ble imidlertid kabelmoduler terminert med RP-kontaktpar allment tilgjengelige, og de var standard tilleggsutstyr for enheter som eksterne, flyttbare Wi-Fi-antenner (figur 14).

Figur 14: Denne eksterne Wi-Fi-antennen kan flyttes rundt for å finne en optimal plassering, og den er kompatibel med antennegrensesnittet på Wi-Fi-ruteren takket være RP-SMA-kontakten. (Bildekilde: Amazon)

Figur 15: Kontakter med omvendt polaritet (RP-kontakter) er tilgjengelige i et utvalg av kretskorttyper, samt i konfigurasjoner med kabelterminering. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Én tilgjengelig RP-SMA-kontakt er den panel- og hullmonterte 63012042124504 (figur 16). Denne kontakten har en VSWR på 1,2 fra likestrøm til 12,4 GHz, og 1,4 fra 12,4 til 18 GHz, mens innsettingstapet i disse to områdene er henholdsvis 0,14 dB og 0,2 dB.

Figur 16: 63012042124504 er en SMA-kontakt med omvendt polaritet som er konstruert for hullmontering og lodding. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Kabler og moduler fullfører tilkoblingene

Koblingene i seg selv er bare en del av RF-signalbanescenariet. Pluggene deres er vanligvis festet på standard koaksialkabler, for eksempel RG174, RG316 og RG188, for å nevne noen. Selv om alle er 50 Ω-kabler for RF-arbeid (75 Ω-kabler og -kontakter er tilgjengelige for videosystemer), varierer de når det kommer til frekvensområde, demping, diameter, dielektrisk type, faseegenskaper, effekthåndtering, minimum bøyningsradius, ekstern innkapsling og andre mekaniske og elektriske egenskaper (figur 17).

Figur 17: Konstruktører kan velge mellom et bredt spekter av koaksiale kabler på 50 Ω, som har mange ulike elektriske og mekaniske egenskaper. Her vises demping kontra frekvens – en viktig spesifikasjon – for noen vanlige standard koaksialkabler. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Konstruktører må også bestemme om de vil lage sine egne koaksialkabelmoduler eller kjøpe moduler som allerede er produsert – det klassiske «lage eller kjøpe»-spørsmålet. Det er mulig å terminere disse koaksialkablene med de valgte kontaktene etter behov – «lage»-alternativet – men å gjøre dette er en utfordring da det krever ferdighet, øvelse, tid, egnede krympeverktøy og andre verktøy i mange tilfeller.

Videre trenger disse ferdiglagde kabelmodulene mer enn bare en enkel kontinuitetstest, de må også sjekkes for RF-ytelsesfaktorer som båndbredde og flathet, impedans-diskontinuiteter, tap og faseforskyvning, for å nevne bare noen få faktorer. Disse elektriske testene tar tid og krever avansert måleutstyr, og modulene trenger mekanisk robusthet tilført via strekkavlastning.

Heldigvis er kabelmoduler tilgjengelige i mange lengder som standard, og lagerførte varer er tilgjengelig for de vanligste kabel- og kontakttypene. De leveres også i tilpassede lengder og kontaktpar med ganske korte leveringstider. Vurder for eksempel Würth 65503503530505, en 12 tommers / 305 mm kabelmodul med en rett SMA-hannplugg i hver ende, som bruker en RG-316-koaksialkabel (0,102 tommer / 2,59 mm utvendig diameter), med krympestrømpe over kontakt/kabel-knutepunktene for å gi strekkavlastning og robusthet (figur 18).

Figur 18: 65503503530505 er en standard koaksialkabelmodul på 305 mm (12 tommer) med RG-316-kabel med rette SMA-hannplugger i hver ende. Legg merke til strekkavlastningen mellom kontakt og kabel. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Databladet for denne kabelmodulen inkluderer omfattende mekaniske og materielle detaljer og dimensjoner, samt garanterte spesifikasjoner for VSWR (1,3) og innsettingstap (1,2 dB) fra likestrøm til 6 GHz. Det er også et skjema som viser demping kontra frekvens per 30,5 m (100 fot), slik at brukere raskt kan fastsette demping for denne eller en hvilken som helst valgt lengde kabelmodultype (Figur 19).

Figur 19: Her vises demping kontra frekvens for 65503503530505-kabelmodulen. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Det brede spekteret med leverandørleverte kabelmoduler er ikke begrenset til å ha samme kontakttype i hver ende, men kan i stedet også direkte adressere sammenkoblings- og overgangsproblemer. For eksempel er 65530260515303 en kort (6 tommer / 152 mm) kabelmodul som bruker RG-174-kabel med en RP-SMA-gjennomføring med hannkontakt i den ene enden og en rett MMCX-hannkontakt i den andre (figur 20).

Figur 20: Kabelmoduler kan også brukes som overganger mellom forskjellige kontaktfamilier. 65530260515303-modulen bruker for eksempel RG-174-kabel og har en RP-SMA-gjennomføring med hannkontakt i den ene enden og en rett MMCX-hannkontakt i den andre. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Det er én ting til man må være klar over med disse kontaktene og kabelmodulene: De er små og noen ganger vanskelige å håndtere når de gjengede delene strammes eller løsnes. Samtidig må de momentjusteres til en spesifisert verdi: Med for lite dreiemoment kan de ikke oppnå pålitelig kontakt, og med for mye kan gjengene bli belastet og deformert, noe som fører til at antall sykluser for sammenkobling/frakobling reduseres. Würth Elektronik tilbyr derfor 6006330101 WR-Tool, som er en liten momentnøkkel for alle WR-SMA-kontaktene (figur 21).

Figur 21: 6006330101 WR-Tool sikrer at SMA-kontaktens gjengede hoveddel er riktig og konsekvent momentjustert, noe som ofte er utfordrende med tanke på den lille størrelsen til SMA-hoveddelen. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Bruken av dette verktøyet sikrer at det påførte kontaktmomentet er på det spesifiserte nivået, noe som dermed sikrer riktig kontaktsammenkobling, maksimerer pålitelighet og gir konsekvent ytelse.

Konklusjon

Konstruktører av RF-kretser og -systemer med frekvenser som strekker seg inn i gigahertz-området har en rekke kontakter å velge mellom, og disse har forskjellige størrelser, hoveddeltyper, kjønnsalternativer og andre kritiske parametere. Ved å velge en kontakt med egnede elektriske og mekaniske spesifikasjoner og momentjustere den riktig, minimeres utfordringene med å sikre pålitelige, konsekvente signalbaner med lave tap mellom kretser, underkretser og systemer.