Ingeniørens vejledning til valg og brug af RF-kabelsamlinger

RF-kabelsamlinger bruges i en lang række anvendelser, fra veletablerede domæner som luft- og rumfart og kommunikation til nyere brugsscenarier som bilindustrien, industri og Internet of Things (IoT). Denne voksende liste over anvendelser har ført til udviklingen af nye typer RF-kabelsamlinger, hvilket giver ingeniører yderligere muligheder for at optimere deres RF-systemdesign.

Men al denne vækst komplicerer designprocessen. Med så mange samlinger på markedet er det svært at identificere det bedste valg til en bestemt anvendelse. Brugen af RF-kabler i nye anvendelser betyder også, at flere designere, installatører og vedligeholdelsesteknikere får kendskab til ukendt teknologi. Sammen med plads- og miljøhensyn skal disse grupper nu blive fortrolige med frekvenskompatibilitet, impedanstilpasning, standbølgeforhold (voltage standing wave ratio/VSWR), magnetisk kobling og afskærmning.

For at sikre RF-systemers ydeevne og pålidelighed har ingeniører brug for en opmærksom tilgang og en klar køreplan over de muligheder og potentielle faldgruber, der venter dem.

Denne artikel begynder med en kort oversigt over RF-anvendelser, herunder deres elektriske egenskaber, fysiske konstruktion og typiske brugsscenarier, og fungerer som en guide til den komplekse opgave med at vælge, installere og vedligeholde RF-kabelsamlinger. Eksempler fra Molex introduceres for at illustrere vigtige valg- og brugskriterier.

De voksende anvendelsesmuligheder for RF-kabelsamlinger

RF-teknologier spænder over en lang række sektorer, hver med sine unikke udfordringer. Frekvenserne spænder fra hundredvis af hertz (Hz) til snesevis af gigahertz (GHz). Nogle anvendelser kræver robustgørelse. Andre har ekstremt begrænsede fysiske fodaftryk. For at illustrere mangfoldigheden af brugsscenarier kan du se på disse almindelige anvendelser:

• Luft- og rumfart og forsvar: radarsystemer, kommunikationskanaler og GPS
• Bilindustri og transport: infotainmentsystemer, navigation og kommunikationsnetværk til køretøjer
• Telekommunikation og udsendelse: 8K-videosignaler via Wi-Fi, LTE og 5G-netværk
• Industriel: IoT-sensorer, automatiserede samlebånd og telemetri
• Medicinalindustri: systemer til fjernovervågning af patienter, avancerede diagnostiske maskiner og robotkirurgiske enheder
• Test og måling: referencemålinger, felttests og kvalitetssikring i produktionsopsætninger

På grund af den stigende brug af RF beskæftiger flere ingeniører og designere sig med højfrekvente kredsløb, mange uden en baggrund i denne teknologi. Med stramme deadlines og budgetter har de brug for løsninger, der forenkler deres opgaver og samtidig sikrer, at deres systemer fungerer pålideligt.

Det er her, RF-kabelsamlinger kommer ind i billedet. Disse samlinger består af formonterede stik og kabler, der opfylder de specificerede krav til ydeevne og samtidig reducerer ingeniørarbejdet. Brugen af præfabrikerede RF-kabelsamlinger kan spare tid og omkostninger under design og prototyping og forbedre kvaliteten og effektiviteten af produktionen.

Frekvenskompatibilitet, impedanstilpasning og VSWR

At vælge den rette kabelsamling kræver nøje overvejelse af flere faktorer. For det første skal kabelsamlingen kunne rumme RF-signalets frekvensområde. Disse kan variere fra nogle få hundrede hertz til super-høj frekvensbåndet (SHF) på 3 til 30 GHz eller højere (figur 1).

Figur 1: RF-kabelsamlinger findes i en lang række forskellige designs, som blandt andet kan kategoriseres efter størrelsen på stikket og deres maksimale understøttede frekvens. (Billedkilde: Molex)

For at opnå den ønskede ydelse skal en kabelsamling kunne håndtere det relevante frekvensområde uden væsentligt signaltab eller forvrængning. For eksempel stiller film- og tv-ingeniørernes sammenslutning, Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) strenge krav til signalkvaliteten i deres 2082-1-retningslinjer, som begrænser tabet til 40 decibel (dB) ved halvdelen af clock-frekvensen.

En måde at opfylde disse krav på er med Molex' BNC-Mini-RF-kabelsamlinger, som leverer høj ydelse med hensyn til returtab ved frekvenser på op til 12 GHz. Denne ydeevne overgår kravene til seriel transmission af 8K HDTV-video (High Definition TV), hvilket giver mulighed for fremtidig udvidelse af båndbredden uden hardwareændringer.

Impedanstilpasning er en anden vigtig parameter. RF-signaler er modtagelige for interferens fra indkommende og reflekterede bølger, forårsaget af en impedans-mistilpasning langs signallinjen. For at minimere signaltab bør kabelsamlingen have samme impedans som den tilsluttede belastning, typisk enten 50 eller 75 ohm (Ω). Det er god praksis at designe stik og kabler sammen for at opnå det bedste match.

Et eksempel fra den virkelige verden på denne praksis er kabelsamlingen 0897629290, der parrer Molex BNC-stik med et Belden 4794R-kabel til high-end 75 Ω-anvendelser.

Til særligt krævende anvendelser som test og måling kan det være nødvendigt nøje at overveje yderligere parametre som VSWR og indsættelsestab. VSWR er forholdet mellem et indkommende signal og det reflekterede signal, der giver et mål for, hvor effektivt RF-signaler transporteres fra kilde til belastning. Indsættelsestab er den mængde energi, som et signal mister, når det bevæger sig langs et stik og et kabel. Figur 2 viser nogle eksempler på hver af dem.

Figur 2: Her ses eksempler på VSWR- og indsættelsestabstal for effektive lavtabskabler til mikrobølgefrekvenser. (Billedkilde: Molex)

Afskærmning, magnetisk kobling og andre overvejelser

Afskærmning er en anden vigtig faktor. Ethvert kabel, der bærer RF-signaler, kan fungere som en antenne og udsende eller modtage signaler, hvilket skaber interferens. For at minimere denne interferens skal kablerne være afskærmet af et jordet metalhus (figur 3).

Figur 3: Her ses et typisk skærmet kabel. Fra indersiden af kablet er der kernelederen, et dielektrisk materiale, der adskiller kernen fra skærmen, en vævet metalskærm og kabelkappen. (Billedkilde: Molex)

Valget af afskærmningsmateriale påvirkes af en række faktorer, herunder krav til ydeevne, miljøforhold og budgetbegrænsninger. For eksempel er kobber meget effektivt på de fleste frekvenser, men også relativt tungt og dyrt, mens aluminium er let og billigt, men mindre effektivt og mere udsat for korrosion.

Der er også en form for afskærmning, man skal overveje. Metalliske fletninger som dem på 0897616761 MCX-kabelsamlingen med RG-136-kabler giver fremragende mekaniske styrke og fysiske beskyttelse. I modsætning hertil er folieafskærmninger typisk lavet af aluminium lamineret til en polyester- eller polypropylenfilm, hvilket giver et let, billigt og fleksibelt alternativ. Der er andre typer, såsom spiral, tape og kombinationer, som varierer med hensyn til procentdel af frekvensdækning, fleksibilitet, levetid, mekanisk styrke, pris og nem terminering.

Der kan også være unikke anvendelseskrav, der skal overvejes. For eksempel involverer medicinske anvendelser ofte sensorer, der kan blive påvirket af magnetfelter. Her er en løsning som 0897616791 MMCX-kabelsamlingen et godt valg, da disse samlinger fås i udgaver uden magnetiske kobling for bedre designkompatibilitet.

Pladsbegrænsninger, miljøfarer og vedligeholdelse

Når man overvejer fysiske parametre, er begrænsninger i plads og ruteføring ofte de største forhindringer. Tænk på forsvarsanvendelser, som er notorisk trange. Her er en løsning som 0897611760 SSMCX-kabelsamlingen praktisk. SSMCX-stik er nogle af de mindste på markedet og fås med lodrette og retvinklede orienteringer for at imødekomme udfordrende plads- og routingbegrænsninger.

Designere skal også overveje den mindste bøjningsradius, når de vælger en kabelsamling. På grund af deres komplekse konstruktion har RF-kabler tendens til at være ret stive. I situationer, der kræver snævre sving, kan du kigge efter løsninger som fleksible mikrobølgesamlingerne fra Molex (figur 4). Disse kabler er specielt designet til en mindre statisk bøjningsradius.

Figur 4: Her ses et udsnit af RF-kabler med en lille statisk bøjningsradius. (Billedkilde: Molex)

Ekstreme temperaturer kan også være et problem, især for udendørs anvendelser som dem i telekommunikationssektoren. Til sådanne anvendelser er de termoplastiske kapper, der er almindelige på RF-kabelsamlinger, ikke egnede. I stedet er der behov for mere holdbare materialer. For eksempel bruger de fleksible mikrobølgesamlinger, der er nævnt tidligere, Temp-Flex fluoreret ethylenpropylen (FEP)-materiale til kappen, som er et hårdt materiale, der ligner teflon.

Vibrationer og stød kan kompromittere et design, især i anvendelser som luftfart. For at sikre pålidelig drift skal de anvendte RF-kabelsamlinger have ekstraordinært sikre forbindelser. Et godt eksempel er Molex' 0732306110 kabelsamling, som bruger virksomhedens patenterede MHF-stiklåsemekanisme (figur 5).

Figur 5: MHF-stiksystemet fra Molex bruger en patenteret låsemekanisme til at sikre en sikker forbindelse. (Billedkilde: Molex)

Vedligeholdelse skal tænkes ind som en del af designprocessen. Det er vigtigt at se på den middeltid mellem fejl (mean time between failures/MTBF) for kabelsamlinger og overveje, hvordan man arrangerer et design, der gør det nemt at vedligeholde og reparere med rimelig adgang til de underenheder og forbindelser, der måske har mest brug for vedligehold.

Designere bør også overveje at lave inspektionsskemaer for normal vedligeholdelse og brugertjeklister for tegn på, at en kabelsamling måske skal repareres eller udskiftes for proaktivt at håndtere komplikationer. Almindelige vedligeholdelsestrin omfatter kontrol af samlinger for slitage samt rengøring af kabler og stik for at fjerne forurenende stoffer, der kan trænge ind i forbindelserne og forringe ydeevnen.

Endelig er det vigtigt at vurdere producenten af kabelsamlingen. Kriterierne inkluderer passende certificeringer, erfaring med at producere de relevante samlinger, tilstrækkelige produktmuligheder til at understøtte designfleksibilitet og kvalitetssikringsprocesser for at undgå problemer med ydeevnen. For eksempel har Molex været en førende udvikler af kabel- og konnektorteknologier med innovation understøttet af mere end 8.100 patenter og et stærkt omdømme for kvalitet og teknisk support, herunder et værktøj til brugerdefinerede kabler.

Konklusion

Det er en udfordring at vælge den rigtige RF-kabelsamling, da det kræver en forståelse og omhyggelig overvejelse af faktorer som frekvenskompatibilitet, afskærmning, miljøforhold, pladsbegrænsninger og vedligeholdelse. Som vist, kan samarbejde med en erfaren producent, der bringer ekspertise, kvalitetssikring og innovation til bordet, være nøglen til at navigere i disse udfordringer, især for ingeniører og designere, der er nye inden for RF. En sådan partner kan guide processen med at vælge, installere og vedligeholde disse kabler for at sikre, at enheder og systemer fungerer pålideligt og optimalt.