Optimering af RF-design til drift i ekstreme miljøer

I en verden, der i stigende grad er afhængig af trådløs konnektivitet, har designere af systemer til applikationer som marine-GPS, industriel IoT, intelligent landbrug og ubemandede luftfartøjer brug for RF-komponenter, der kan fungere pålideligt under ekstreme miljøforhold. Deres udfordringer omfatter vibrationer, støv, høj luftfugtighed, udsættelse for vand eller andre væsker og saltsprøjt. Systemet skal være designet til at modstå disse barske forhold, men en central problemstilling er RF-interconnect, hvor en koaksial forbindelse overfører RF-signaler mellem enheder eller mellem en enhed og en antenne. Designere skal være sikre på, at de stik og kabler, de bruger, er velegnede til opgaven, samtidig med at de opfylder de stigende krav til ydeevne og forbindelsestæthed.

Denne artikel diskuterer kort udfordringen ved at designe til ekstreme miljøer, før vi introducerer RF-adaptere, konnektorer og kabelsæt fra Amphenol RF. Den viser, hvordan disse komponenter kan hjælpe med at beskytte mod fugt, støv, vibrationer og korrosion, forsegle kabinetter og samtidig levere fremragende RF-ydeevne i kompakte konnektorhuser, der er velegnede til emballage med høj densitet.

Ekstreme miljøer

Fra fabriksgulvet til olieplatforme er ’Industrial Internet of Things’ (IIoT), et eksempel på en anvendelse, der bruger RF-enheder i et miljø, hvor der kan være høj luftfugtighed, damp, sprøjtede eller stænkede væsker, støv eller ætsende kemikalier som saltvand (figur 1).

Figur 1: Konceptuelt diagram over et IIoT-system med trådløse og kablede fjernsensorer, der kommunikerer med en edge-gateway; RF-stik er brugt hele vejen igennem. (Billedkilde: Art Pini)

IIoT bruger intelligente sensorer, aktuatorer, robotter og lignende enheder til at forbedre fremstillingsprocesser. Disse enheder er netværksforbundne og leverer dataindsamling, -udveksling, -analyse og -kontrol. Deling af data fra flere maskiner og systemer hjælper med at gøre industrielle processer mere effektive og pålidelige.

Hvis man designer enheder som disse, skal man tage hensyn til miljøet. Ekstreme miljøer kræver, at enheden er forseglet, og alle porte skal være korrosionsbestandige og lækagesikre. Metalliske kabinetter kræver eksterne antenner. Der er også brug for stik til sensorer uden for enheden og signalforbindelser med andre enheder. Koaksiale stik til antenner eller signalkabler skal forsegles ved hjælp af deres huse og pakninger for at opfylde disse krav til eksponeringstolerance. Industristandarden IEC 60529 bruger indtrængningsbeskyttelse (ingress protection/IP) til at definere en givet konnektors beskyttelsesgrad. IP-klassificeringer består af bogstaverne IP efterfulgt af et tocifret tal. Det første ciffer angiver graden af beskyttelse mod indtrængen af støv og faste partikler. Det andet ciffer angiver graden af beskyttelse mod vandindtrængning. Definitionerne for IP-klassificeringen varierer fra ingen beskyttelse til fuldstændig beskyttelse, hvor de højere tal indikerer større beskyttelse (figur 2).

Figur 2: Indtrængningsbeskyttelsesgrader for støv- og vandindtrængning i henhold til IEC 60529. (Billedkilde: Amphenol RF)

Konnektorer, der er egnede til ekstreme miljøpåvirkninger, bør have en IP-klassificering på 67 eller 68. IP67-klassificeringen angiver en støvtæt forsegling og beskyttelse mod vand, herunder fuld nedsænkning i 30 minutter på op til 1 meters dybde.

IP67-klassificerede koaksiale stik

Amphenol RF tilbyder et bredt udvalg af støvtætte og vandtætte, IP-klassificerede koaksialkonnektorer af typen SMA, BNC og TNC. Model 901-10746-EE er et eksempel på et SMA-stik til RG-58-kabel beregnet til montering på skottet og er IP67-klassificeret (figur 3).

Figur 3: RF-901-10746-EE-jackstikket på skottet er IP67-klassificeret, hvilket betyder, at det er vandtæt, støvtæt og korrosionsbestandigt over for saltvand. (Billedkilde: Amphenol RF)

De elektriske egenskaber for dette SMA-hunstik omfatter en nominel impedans på 50 ohm (Ω) for RG-58-koaksialkabel. Den fungerer over et frekvensområde fra DC til 6 gigahertz (GHz) med et maksimalt standbølgeforhold (voltage standing wave ratio/VSWR) på 1,30:1, hvilket svarer til et returtab på -18 decibel (dB), og den har en dielektrisk nedbrydningsklasse på 1000 volt RMS (Vrms). Dets driftstemperaturområde er -65 °C til +165 °C. Første trin på samlingsprocessen er at lodde midterlederen til forbindelsesstikkets ben. Stiften og kablet sættes i konnektoren med fletningen over rouletteringen. Hylsteret krympes derefter over fletningen. O-ringspakningen forsegler konnektorhuset til monteringspanelet.

Konnektorens hoveddel er af messing, hylsteret er af kobber, og begge er belagt med en korrosionsbestandig tin-nikkellegering. Belægningen opfylder MIL-STD-202-metode 101 saltsprøjtestandard for en 5 % saltopløsning gentaget over 720 timer. Efter eksponering for saltspray verificeres pletteringens integritet, og konnektorens RF-ydeevne, herunder kontaktmodstand og returtab, testes igen.

Den midterste lederkontakt er beryllium-kobber med guldbelægning og er indsat i et teflon-dielektrikum. Den opfylder IP67-kravene i umonteret tilstand, når den er samlet med kablet og hylsteret.

Stikket er monteret på et panel med hardware i rustfrit stål og forseglet med en silikonegummipakning for at garantere dets fysiske integritet og IP67-konformitet.

Et tilsvarende SMA-stik er Amphenol RF-901-9876-RFX-EE. Dette in-line, kabelmonterede SMA-stik har samme materialesammensætning og belægning som jackstikket på skottet og fungerer i samme temperaturområde. Den kobles sammen med jackstikket ved hjælp af et gevindhylster over jackstikkets gevindhus. Ligesom 901-10746-EE er stikket IP67-klassificeret og er designet til at fungere med RG-58-kabler. Den har et driftsfrekvensområde fra DC til 12,4 GHz.

Disse RF-stik til ekstreme miljøer fås også som BNC- og TNC-typer. Et TNC-stik er en version af et BNC-stik med gevind. Konnektorer med gevind er vibrationssikre, når de er spændt til det specificerede drejemoment. 031-6501-EE (figur 4, venstre) er et TNC-retvinklet stik, der bruger de samme materialer og opfylder de samme IP67- og korrosionsbestandighedsstandarder som SMA-stikkene. Det er klassificeret til at fungere i et temperaturområde på -40 °C til 85 °C. Elektrisk har den en karakteristisk impedans på 50 Ω og et driftsfrekvensområde på op til 6 GHz. Retvinklede stik eliminerer behovet for kabelbøjninger, minimerer risikoen for skader på koaksialkablet og sparer samtidig plads i små kabinetter, der bruges i IIoT- og lignende systemer. 031-6501-EE kan matches med en sammenkoblende adapter på skottet, såsom AD-TNCJTNCJ-EE (figur 4, højre).

Figur 4: Det retvinklede 031-6501-EE TNC-stik og AD-TNCJTNCJ-EE-TNC-adapteren på skottet gør stramme bøjninger mulige uden at bøje kablerne og sparer samtidigt plads i kompakte IIoT-kabinetter. (Billedkilde: Amphenol RF)

AD-TNCJTNCJ-EE er IP68-klassificeret, korrosionsbestandig og har et driftstemperaturområde på -65 °C til +165 °C. Dens karakteristiske impedans er 50 Ω, og den fungerer op til 18 GHz. VSWR er 1,2:1 (svarende til et returtab på -21 dB) for frekvenser mellem 0 - 11 GHz, og 1,3:1 (svarende til et returtab på -18 dB) for frekvenser mellem 11 - 18 GHz. Adaptere på skottet gør det muligt at frakoble kabler fra et monteringspanel eller en dør, så det nemt kan fjernes i service-øjemed.

BNC-stik er ligesom TNC-enheder men adskiller sig primært ved låsemekanismen. En BNC er et hurtig til- og frakoblingsstik, der bruger to bajonetsko på jacksiden, som går i indgreb med åbninger på stiksamlingen og låser dem sammen med en kvart omdrejning. De har også IP67-indtrængningsbeskyttelse og korrosionsbestandighed over for saltsprøjt.

BNC-stikket 031-6924-EE (figur 5, venstre) har et driftstemperaturområde på -40 °C til +85 °C. Den karakteristiske impedans på 50 Ω er kompatibel med RG-58-kabel. Den har et VSWR på 1,30:1 (svarende til et returtab på -18 dB) og et frekvensområde på DC til 6 GHz.

AD-BNCJBNCJ-EE-stikdåsen (figur 5, højre) er en jackstik-til-jackstik-adapter på skottet, der også er et 50 Ω-stik med en maksimal frekvens på 12 GHz. VSWR er 1,30:1 (svarende til et returtab på -18 dB) fra DC til 4 GHz, og mindre end 1,45:1 (svarende til et returtab på -15 dB) fra 4 til 12 GHz. Dets driftstemperaturområde er -40 °C til +85 °C.

Figur 5: BNC-stikkomponenter til ekstrem eksponering bruges til hurtig tilslutning/frakobling. (Billedkilde: Amphenol RF)

Konklusion

Når man designer trådløse enheder, skal man overveje de fysiske og elektriske anvendelseskrav for at sikre produktets funktionalitet og lange levetid. Koaksiale RF-stik, der bruges i trådløse systemer, har den primære opgave at opretholde signalintegriteten, uanset det omgivende miljø. Derfor er det vigtigt at vælge stik og adaptere med høj pålidelighed, som kan modstå vibrationer, væskeindtrængning, støv og korrosion. Amphenols RF-stik til ekstrem eksponering er ideelle til design, der skal fungere i barske miljøer.