Forståelse og valg af koaksiale stik i GHz-området og kabelsamlinger

Radiofrekvens (RF) stik og deres færdige koaksiale (koaksiale) kabelenheder giver vigtige signalveje mellem printkort, underenheder og chassis. Et passende stik giver i det mindste den krævede minimale elektriske ydeevne og mekaniske robusthed. Imidlertid er RF-stikfamilierne, der har fungeret i mange år, inklusive bajonet-tilslutning BNC-stik, ikke længere tilstrækkelige på grund af deres fysiske bulk og ydeevne.

For at imødekomme de mange udfordringer i nutidens designs kan ingeniører vælge blandt mange specifikke typer, der findes i flere store familier, der hver tilbyder en kombination af højere båndbredde, mindre bulk og brugen af tyndere koaksiale kabler. Disse stik fås i en lang række af pc-korttermineringsformer såvel som kabeltermineringstyper for at opfylde de mange klasser af fysiske installationsprioriteter. Designere skal derfor først vælge den passende stikfamilie for at opfylde designkravene og derefter stilen inden for den familie.

Denne artikel vil se på fem meget anvendte gigahertz (GHz) området, RF-stikfamilier. Det vil også se på det nært beslægtede spørgsmål om komplette kabelsamlinger, der afsluttes med det valgte stik ved hjælp af komponenter fra forskellige familier fra Würth Elektronik.

Grundlæggende om RF-stik

Det er vigtigt at præcisere stikrelateret terminologi. Et “stik” er metalterminalen, som kan parres og parres efter behov, mens “kablet” er den koaksiale ledning, der består af en indre kobberleder, med dielektrisk afstand, ydre skærm og isolering, hvortil konnektoren er fastgjort. En "kabelsamling" er kombinationen af et kabel med et stik i den ene eller begge ender. Imidlertid bruges udtrykket "kabel" ofte i stedet for "kabelsamling" i en afslappet samtale, og den faktiske betydning fremgår normalt af sammenhængen. Vi bruger disse udtryk i deres strenge betydning i denne artikel.

Mens stik er passive komponenter og ikke giver nogen signalbehandling eller forbedring, er de væsentlige elementer i næsten ethvert produktdesign. Det "ideelle" stik har kritiske mekaniske egenskaber såsom praktisk parring og omparring, mekanisk og elektrisk integritet, og det skal være elektrisk usynligt uden DC ohmsk modstand eller RF-impedansdiskontinuiteter. Udfordringerne ved at designe, fremstille og bruge stik stiger med driftsfrekvensen. Da deres krævede driftsfrekvens strækker sig ind i RF-domænet, ind i og over gigahertz (GHz) -området, bliver deres mekaniske konstruktion nødvendigvis mere og mere præcis med mange kritiske ydeevne egenskaber og parametre.

Klassiske stik som BNC (Bayonet Neil-Concelman), der tilbydes i 50 Ω og 75 Ω versioner (sidstnævnte til video og TV), har været meget udbredt siden 1950'erne og er stadig i brug (figur 1). Dette låsestik har en tredjedel drejning, hurtig tilslutning/afbrydelse via et "bajonet" -system. Selvom frekvensresponsen formelt er klassificeret til 4 GHz, stiger stikkets tab til ofte uacceptable niveauer ved højere frekvenser. Fysisk er det ikke en god pasform til nutidens kompakte, tætpakket design på grund af dets relativt store størrelse og den store minimumsbøjningsradius af en komplet kabelsamling.

Figur 1: BNC-stikket connector includes og har været meget brugt siden udviklingen i begyndelsen af 1950'erne, men det er ikke en god elektrisk eller mekanisk pasform til mange af nutidens højfrekvente, pladsbegrænsede applikationer. Et hanstik bruges normalt med kabelsamlinger (venstre); en hunstik (højre) til brug på instrumentpaneler. (Billedkilde: Wikipedia; Pinterest)

Nyere familier til nye applikationer

Der findes mange industristandard stikfamilier, som er mere effektive til højere frekvens og mere kompakte applikationer. Blandt de mest populære er SMA-, SMB-, SMP-, MMX- og MMCX-familierne, alle med standard 50 Ω RF-impedans. Hver tilbyder en anden kombination af elektriske og mekaniske egenskaber. I modsætning til BNC-stikkets 17 millimeter (mm) diameter har disse stik en meget mindre diameter i området 5 mm.

Denne artikel vil se på et enkelt forbindelsesmedlem i hver af disse familier. Imidlertid er der inden for hver familie mange medlemmer med næsten identiske elektriske specifikationer, men meget forskellige mekaniske konfigurationer og arrangementer. Disse inkluderer printkortversioner (pc-kort) med en retvinklet krop eller en lige krop og med overflademontering, gennemgående hul eller endeafslutningsterminal; bagmonterede skottyper; og panelmonterede versioner med loddekop, flad fane eller rund stolpetilslutning. Der er også forskellige arrangementer for parringsstik, der går i enden af kablet, såsom lige og retvinklede variationer.

At have så mange muligheder inden for en given stiktype er godt for designere, da det øger sandsynligheden for, at der er en tilgængelig fra hylden, der har en bestemt formfaktor, der passer godt til produktdesignet og begrænsningerne. Dette betyder, at der ikke kræves ringe eller ingen ændringer i produktets mekaniske designprioriteter. Se nærmere på disse fem familier:

• SMA: Subminiature SMA-serie koaksiale stik er designet med gevindkoblingsteknologi for at sikre høj mekanisk stabilitet i lyset af intens vibration (figur 2). Stikets betagede midterkontakt og isolator øger aksial kraft og drejningsmoment. Den tykke forgyldning på midterkontakten bidrager til forbedret elektrisk ydelse og op til 500 parringscyklusser.

Figur 2: Subminiature SMA-serieforbindelser bruger en gevindkobling til forbedret mekanisk integritet i lyset af intens vibration. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Et godt eksempel på denne type stik er Würth Elektronik’s 60312242114510, et DC til 10 GHz SMA-stikstik med en hunstik (figur 3). Det er designet til kortkant brug og slutstart orientering. Dette panelmonterede loddetilslutning leveres også med en møtrik på fronten og låseskive for at lette skottet (panel) fastgørelse for yderligere stivhed i slutproduktet.

Figur 3: 60312242114510 DC til 10 GHz SMA-stikstik med en hunstik inkluderer en møtrik på forsiden og tilhørende låseskive for yderligere mekanisk integritet, når den monteres gennem et panel eller skott (alle dimensioner i millimeter). (Billedkilde: Würth Elektronik)

Nøgle RF-specifikationer inkluderer spænding stående bølgeforhold (VSWR) under 1,2 og indsættelsestab (IL) på mindre end 0,14 decibel (dB) fra DC til 12,4 GHz med tilsvarende VSWR- og IL-tal på 1,4 og 0,2 dB fra 12,4 til 18 GHz.

• SMB: Stik i SMB-serien er designet til snap-on-kobling med bredbåndskapacitet fra DC op til 4 GHz. De er mindre end SMA-seriestikkene og er derfor velegnet til miniaturisering af kredsløb. Blandt de tilgængelige SMB-stik er pc-kortstik til gennemgående hul og overflademontering samt kantkort- og kabelstik til stik og stik (Figur 4).

Figur 4: SMB-stik er snap-on-enheder, der er mindre end SMA-stik og ikke har gevind. de fås også i en række konfigurationer. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Et eksempel på et SMB-stik er 61611002121501, en hanstift, ret vinkel, gennemgående hul, loddetilslutningsstik, med en VSWR på 1,5 og et indsættelsestab under 0,2 dB (figur 5). Ligesom SMA-enheden vurderes den også til 500 parringscyklusser.

Figur 5: 61611002121501 SMB-stikket er en snap-on retvinklet enhed designet til fastgørelse og lodning af gennemgående hulkort, som er mindre end SMA-enheden, men har sammenlignelige specifikationer. (Billedkilde: Würth Elektronik)

• SMP-serien: Disse miniaturestik med både slide-in og snap-on-funktioner kan bruges i applikationer op til 40 GHz. De fås med tre typer af interfaces: Fuld "rille" med maksimal fastholdelse for høj vibrationsmodstand (100 cyklusser); begrænset rille med medium til lav retention (500 cyklusser); og glat boring (1000 cyklusser) med den laveste tilbageholdelse opnået via glidekontakter til modulære systemer og applikationer (figur 6).

Figur 6: Stik i SMP-serien tilbyder en række retentionsklasser, inklusive begrænset bul til medium til lav retention (venstre) og 500 cyklusklassificering; og glat boring (til højre) med den laveste tilbageholdelse, men dobbelt så mange cyklusser. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Et af konnektorerne i denne serie er 60114202122305, et overflademonteret, kantkortstik med et udvidet loddet ben til kredsløb, der har en maksimal tykkelse på 1,2 mm (figur 7). Det er specificeret at have en VSWR på 1,5 og et indsættelsestab på 0,42 dB fra DC til 12 GHz.

Figur 7: 60114202122305 er et glat hul, kantkortstik i SMP-serien, der er klassificeret til 12 GHz. (Billedkilde: Würth Elektronik)

• MCX-serien: Stik i MCX-serien (Micro Coaxial) har en snap-on-koblingsmekanisme til hurtig og bekvem forbindelse og er beregnet til drift fra DC til 6 GHz (figur 8). Disse stik er kompatible med IEC 61169-36,”Radiofrekvensstik - Del 36: Mikrominiaturrf-stik med snap-kobling - Karakteristisk impedans 50 Ω (Type MCX)”.

Figur 8: MCX-stikserien er en endnu mindre snap-on-familie af stik, der er kompatible med IEC 61169-36. (Billedkilde: Würth Elektronik)

60612202111308 er et overflademonteret kant-startsstik i MCX-serien, der er egnet til brædder op til 1,6 mm tykke. Det har en VSWR på 1,3 og indsættelsestab på 0,25 dB over dette interval og er klassificeret i 500 cyklusser.

Figur 9: MCX-serien 60612202111308 overflademonteret kantstartsstik har et indsættelsestab på kun 0,25 dB til 6 GHz. (Billedkilde: Würth Elektronik)

• MMCX-serien: Disse stik er ca. 30 % mindre sammenlignet med MCX-stik og er velegnede til applikationer med ultra-små designkrav (figur 10). De har en snap-on-koblingsmekanisme til hurtig og nem tilslutning og opfylder også IEC 61169-36.

Figur 10: Stik i MMCX-serien er ca. 30 % mindre end dem i MCX-serien og udviser sammenlignelig RF-ydeevne. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Som et eksempel er 66046011210320 MMCX-stikket er en hanstift, "frithængende" (in-line), krympeforbindelse i MMCX-familien (Figur 11). Dette 6 GHz-stik fungerer med RG174-, RG316- og RG188-koaksialkabler og har en VSWR på 1,3 og indsættelsestab på 0,3 dB.

Figur 11: 66046011210320 MMCX-stikket er designet til at blive krympet på et kabel såsom RG174, RG316 og RG188 koaksialtyper. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Specialstik, adaptere afrunder familierne

I betragtning af den brede vifte af stik, der er i brug, er det uundgåeligt, at der vil være behov for adaptere, der muliggør sammenkobling mellem en familie og en anden. Würth Elektronik tilbyder flere komplette serier af adaptere, der understøtter overgange fra en stiktype og køn til en anden, f.eks. fra SMA-stik og -stik til den anden stik-og-stikserie (Figur 12).

Figur 12: Vist er de mange tilgængelige SMA-stik og jack-adaptere, der giver en problemfri overgang til SMB-, MCX- og MMCX-familiestik af forskellige typer. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Der er en anden speciel tilslutningstype, der i første omgang kan forvirre designere: Omvendt polaritet (RP) -stik. Stil med standardkonfiguration er at have en han (pin) centerkontakt i stikket og en tilsvarende hun (stik) i stikket. Men i USA foreskriver Federal Communications Commission (FCC) regler omvendt køns "polaritet" i nogle unikke tilfælde.

Situationen går tilbage i flere årtier, da trådløse Wi-Fi-routere til forbrugerbrug blev introduceret. De blev designet til begrænset rækkevidde ved hjælp af en lille antenne med et stik i bunden, der skrues direkte ind i Wi-Fi-enhedens antennetilslutning og dermed uden mulighed for at flytte det. FCC var dog bekymret for, at slutbrugere ville forsøge at øge enhedens rækkevidde med tilføjelsesforstærkere og/eller eksterne antenner, hvilket forårsager interferens med Wi-Fi-båndet. Deres “løsning” var at forsøge at forhindre nem forbindelse af sådanne tilføjelser ved at pålægge brugen af RP-stik på disse trådløse enheder (som ofte brugte SMA-stik) for at gøre dem uforenelige med standard add-ons (figur 13).

Figur 13: RP SMA-stik- og jackstik har det modsatte centerlederkøn sammenlignet med konventionelle SMA-stik; (venstre mod højre) standard SMA hanstik, SMA standard hunstik, RP-SMA hunstik, RP-SMA hanstik. (Billedkilde: Wikipedia)

Inden for kort tid blev kabelsamlinger, der blev afsluttet med RP-stikpar, imidlertid bredt tilgængelige og var standardtilføjelser til enheder såsom eksterne, flytbare Wi-Fi-antenner (figur 14).

Figur 14: Denne eksterne Wi-Fi-antenne kan flyttes rundt for at finde en optimal placering og er stikkompatibel med antenneinterface på Wi-Fi-routeren på grund af dens RP-SMA-stik. (Billedkilde: Amazon)

Figur 15: Stik med omvendt polaritet (RP) er tilgængelige inden for rækkevidde af printkortstile såvel som kabelafslutningskonfigurationer. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Et tilgængeligt RP-SMA-jackstik er panelmontering, gennemgående hul lodning 63012042124504 (Figur 16). Dette stik har en VSWR på 1,2 fra DC til 12,4 GHz og 1,4 fra 12,4 til 18 GHz, mens indsættelsestabet i disse to områder er henholdsvis 0,14 dB og 0,2 dB.

Figur 16: 63012042124504 er et SMA-stik med omvendt polaritet designet til montering og lodning gennem hullet. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Kabler og enheder fuldender forbindelserne

Stik alene er kun en del af RF-signalsti-scenariet; deres stik er normalt monteret på standard koaksialkabler såsom RG174, RG316 og RG188, blandt andre. Selvom alle er 50 Ω kabler til RF-arbejde (75 Ω kabler og stik er tilgængelige til videosystemer), adskiller de sig i frekvensområde, dæmpning, diameter, dielektrisk type, fasekarakteristika, strømhåndtering, minimum bøjningsradius, ekstern jacketing og andet mekaniske og elektriske egenskaber (figur 17).

Figur 17: Designere kan vælge mellem en bred vifte af 50 Ω koaksialkabler, der adskiller sig i mange elektriske og mekaniske egenskaber. Vist er dæmpning versus frekvens - en vigtig specifikation - for nogle almindelige standard koaksiale kabler. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Designere skal også beslutte, om de vil fremstille deres egne koaksialkabel konstruktioner eller købe dem, der allerede er fabrikeret - det klassiske "make versus buy" -spørgsmål. Det er muligt at afslutte disse koaksialkabler med de valgte stik efter behov - "make" -muligheden - men det er en udfordring, der kræver dygtighed, øvelse, tid, passende krympeværktøjer og andet værktøj i mange tilfælde.

Desuden har disse færdige kabelsamlinger brug for mere end blot en simpel kontinuitetstest; de skal også kontrolleres for RF-præstationsfaktorer såsom båndbredde og planhed, impedansdiskontinuiteter, tab og faseforskydning for blot at nævne nogle få faktorer. Disse elektriske tests tager tid og kræver sofistikeret måleudstyr, og enhederne har brug for mekanisk robusthed tilføjet via trækaflastning.

Heldigvis er kabelsamlinger tilgængelige i mange længder som standard, lagerførte varer til de mest almindelige kabel- og tilslutningstyper. De kommer også i brugerdefinerede længder og forbindelsesparring med relativt korte leveringstider. Overvej for eksempel Würth 65503503530505, en 12 tommer/305 mm kabelsamling med et lige SMA-hanstik i hver ende, ved hjælp af RG-316 koaksialkabel (0,102 in/2,59 mm udvendig diameter), med krympeslange tilføjet over stikket/kabelforbindelserne for trækaflastning og robusthed (Figur 18).

Figur 18: 65503503530505 er en standard 12-tommer koaksialkabelenhed, der bruger RG-316-kabel med lige SMA-hanstik i hver ende; bemærk trækaflastningen mellem stik og kabel. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Dataarket til denne kabelsamling inkluderer omfattende mekaniske og materielle detaljer og dimensioner samt garanterede specifikationer for VSWR (1.3) og indsættelsestab (1,2 dB) fra DC til 6 GHz. Der er også et diagram, der viser dæmpning versus frekvens pr. 100 fod, så brugerne hurtigt kan bestemme dæmpningen for denne eller en hvilken som helst valgt længde af kabelsamlingsstil (Figur 19).

Figur 19: Vist er dæmpningen versus frekvensen for 65503503530505 kabelsamlingen. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Den brede vifte af leverandørleverede kabelsamlinger er ikke begrænset til at have den samme stiktype i hver ende, men kan i stedet også adressere direkte samtrafik- og overgangsproblemer. For eksempel 65530260515303 er en kort (6 inch/152 mm) kabelsamling ved hjælp af RG-174-kabel med et RP-SMA-skotstik i den ene ende og et lige MMCX-hanstik i den anden (Figur 20).

Figur 20: Kabelsamlinger kan også bruges som overgange mellem forskellige stikfamilier; 65530260515303-enheden bruger f.eks. RG-174-kablet og har et RP-SMA-skotstik i den ene ende og et lige MMCX-hanstik i den anden. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Der er en ting mere at huske på med disse stik og deres kabelsamlinger: De er små og nogle gange vanskelige at håndtere, når de strammer eller løsner deres gevindkrop. Samtidig skal de tilspændes til en bestemt værdi: For lidt drejningsmoment, og de kan muligvis ikke komme i pålidelig kontakt; for meget, og deres tråde kan blive stresset og deformeret, hvilket får deres antal parrings-/ophævelsescyklusser til at blive reduceret. Af denne grund,Würth Elektronik tilbyder 6006330101 WR-Tool, en lille momentnøgle til alle WR-SMA-stik (Figur 21).

Figur 21: 6006330101 WR-værktøjet sikrer, at SMA-stikkets gevindskrue tilspændes korrekt og konsekvent, hvilket ofte er udfordrende i betragtning af SMA-karosseriets lille størrelse. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Brug af dette værktøj sikrer, at det anvendte stikdrejningsmoment er på det specificerede niveau, hvilket sikrer korrekt kontaktparring, maksimering af pålidelighed og ensartet ydelse.

Konklusion

Designere af RF-kredsløb og systemer med frekvenser, der strækker sig ind i gigahertz-serien, har et valg af stik i forskellige størrelser, kropsstilarter, kønsarrangementer og andre kritiske parametre. Ved at vælge et stik med passende elektriske og mekaniske specifikationer og dreje det korrekt, minimeres udfordringerne med at sikre pålidelige, konsistente signalveje med lavt tab mellem kredsløb, underkredsløb og systemer.