Digi-Key Electronics
Avtor:Rolf Horn
V svetu, ki je vedno bolj odvisen od brezžične povezljivosti, načrtovalci sistemov za aplikacije, kot so pomorski GPS, industrijski internet stvari (IoT), pametno kmetijstvo in zračna plovila brez posadke, potrebujejo visokofrekvenčne (VF) komponente, ki omogočajo zanesljivo delovanje v ekstremnih okoljskih pogojih.
Njihovi izzivi vključujejo vibracije, prah, visoko vlažnost, izpostavljenost tekoči vodi ali drugim tekočinam ter pršenje slane meglice. Čeprav mora biti sistem zasnovan tako, da vzdrži te težke pogoje, je ključnega pomena medsebojna VF povezava, kjer koaksialna povezava prenaša VF signale med napravami ali med napravo in anteno. Načrtovalci morajo biti prepričani, da so konektorji in kabli, ki jih uporabljajo, primerni za nalogo, hkrati pa izpolnjujejo vse večje zahteve glede zmogljivosti in gostote povezav.
Ta članek na kratko obravnava izziv načrtovanja za ekstremna okolja pred uvedbo VF adapterjev, konektorjev in sklopov kablov družbe Amphenol RF. Opisuje, kako lahko te komponente pomagajo pri zaščiti pred vlago, prahom, vibracijami in korozijo ter tesnijo ohišja, hkrati pa zagotavljajo vrhunsko VF zmogljivost v kompaktnih ohišjih konektorjev, primernih za ohišja z visoko gostoto.
Ekstremna okolja
V tovarniških prostorih, na naftnih ploščadih in mnogih drugih okoljih, je industrijski internet stvari (IIoT) primer aplikacije, ki uporablja VF naprave v okolju, ki lahko vključuje visoko vlažnost, paro, razpršene tekočine, prah ali jedke kemikalije, kot je slana voda (slika 1).
IIoT uporablja pametne senzorje, aktuatorje, robote in podobne naprave za izboljšanje proizvodnih postopkov.
Te naprave so povezane z omrežjem ter zagotavljajo zbiranje, izmenjavo, analizo in upravljanje podatkov. Skupna rada podatkov iz več strojev in sistemov omogoča učinkovitejše in zanesljivejše industrijske procese.
Inženirji morajo pri načrtovanju takih naprav upoštevati okolje. V ekstremnih okoljih mora biti naprava zatesnjena, njeni deli pa odporni na korozijo in odporen proti tekočinam. Kovinska ohišja zahtevajo zunanje antene. Konektorji so potrebni tudi za zunanje senzorje naprave in povezave signalov z drugimi napravami. Koaksialni konektorji za antene ali signalne kable morajo biti zatesnjeni z ohišji in tesnili, ki izpolnjujejo te zahteve glede tolerance izpostavljenosti. Industrijski standard IEC 60529 uporablja ocene zaščite pred vdorom (IP) za določanje stopnje zaščite, ki jo zagotavlja konektor. IP stopnja je sestavljena iz črk IP, ki jima sledi dvomestna številka. Prva številka označuje stopnjo zaščite pred vdorom prahu in trdnih delcev. Druga številka označuje stopnjo zaščite pred vdorom vode. Definicije za oceno IP se gibljejo od ”brez zaščite” do ”popolne zaščite”, pri čemer višje številke pomenijo večjo zaščito (slika 2).
Konektorji, primerni za izpostavljenost ekstremnim okoljem, bi morali imeti oceno IP 67 ali 68. Ocena IP67 označuje tesnjenje proti prahu in zaščito pred vodo, vključno s popolno potopitvijo na globino do 1 metra za 30 minut.
Koaksialni konektorji z oceno IP67
Podjetje Amphenol RF ponuja širok nabor koaksialnih konektorjev tipa SMA, BNC in TNC z IP stopnjo za odpornost proti prahu in vodotesnost. Model 901-10746-EE je primer SMA konektorja za kabel RG-58, namenjen skozni montaži, in ima stopnjo IP67 (slika 3).
Električne značilnosti tega ženskega SMA konektorja vključujejo karakteristično upornost 50 Ohmov (Ω) za koaksialni kabel RG-58. Deluje v frekvenčnem razponu od DC do 6 gigahertzov (GHz) z najvišjim napetostnim razmerjem stojnega vala (VSWR) 1,30 : 1, kar je enako povratnemu slabljenju –18 decibelov (dB), in ima stopnjo dielektričnega preboja 1000 voltov RMS (Vrms). Razpon njegove delovne temperature je med –65 °C in 165 °C. Montažni postopek se začne s spajkanjem srednjega prevodnika na priključek konektorja. Priključek in kabel vstavimo v konektor, pletenica pa mora biti pri tem nad izboklino. Objemko nato stisnemo čez pletenico. S tesnilom z obročem nato zatesnimo ohišje konektorja na nosilno ploščo.
Ohišje konektorja je iz medenine, objemka pa je bakrena in oba imata proti koroziji odporno prevleko iz zlitine kositra in niklja. Prevleka izpolnjuje standard pršenja s slano meglico MIL-STD-202 (metoda 101) za 5-odstotno raztopino soli, ki se ponavlja 720 ur. Po izpostavljenosti solni meglici preverimo celovitost prevleke ter ponovno preizkusimo VF zmogljivost konektorja, vključno s kontaktno upornostjo in povratno slabljenje.
Kontakt srednjega prevodnika je iz berilij-bakra in pozlačen ter vstavljen v teflonski dielektrični material. V nepovezanem stanju ter ko je sestavljen s kablom in objemko, izpolnjuje zahteve standarda IP67.
Konektor je nameščen na ploščo s strojno opremo iz nerjavečega jekla in zatesnjen s tesnilom iz silikonske gume, ki zagotavlja njegovo fizično celovitost in skladnost s standardom IP67.
Spojni vtič SMA je vtič 901-9876-RFX-EE družbe Amphenol RF. Ta linijski kabelski SMA konektor ima enako sestavo materiala in prevleko kot pregradni priključek in deluje v istem temperaturnem območju. S priključkom se poveže z uporabo navojne objemke nad navojnim ohišjem priključka. Tako kot 901-10746-EE ima konektor oceno IP67 in je zasnovan za delo s kabli RG-58. Deluje v frekvenčnem razponu od DC do 12,4 GHz.
Ti konektorji za ekstremna okolja so na voljo tudi kot tipa BNC in TNC. Konektor TNC je navojna različica konektorja BNC. Navojni konektorji so odporni na vibracije, ko so zategnjeni na predpisani moment. 031-6501-EE (slika 4, levo) je pravokotni TNCkonektor, ki uporablja enake materiale in izpolnjuje iste standarde IP67 in glede odpornosti proti koroziji kotSMA konektorji. Namenjen je delovanju v temperaturnem območju od –40 °C do 85 °C. Električno ima karakteristično upornost 50 Ω in delovno frekvenčno območje do 6 GHz. Pravokotni konektorji odpravljajo potrebo po upogibanju kablov, kar zmanjšuje možnost poškodb koaksialnega kabla, hkrati pa prihrani prostor v majhnih ohišjih, ki se uporabljajo v IIoT in podobnih sistemih. 031-6501-EE se lahko uporablja z ustreznim skoznim adapterjem, kot je AD-TNCJTNCJ-EE (slika 4, desno).
Adapter AD-TNCJTNCJ-EE ima stopnjo IP68, je odporen proti koroziji, razpon njegove delovne temperature pa je med –65 °C in 165 °C. Njegovakarakteristična upornost je 50 Ω, deluje pa pri frekvenci do 18 GHz. Njegovo razmerje VSWR je 1,2 : 1 (enako povratnemu slabljenju –21 dB) za frekvence med 0 in 11 GHz ter 1,3 : 1 (enako povratnemu slabljenju–18 dB) za frekvence med 11 in 18 GHz. Skozni adapterji omogočajo odklop kablov od nosilne plošče ali vrat, kar omogoča enostavno odstranitev v primeru servisiranja.
BNC konektorji so podobni TNCkonektorjem, razlikujejo se predvsem v varnostnem mehanizmu. BNC je konektor za hiter priklop/odklop, ki uporablja dve bajonetni ušesi na strani priključka, ki zaskočita reže na sklopu konektorja in ju zakleneta skupaj z zasukom za četrt obrata. Prav tako zagotavljajo zaščito IP67 pred vdorom in odpornost na korozijo pri pršenju s slano meglo.
Razpon delovne temperature BNC konektorja 031-6924-EE (slika 5, levo) je od –40 °C do 85 °C. Njegova karakterističnaupornost 50 Ω je združljiva s kablom RG-58. Njegovo razmerje VSWR je 1,30 : 1 (enako povratnemu slabljenju–18 dB), frekvenčni razpon pa od DC do 6 GHz.
Spojna vtičnica AD-BNCJBNCJ-EE(slika 5, desno) je skozni adapter ”jack-to-jack”, ki je prav tako konektor s karakteristično upornostjo 50 Ω in maksimalno frekvenco 12 GHz. Njegovo razmerje VSWR je 1,30 : 1 (enako povratnemu slabljenju–18 dB) od DC do 4 GHz in manj kot 1,45 : 1 (enako povratnemu slabljenju–15 dB) od 4 do 12 GHz. Njegov razpon delovne temperature je od –40 °C do 85 °C.
Zaključek
Pri načrtovanju brezžičnih naprav morajo oblikovalci upoštevati fizične in električne zahteve uporabe, da zagotovijo funkcionalnost in dolgo življenjsko dobo izdelka. Koaksialni VF konektorji, uporabljeni v brezžičnih sistemih, morajo v prvi vrsti ohranjati celovitost signala, ne glede na okolico. Zato je izbira visoko zanesljivih konektorjev in adapterjev, ki so odporni na vibracije, vdor tekočine, prah in korozijo, ključnega pomena.
Konektorji družbe Amphenol RF za izpostavljenost ekstremnim pogojem so idealni za zasnove, ki bodo delovale v težkih okoljih.
