Optimiser les conceptions RF pour le fonctionnement en environnements extrêmes

Dans un monde de plus en plus dépendant de la connectivité sans fil, les concepteurs de systèmes destinés à des applications telles que le GPS marin, l'IoT industriel, l'agriculture intelligente et les véhicules aériens sans pilote ont besoin de composants RF capables de fonctionner de manière fiable dans des conditions environnementales extrêmes. Leurs défis incluent les vibrations, la poussière, l'humidité élevée, l'exposition à l'eau ou à d'autres fluides et le brouillard salin. Si le système doit être conçu pour résister à ces conditions difficiles, l'une des principales préoccupations est l'interconnexion RF, où une connexion coaxiale transmet les signaux RF entre les dispositifs ou entre un dispositif et une antenne. Les concepteurs doivent s'assurer que les connecteurs et les câbles qu'ils utilisent sont bien adaptés à la tâche tout en répondant aux exigences croissantes en matière de performances et de densité de connexion.

Cet article aborde brièvement le défi que représente la conception pour les environnements extrêmes avant de présenter des connecteurs, des assemblages de câbles et des adaptateurs RF d'Amphenol RF. Il montre comment ces composants contribuent à la protection contre l'humidité, la poussière, les vibrations et la corrosion, et assurent l'étanchéité des boîtiers tout en offrant des performances supérieures dans des corps de connecteurs compacts adaptés au conditionnement haute densité.

Environnements extrêmes

De l'usine aux plateformes pétrolières, l'Internet industriel des objets (IIoT) est un exemple d'application qui utilise des dispositifs RF dans un environnement pouvant être exposé à une humidité élevée, à la vapeur, à des pulvérisations ou des jets de liquides, à la poussière ou à des produits chimiques corrosifs comme l'eau salée (Figure 1).

Figure 1 : Schéma conceptuel d'un système IIoT avec des capteurs filaires et sans fil à distance communiquant avec une passerelle périphérique. Des connecteurs RF sont utilisés partout. (Source de l'image : Art Pini)

L'IIoT utilise des capteurs intelligents, des actionneurs, des robots et des dispositifs similaires pour améliorer les processus de fabrication. Ces dispositifs sont mis en réseau et assurent la collecte, l'échange, l'analyse et le contrôle des données. Le partage des données de plusieurs machines et systèmes contribue à rendre les processus industriels plus efficaces et plus fiables.

Lors de la conception de tels dispositifs, il faut tenir compte de l'environnement. Les environnements extrêmes exigent que le dispositif soit étanche, et tous les ports doivent être résistants à la corrosion et aux fuites. Les boîtiers métalliques requièrent des antennes externes. Des connecteurs sont également nécessaires pour les capteurs externes au dispositif et pour les interconnexions de signaux avec d'autres dispositifs. Les connecteurs coaxiaux pour antennes ou câbles de signaux doivent être scellés avec leurs boîtiers et joints pour répondre à ces exigences de tolérance d'exposition. La norme industrielle CEI 60529 utilise des indices de protection (IP) pour définir le degré de protection qu'offre un connecteur donné. Les indices IP se composent des lettres IP suivies d'un nombre à deux chiffres. Le premier chiffre indique le degré de protection contre la pénétration de poussière et de particules solides. Le deuxième chiffre indique le degré de protection contre la pénétration d'eau. Les définitions de l'indice IP s'étendent de l'absence de protection à la protection totale, les chiffres plus élevés indiquant une protection supérieure (Figure 2).

Figure 2 : Indices de protection contre l'infiltration de poussière et d'eau selon la norme CEI 60529. (Source de l'image : Amphenol RF)

Les connecteurs adaptés à une exposition environnementale extrême doivent présenter un indice de protection IP de 67 ou 68. L'indice IP67 indique une étanchéité à la poussière et une protection contre l'eau, y compris une immersion complète pendant 30 minutes jusqu'à 1 mètre de profondeur.

Connecteurs coaxiaux répertoriés IP67

Amphenol RF propose une grande variété de connecteurs coaxiaux de types SMA, BNC et TNC répertoriés IP, étanches à la poussière et à l'eau. Le modèle 901-10746-EE est un exemple de jack SMA pour câble RG-58 destiné à un montage de traversée, et il est répertorié IP67 (Figure 3).

Figure 3 : Le jack de traversée 901-10746-EE est répertorié IP67, ce qui signifie qu'il est étanche à l'eau, étanche à la poussière et résistant à la corrosion par l'eau salée. (Source de l'image : Amphenol RF)

Les caractéristiques électriques de ce connecteur femelle SMA incluent une impédance nominale de 50 ohms (Ω) pour le câble coaxial RG-58. Il fonctionne sur une plage de fréquences s'étendant de CC à 6 gigahertz (GHz) avec un rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) maximum de 1.30:1, ce qui équivaut à des pertes par réflexion de -18 décibels (dB), et il présente un claquage diélectrique de 1000 volts RMS (Vrms). Sa plage de températures de fonctionnement s'étend de -65°C à +165°C. Le processus d'assemblage commence par la soudure du conducteur central à la broche du connecteur. La broche et le câble sont insérés dans le connecteur avec la tresse sur le moletage. La ferrule est ensuite sertie sur la tresse. Le joint torique assure l'étanchéité entre le corps du connecteur et le panneau de montage.

Le corps du connecteur est en laiton, la ferrule est en cuivre et les deux ont un placage en alliage étain-nickel résistant à la corrosion. Le placage répond à la norme de brouillard salin MIL-STD-202 méthode 101 pour une solution saline à 5 % répétée pendant 720 heures. Après l'exposition au brouillard salin, l'intégrité du placage est vérifiée, et les performances RF du connecteur, y compris la résistance de contact et les pertes par réflexion, sont à nouveau testées.

Le contact du conducteur central est en cuprobéryllium plaqué or et est inséré dans un diélectrique en téflon. Il répond aux exigences IP67 à l'état non raccordé lorsqu'il est assemblé avec le câble et la ferrule.

Le connecteur est monté sur un panneau avec du matériel en acier inoxydable et scellé avec un joint en caoutchouc de silicone pour garantir son intégrité physique et sa conformité IP67.

Une fiche SMA correspondante est le modèle 901-9876-RFX-EE d'Amphenol RF. Cette fiche SMA en ligne à montage sur câble présente la même composition de matériaux et le même placage que le jack de traversée, et fonctionne sur la même plage de températures. Elle se raccorde au jack à l'aide d'une ferrule filetée sur le corps fileté du jack. Comme le 901-10746-EE, la fiche est répertoriée IP67 et est conçue pour fonctionner avec des câbles RG-58. Sa plage de fréquences de fonctionnement s'étend de CC à 12,4 GHz.

Ces connecteurs RF pour environnements extrêmes sont également disponibles en types BNC et TNC. Un connecteur TNC est une version filetée d'un connecteur BNC. Les connecteurs filetés, lorsqu'ils sont serrés au couple spécifié, sont résistants aux vibrations. Le modèle 031-6501-EE (Figure 4, à gauche) est une fiche à angle droit TNC qui utilise les mêmes matériaux et répond aux mêmes normes de résistance à la corrosion et IP67 que les connecteurs SMA. Il est répertorié pour fonctionner sur une plage de températures de -40°C à +85°C. Sur le plan électrique, il a une impédance caractéristique de 50 Ω et une plage de fréquences de fonctionnement jusqu'à 6 GHz. Les connecteurs à angle droit éliminent le besoin de plier les câbles, minimisant ainsi les risques de dommages causés au câble coaxial, tout en économisant de l'espace dans les petits boîtiers utilisés dans l'IIoT et les systèmes similaires. Le 031-6501-EE peut être associé à un adaptateur de traversée correspondant, tel que le modèle AD-TNCJTNCJ-EE (Figure 4, à droite).

Figure 4 : La fiche TNC 031-6501-EE à angle droit et l'adaptateur de traversée TNC AD-TNCJTNCJ-EE permettent des courbes serrées sans plier les câbles tout en économisant de l'espace dans les boîtiers IIoT compacts. (Source de l'image : Amphenol RF)

L'AD-TNCJTNCJ-EE est répertorié IP68, est résistant à la corrosion et a une plage de températures de fonctionnement de -65°C à +165°C. Son impédance caractéristique est de 50 Ω et il fonctionne jusqu'à 18 GHz. Son ROS est de 1.2:1 (équivalent à des pertes par réflexion de -21 dB) pour les fréquences comprises entre 0 et 11 GHz, et de 1.3:1 (équivalent à des pertes par réflexion de -18 dB) pour les fréquences comprises entre 11 et 18 GHz. Les adaptateurs de traversée permettent de déconnecter les câbles d'un panneau de montage ou d'une porte afin de pouvoir les retirer facilement pour l'entretien.

Les connecteurs BNC sont semblables aux unités TNC, se différenciant principalement par le mécanisme de verrouillage. Un BNC est un connecteur à connexion/déconnexion rapide qui utilise deux cosses à baïonnette du côté jack qui s'engagent dans les fentes de l'assemblage de fiche, les verrouillant ensemble avec une torsion d'un quart de tour. Ces connecteurs offrent également un indice de protection IP67 et une résistance à la corrosion de brouillard salin.

La fiche BNC 031-6924-EE (Figure 5, à gauche) a une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C. Son impédance caractéristique de 50 Ω est compatible avec le câble RG-58. Elle présente un ROS de 1.30:1 (équivalent à des pertes par réflexion de -18 dB) et une plage de fréquences de CC à 6 GHz.

La prise correspondante AD-BNCJBNCJ-EE (Figure 5, à droite) est un adaptateur de traversée jack-à-jack qui est également un connecteur de 50 Ω avec une fréquence maximum de 12 GHz. Son ROS est de 1.30:1 (équivalent à des pertes par réflexion de -18 dB) de CC à 4 GHz, et inférieur à 1.45:1 (équivalent à des pertes par réflexion de -15 dB) de 4 à 12 GHz. Sa plage de températures de fonctionnement est de -40°C à +85°C.

Figure 5 : Les composants des connecteurs BNC à exposition extrême sont utilisés pour des connexions/déconnexions rapides. (Source de l'image : Amphenol RF)

Conclusion

Lors de la conception de dispositifs sans fil, les concepteurs doivent prendre en compte les exigences physiques et électriques des applications pour garantir les fonctionnalités et la longévité du produit. Les connecteurs RF coaxiaux utilisés dans les systèmes sans fil ont pour tâche principale de maintenir l'intégrité des signaux, quel que soit l'environnement. À cette fin, il est essentiel de sélectionner des connecteurs et des adaptateurs haute fiabilité, capables de résister aux vibrations, à l'infiltration de liquides et de poussière, et à la corrosion. Les connecteurs pour exposition extrême d'Amphenol RF conviennent parfaitement aux conceptions destinées à fonctionner en environnements difficiles.