De gids voor ingenieurs voor de selectie en het gebruik van RF-kabels

RF-kabelassemblages worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van gevestigde domeinen zoals luchtvaart en communicatie tot nieuwere toepassingen zoals de auto-industrie, de industrie en het Internet of Things (IoT). Deze groeiende lijst van toepassingen heeft geleid tot de ontwikkeling van nieuwe soorten RF-kabelsamenstellingen, waardoor ingenieurs nog meer mogelijkheden krijgen om hun RF-systeemontwerpen te optimaliseren.

Al deze groei compliceert echter het ontwerpproces. Met zoveel assemblages op de markt is het moeilijk om te bepalen wat de beste keuze is voor een bepaalde toepassing. Ook het gebruik van RF-bekabeling in nieuwe toepassingen brengt onbekende technologie onder de aandacht van meer ontwerpers, installateurs en onderhoudstechnici. Naast ruimte- en omgevingsoverwegingen moeten deze groepen nu ook vertrouwd raken met frequentiecompatibiliteit, impedantieaanpassing, VSWR-verhouding (voltage standing wave ratio), magnetische koppeling en afscherming.

Om de prestaties en betrouwbaarheid van RF-systemen te garanderen, hebben technici een aandachtige aanpak nodig en een duidelijk stappenplan van de opties en potentiële valkuilen die hen te wachten staan.

Dit artikel begint met een kort overzicht van RF-toepassingen, inclusief hun elektrische eigenschappen, fysieke constructie en typische gebruikssituaties, en dient als gids voor de complexe taak van het kiezen, installeren en onderhouden van RF-kabelassemblages. Voorbeelden van Molex worden geïntroduceerd om de belangrijkste selectie- en gebruikscriteria te illustreren.

De groeiende gebruiksmogelijkheden van RF-kabelassemblages

RF-technologieën omvatten een groot aantal sectoren, elk met hun eigen unieke uitdagingen. Frequenties variëren van honderden hertz (Hz) tot tientallen gigahertz (GHz). Sommige toepassingen vereisen robuustheid. Anderen hebben een zeer beperkte fysieke voetafdruk. Om de diversiteit van use cases te illustreren, bekijk deze veelvoorkomende toepassingen:

• Ruimtevaart en defensie: Radarsystemen, communicatiekanalen en GPS
• Auto's en transport: Infotainmentsystemen, navigatie en communicatienetwerken voor voertuigen
• Telecommunicatie en uitzending: 8K-videosignalen via Wi-Fi-, LTE- en 5G-netwerken
• Industrieel: IoT-sensors, geautomatiseerde assemblagelijnen en telemetrie
• Medisch: Systemen voor patiëntbewaking op afstand, geavanceerde diagnoseapparatuur en robotchirurgie
• Testen en meten: Benchmetingen, praktijktests en kwaliteitsborging in productieopstellingen

Door het toenemende gebruik van RF houden meer ingenieurs en ontwerpers zich bezig met hoogfrequente schakelingen, velen zonder een achtergrond in deze technologie. Met strakke deadlines en budgetten hebben ze oplossingen nodig die hun taken vereenvoudigen en er tegelijkertijd voor zorgen dat hun systemen betrouwbaar presteren.

Dat is waar RF-kabelassemblages van pas komen. Deze assemblages bestaan uit voorgeassembleerde connectors en kabels die voldoen aan de gespecificeerde prestatievereisten en tegelijkertijd de engineeringinspanning verminderen. Het gebruik van kant-en-klare RF-kabelsamenstellingen kan tijd en kosten besparen tijdens het ontwerpen en prototypen, en de kwaliteit en efficiëntie van de productie verbeteren.

Frequentiecompatibiliteit, impedantieaanpassing en VSWR

Het kiezen van de juiste kabelassemblage vereist een zorgvuldige afweging van meerdere factoren. Ten eerste moet de assemblage geschikt zijn voor het frequentiebereik van het RF-signaal. Deze kunnen variëren van een paar honderd hertz tot de superhoge frequentieband (SHF) van 3 tot 30 GHz of hoger (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: RF-kabelassemblages bestaan in een grote verscheidenheid aan ontwerpen, die onder andere kunnen worden gecategoriseerd op basis van de grootte van de connector en de maximaal ondersteunde frequentie. (Bron afbeelding: Molex)

Om de gewenste prestaties te bereiken, moet een kabel het juiste frequentiebereik aankunnen zonder significant signaalverlies of vervorming. De Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) stelt bijvoorbeeld strenge eisen aan de signaalkwaliteit onder hun 2082-1-richtlijnen, die het verlies beperken tot 40 decibel (dB) bij de halve klokfrequentie.

Een manier om aan deze eisen te voldoen is met de Molex BNC Mini RF-kabelassemblages, die hoge return-loss prestaties leveren bij frequenties tot 12 GHz. Deze prestaties overtreffen de vereisten voor seriële overdracht van 8K HDTV-video (high-definition TV), waardoor toekomstige uitbreiding van de bandbreedte mogelijk is zonder hardwarewijzigingen.

Impedantieafstemming is een andere belangrijke parameter. RF-signalen zijn gevoelig voor interferentie van invallende en gereflecteerde golven veroorzaakt door een impedantie mismatch langs de signaallijn. Om signaalverlies te minimaliseren moet de kabel dezelfde impedantie hebben als de aangesloten belasting, meestal 50 of 75 ohm (Ω). Het is een goede gewoonte om de connectors en kabels samen te ontwerpen voor de beste match.

Een praktijkvoorbeeld hiervan is de 0897629290-assemblage die Molex BNC-connectors paart met een Belden 4794R kabel voor hoogwaardige 75 Ω toepassingen.

Voor bijzonder veeleisende toepassingen zoals testen en meten, kan het nodig zijn om zorgvuldig rekening te houden met extra parameters zoals VSWR en insertieverlies. VSWR is de verhouding tussen een invallend signaal en het gereflecteerde signaal die aangeeft hoe efficiënt RF-signalen van de bron naar de belasting worden getransporteerd. Insertion loss is de hoeveelheid energie die een signaal verliest als het langs een connector en kabel reist. Afbeelding 2 illustreert enkele voorbeelden.

Afbeelding 2: Voorbeelden van VSWR- en insertieverliescijfers voor efficiënte kabels met laag verlies voor microgolffrequenties. (Bron afbeelding: Molex)

Afscherming, magnetische koppeling en andere overwegingen

Afscherming is een andere belangrijke overweging. Elke kabel met RF-signalen kan werken als een antenne en signalen uitzenden of ontvangen, waardoor interferentie ontstaat. Om deze interferentie te minimaliseren, moeten kabels worden afgeschermd door een geaarde metalen behuizing (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Dit is een typische afgeschermde kabel. Vanuit de binnenkant van de kabel beginnen de kerngeleider, een diëlektrisch materiaal dat de kern scheidt van de afscherming, een geweven metalen afscherming en de kabelmantel. (Bron afbeelding: Molex)

De keuze van afschermingsmateriaal wordt beïnvloed door een reeks factoren, waaronder prestatievereisten, omgevingsomstandigheden en budgetbeperkingen. Koper is bijvoorbeeld zeer effectief voor de meeste frequenties, maar ook relatief zwaar en duur, terwijl aluminium licht en goedkoop is, maar minder effectief en vatbaarder voor corrosie.

Je moet ook rekening houden met de vorm van afscherming. Metalen vlechten zoals die op de 0897616761 MCX-assemblage met RG-136-kabels bieden uitstekende mechanische sterkte en fysieke bescherming. Folieschilden daarentegen zijn meestal gemaakt van aluminium gelamineerd op een polyester of polypropyleen film voor een lichtgewicht, goedkoop en flexibel alternatief. Er zijn nog andere types, zoals spiraal, tape en combinaties daarvan, die variëren in percentage frequentiedekking, flexibiliteit, levensduur, mechanische sterkte, kosten en aansluitgemak.

Er kunnen ook unieke toepassingsvereisten zijn om rekening mee te houden. Medische toepassingen hebben bijvoorbeeld vaak te maken met sensors die beïnvloed kunnen worden door magnetische velden. Hier is een oplossing zoals de 0897616791 MMCX-kabelassemblage een haalbare keuze, aangezien deze assemblages verkrijgbaar zijn in niet-magnetische koppelversies voor een betere ontwerpcompatibiliteit.

Beperkte ruimte, omgevingsgevaren en onderhoud

Bij fysieke parameters zijn beperkingen in ruimte en routing vaak de belangrijkste obstakels. Denk aan defensietoepassingen, die notoir krap zijn. Hier is een oplossing zoals de 0897611760 SSMCX-kabelassemblage praktisch. SSMCX-connectors behoren tot de kleinste op de markt en zijn verkrijgbaar in verticale en haakse oriëntaties om tegemoet te komen aan uitdagende ruimte- en routeringsbeperkingen.

Ontwerpers moeten ook rekening houden met de minimale buigradius bij het selecteren van een assemblage. Door hun complexe constructie zijn RF-kabels vaak nogal stijf. Voor situaties waarin krappe bochten nodig zijn, zoekt u naar oplossingen zoals de flexibele microgolfassemblages van Molex (Afbeelding 4). Deze kabels zijn speciaal ontworpen voor een kleinere statische buigradius.

Afbeelding 4: Een voorbeeld van RF-kabels met een kleine statische buigradius. (Bron afbeelding: Molex)

Extreme temperaturen kunnen ook een probleem zijn, vooral voor buitentoepassingen zoals die in de telecomsector. Voor dergelijke toepassingen zijn de thermoplastische omhulsels die gebruikelijk zijn op RF-kabels niet geschikt. In plaats daarvan zijn duurzamere materialen nodig. De eerder genoemde flexibele microgolfsystemen gebruiken bijvoorbeeld het materiaal Temp-Flex gefluoreerd ethyleenpropyleen (FEP) voor de mantel, een sterk materiaal dat lijkt op Teflon.

Trillingen en schokken kunnen een ontwerp in gevaar brengen, vooral in toepassingen zoals de luchtvaart. Voor een betrouwbare werking moeten de gebruikte RF-kabels buitengewoon stevige verbindingen hebben. Een goed voorbeeld is Molex's 0732306110-kabelassemblage, die gebruik maakt van het gepatenteerde MHF-connectorvergrendelingsmechanisme van het bedrijf (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Het MHF-connectorsysteem van Molex maakt gebruik van een gepatenteerd vergrendelingsmechanisme om een veilige verbinding te garanderen. (Bron afbeelding: Molex)

Onderhoud moet deel uitmaken van het ontwerpproces. Het is belangrijk om te kijken naar de gemiddelde tijd tussen defecten (MTBF) voor kabelassemblages en te overwegen hoe een ontwerp kan worden ingericht voor eenvoudig onderhoud en reparatie met redelijke toegang tot de subassemblages en verbindingen die de meeste zorg nodig hebben.

Ontwerpers moeten ook overwegen om inspectieschema's op te stellen voor normaal onderhoud en gebruikerschecklists voor tekenen dat een kabelassemblage gerepareerd of vervangen moet worden om complicaties proactief te beheren. Veelvoorkomende onderhoudsstappen zijn het controleren van assemblages op slijtage en het reinigen van kabels en connectoren om verontreinigingen te verwijderen die verbindingen kunnen binnendringen en de prestaties kunnen verminderen.

Tot slot is het belangrijk om de fabrikant van de kabelassemblage te evalueren. Criteria zijn onder andere de juiste certificeringen, ervaring in het produceren van de relevante assemblages, voldoende productopties om ontwerpflexibiliteit te ondersteunen en kwaliteitsborgingsprocessen om prestatieproblemen te voorkomen. Molex is bijvoorbeeld een toonaangevende ontwikkelaar van kabel- en connectortechnologieën met innovaties die worden ondersteund door meer dan 8.100 patenten en een sterke reputatie op het gebied van kwaliteit en technische ondersteuning, inclusief een tool voor het maken van aangepaste kabels.

Conclusie

Het selecteren van de juiste RF-kabelassemblage is een uitdaging omdat het begrip en zorgvuldige overweging vereist van factoren zoals frequentiecompatibiliteit, afscherming, omgevingsomstandigheden, ruimtebeperkingen en onderhoud. Zoals aangetoond kan samenwerking met een ervaren fabrikant die expertise, kwaliteitsborging en innovatie inbrengt, de sleutel zijn tot het overwinnen van deze uitdagingen, vooral voor ingenieurs en ontwerpers die nieuw zijn in RF. Een dergelijke partner kan het proces van het selecteren, installeren en onderhouden van deze kabels begeleiden om ervoor te zorgen dat apparaten en systemen betrouwbaar op hun top werken.