Optimaliseren van RF-ontwerpen voor gebruik in extreme omgevingen

In een wereld waarin we steeds afhankelijker worden van draadloze connectiviteit, hebben ontwerpers van systemen voor bijvoorbeeld maritieme GPS, industriële IoT, slimme landbouw en onbemande luchtvaartuigen RF-apparaten nodig die betrouwbaar zijn onder extreme omgevingsomstandigheden. Uitdagingen waar zij mee te maken krijgen, zijn onder andere trillingen, stof, hoge luchtvochtigheid, blootstelling aan water of andere vloeistoffen en zoutnevel. Bij het ontwerpen van een systeem die deze zware omstandigheden kan weerstaan, moet speciale aandacht worden geschonken aan de RF-verbindingen, waarbij coaxiale kabels RF-signalen doorgeven tussen apparaten onderling of tussen een apparaat en een antenne. Ontwerpers moeten er zeker van zijn dat de connectors en kabels die ze gebruiken geschikt zijn voor de taak en tegelijkertijd voldoen aan de toenemende eisen op het gebied van prestaties en aansluitdichtheid.

In dit artikel wordt allereerst kort ingegaan op de uitdagingen die gepaard gaan met het ontwerpen voor extreme omgevingen, waarna RF-adapters, -connectors en -kabelassemblages van Amphenol RF worden geïntroduceerd. We laten zien hoe deze componenten bescherming kunnen bieden tegen vocht, stof, trillingen en corrosie door behuizingen af te dichten en tegelijkertijd superieure RF-prestaties te leveren in compacte connectors die geschikt zijn voor hoge dichtheden.

Extreme omgevingen

Of het nu gaat om de fabrieksvloer of een booreiland, het Industrial Internet of Things (IIoT) is een voorbeeld van een toepassing die RF-componenten gebruikt in een omgeving met hoge vochtigheid, stoom, sproei- of spatwater, stof of corrosieve chemicaliën zoals zoutwater (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Conceptueel diagram van een IIoT-systeem met draadloze en bekabelde sensors op afstand die communiceren met een edge gateway; overal worden RF-connectors gebruikt. (Bron afbeelding: Art Pini)

IIoT maakt gebruik van slimme sensors, actuators, robots en soortgelijke apparaten om productieprocessen te verbeteren. Deze apparaten worden in een netwerk opgenomen voor het verzamelen, uitwisselen, analyseren en controleren van gegevens. Door gegevens van meerdere machines en systemen te delen, worden industriële processen efficiënter en betrouwbaarder.

Bij het ontwerpen van dit soort apparaten moet er rekening worden gehouden met de omgeving. Extreme omgevingen vereisen dat het apparaat is afgedicht en dat alle poorten corrosiebestendig en lekvrij zijn. Metalen behuizingen hebben externe antennes nodig. Ook zijn er connectors nodig voor sensors buiten het apparaat en voor signaalverbindingen met andere apparaten. Coaxiale connectors voor antennes of signaalkabels moeten worden afgedicht met behulp van behuizingen en pakkingen om aan deze eisen voor blootstellingstolerantie te voldoen. De industrienorm IEC 60529 gebruikt IP-classificaties om aan te geven in welke mate een bepaalde connector bescherming biedt. IP-classificaties bestaan uit de letters IP gevolgd door een getal van twee cijfers. Het eerste cijfer geeft de mate van bescherming aan tegen het binnendringen van stof en vaste deeltjes. Het tweede cijfer is de mate van bescherming tegen het binnendringen van water. De definities voor de IP-classificatie variëren van geen bescherming tot volledige bescherming: hoe hoger de cijfers, hoe groter de bescherming (afbeelding 2).

Afbeelding 2: IP-classificatie tegen binnendringen van stof en water volgens IEC 60529. (Bron afbeelding: Amphenol RF)

Connectors die geschikt zijn voor extreme omgevingsomstandigheden moeten een IP-waarde van 67 of 68 hebben. De IP67-classificatie duidt op een stofdichte afdichting en bescherming tegen water, inclusief volledige onderdompeling gedurende 30 minuten op een diepte tot 1 meter.

Coaxiale connectors met IP67-bescherming

Amphenol RF biedt een grote selectie aan stofdichte en waterdichte IP-geclassificeerde SMA-, BNC- en TNC-type coaxiale connectors. Het model 901-10746-EE is een voorbeeld van een SMA-aansluiting voor RG58-kabel bedoeld voor montage op een bulkhead en heeft een IP67-classificatie (afbeelding 3).

Afbeelding 3: De RF 901-10746-EE-bulkaansluiting heeft een IP67-classificatie, wat betekent dat hij waterdicht, stofdicht en bestand tegen zoutwatercorrosie is. (Bron afbeelding: Amphenol RF)

De elektrische eigenschappen van deze vrouwelijke SMA-connector omvatten een nominale impedantie van 50 ohm (Ω) voor RG58-coaxkabel. De connector heeft een nominale diëlektrische doorslag van 1000 volt RMS (Vrms) en werkt binnen een frequentiebereik van 0 tot 6 gigahertz (GHz) met een maximale VSWR-verhouding (voltage standing wave ratio) van 1,30:1. Dit komt overeen met een reflectieverlies van -18 decibel (dB). De connector heeft een temperatuurbereik in bedrijf van -65 °C tot +165 °C. Het assemblageproces begint met het solderen van de middengeleider aan de connectorpen. De pen en kabel worden in de connector gestoken met de vlecht over de kartelrand. De bus wordt vervolgens over de vlecht gekrompen. De O-ring vormt een afdichting tussen de connector en het montagepaneel.

De connector zelf is messing, de bus is koper en beide bevatten een corrosiebestendig laagje van een tin-nikkel-legering. Het laagje voldoet aan de MIL-STD-202 methode 101 zoutnevelstandaard voor een 5% zoutoplossing herhaald gedurende 720 uur. Na blootstelling aan zoutnevel wordt de integriteit van het laagje gecontroleerd en worden de RF-prestaties van de connector, inclusief contactweerstand en reflectieverlies, opnieuw getest.

Het middengeleidercontact is gemaakt van verguld beryllium-koper en wordt in een Teflon diëlektricum geplaatst. Deze voldoet aan de IP67-vereisten in niet-gekoppelde staat mits verbonden met de kabel en bus.

De connector wordt op een paneel gemonteerd met roestvrijstalen hardware en afgedicht met een siliconenrubber O-ring om de fysieke integriteit en IP67-conformiteit te garanderen.

Een passende SMA-stekker is de 901-9876-RFX-EE van Amphenol RF. Deze inline, op een kabel gemonteerde SMA-stekker heeft dezelfde samenstelling qua materiaal als de bulkhead-aansluiting en werkt binnen hetzelfde temperatuurbereik. De stekker wordt op de aansluiting geschroefd door middel van een bus met schroefdraad. Net als de 901-10746-EE heeft de stekker een IP67-classificatie en is hij geschikt voor gebruik met RG58-kabels. De stekker heeft een werkfrequentiebereik van 0 tot 12,4 GHz.

Deze RF-connectors voor extreme omgevingen zijn ook verkrijgbaar als BNC- en TNC-connectors. Een TNC-connector is een BNC-connector met schroefdraad. Schroefdraadconnectors zijn bestand tegen trillingen mits vastgedraaid met het voorgeschreven koppel. De 031-6501-EE (afbeelding 4, links) is een haakse TNC-stekker van hetzelfde materiaal die voldoet aan dezelfde IP67- en corrosiebestendigheidsnormen als de SMA-connectors. Hij is geschikt voor een temperatuurbereik van -40 °C tot 85 °C. Wat elektrische eigenschappen betreft, heeft hij een karakteristieke impedantie van 50 Ω en een werkfrequentiebereik tot 6 GHz. Bij gebruik van haakse connectors zijn er geen kabelbochten nodig, waardoor de kans op beschadiging van de coaxkabel minimaal is. Tegelijkertijd wordt er ruimte bespaard wat belangrijk is in kleine behuizingen die worden gebruikt in IIoT- en vergelijkbare systemen. De 031-6501-EE kan worden gecombineerd met een bijbehorende bulkadapter, zoals de AD-TNCJTNCJ-EE (afbeelding 4, rechts).

Afbeelding 4: Dankzij de haakse TNC-stekker 031-6501-EE en TNC bulkheadadapter AD-TNCJTNCJ-EE zijn krappe bochten mogelijk zonder de kabels te buigen wat ruimte bespaart in compacte IIoT-behuizingen. (Bron afbeelding: Amphenol RF)

De AD-TNCJTNCJ-EE heeft beschermingsgraad IP68, is corrosiebestendig en heeft een temperatuurbereik van -65 °C tot +165 °C in bedrijf. De karakteristieke impedantie is 50 Ω en hij werkt bij frequenties tot 18 GHz. De VSWR is 1,2:1 (gelijk aan een reflectieverlies van -21 dB) voor frequenties tussen 0 en 11 GHz en 1,3:1 (gelijk aan een reflectieverlies van -18 dB) voor frequenties tussen 11 en 18 GHz. Bij gebruik van bulkheadadapters kunnen kabels van een montagepaneel of deur worden losgekoppeld, zodat deze eenvoudig kan worden verwijderd voor onderhoud.

BNC-connectors lijken op TNC's, maar verschillen voornamelijk in het vergrendelmechanisme. Een BNC is een snelkoppelingsconnector die gebruik maakt van twee bajonetsluitingen die in de sleuven van de stekker passen, waardoor ze met een kwartslag kunnen worden vergrendeld. Ze bieden ook IP67-bescherming tegen binnendringen en zijn bestand tegen zoutnevel.

De BNC-stekker 031-6924-EE (afbeelding 5, links) heeft een temperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C in bedrijf. De karakteristieke impedantie van 50 Ω is compatibel met RG58-kabels. De stekker heeft een VSWR van 1,30:1 (gelijk aan een reflectieverlies van -18 dB) en een frequentiebereik van 0 tot 6 GHz.

De contrastekker AD-BNCJBNCJ-EE (afbeelding 5, rechts) is een bulkheadadapter en is ook een 50Ω-connector met een maximumfrequentie van 12 GHz. De VSWR is 1,30:1 (gelijk aan een reflectieverlies van -18 dB) van 0 tot 4 GHz en minder dan 1,45:1 (gelijk aan een reflectieverlies van -15 dB) van 4 tot 12 GHz. De connector heeft een temperatuurbereik van -40°C tot +85°C in bedrijf.

Afbeelding 5: BNC-connectors voor extreme blootstelling worden gebruikt voor snel aansluiten en loskoppelen. (Bron afbeelding: Amphenol RF)

Conclusie

Bij het ontwerpen van draadloze apparaten moeten ontwerpers rekening houden met de fysieke en elektrische toepassingsvereisten om de functionaliteit en levensduur van het product te garanderen. De primaire taak van coaxiale RF-connectors die worden gebruikt in draadloze systemen is het behouden van de signaalintegriteit, ongeacht de omgeving. Daarom is het cruciaal om zeer betrouwbare connectors en adapters te kiezen die bestand zijn tegen trillingen, binnendringende vloeistoffen, stof en corrosie. De connectors van Amphenol RF voor extreme blootstelling zijn ideaal voor ontwerpen die bedoeld zijn om in zware omgevingen te werken.