EUR | USD

Begrijp de basisprincipes van de Coaxiale Adapters om beter gebruik te maken van deze zeer nuttige componenten

Door Art Pini

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Gebruikers van elektronische instrumentatie-apparatuur voor het verzenden of ontvangen van hoogfrequente elektrische signalen zijn vertrouwd met coaxiale verbindingen, omdat deze veel gebruikt worden. Zozeer zelfs dat dergelijke verbindingstypes als vanzelfsprekend kunnen worden beschouwd - totdat het tijd is om meerdere instrumenten met elkaar te verbinden of de coaxkabels uit te breiden. Op dit punt kunnen ontwerpers of andere gebruikers van apparatuur zich wenden tot adapters; maar voordat zij dit doen, moeten zij de implicaties en kenmerken van elk type adapter dat zij kunnen gebruiken volledig begrijpen.

Er is niet voor niets een grote verscheidenheid aan adapters. "Tees" verbinden een enkele signaalbron met meerdere instrumenten, terwijl "barrels" de coaxiale kabelverbindingen verlengen. Dan zijn er nog DC-blokken, bias-tees, impedantiepads, overspanningsbeveiligingen en afsluitingen, die allemaal veel gebruikt worden, maar soms niet volledig worden begrepen. Het juiste gebruik van deze adapters vereist enige basiskennis van transmissieleidingen en zorg bij de selectie.

Dit artikel geeft een kort overzicht van de transmissielijnen. Het introduceert vervolgens verschillende soorten coaxiale adapters, beschrijft hoe ze werken en laat zien hoe ze het beste kunnen worden toegepast. Er worden voorbeelden uit de echte wereld gebruikt van Amphenol RF, Amphenol's Times Microwave Systems en Crystek Corporation.

Wat zijn transmissielijnen?

Transmissielijnen, in de vorm van coaxiale kabels, flat line, microstrip of andere, verbinden een signaalbron met een belasting. Transmissielijnen hebben een karakteristieke impedantie die wordt bepaald door de fysieke afmetingen van de geleiders, hun onderlinge afstand en het diëlektrische materiaal dat wordt gebruikt om de geleiders te isoleren. Coaxiale kabels hebben meestal een karakteristieke impedantie van 50 Ohm (W) voor algemeen RF-werk, of 75 W voor videotoepassingen.

Om het maximale rendement bij de overdracht van vermogen van de bron naar de belasting te garanderen, moeten de impedantie van de bron, de karakteristieke impedantie van de transmissielijn en de belastingsimpedantie op elkaar worden afgestemd. Als de impedanties verschillen dan wordt er wat energie gereflecteerd uit de mismatchte kruising. Als bijvoorbeeld de belastingsimpedantie verschilt van de bron en de transmissielijnimpedantie, dan wordt de energie van de belasting terug naar de bron gereflecteerd (Afbeelding 1).

Afbeelding van een coaxiale lijn met een mismatchte ladingAfbeelding 1: Een coaxiale lijn met een foutieve belasting reflecteert de energie van de belasting terug naar de bron, waardoor er staande golven in het transmissiepad ontstaan. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

De invallende en gereflecteerde golven combineren zich additief langs het transmissiepad en vormen staande golven waarbij de amplitude periodiek varieert over de fysieke lengte van het pad. Staande golven veroorzaken meetfouten en kunnen leiden tot schade aan componenten. Impedantiematching van de bron, transmissielijn en belasting voorkomt het ontstaan van staande golven en helpt zo de meest efficiënte overdracht van vermogen van de bron naar de belasting te verzekeren.

Vanwege de eisen die aan de impedantie worden gesteld, is het belangrijk om de juiste adapter te gebruiken; maar zoals de ontwerper al snel zal ontdekken, zijn de adapters veel en gevarieerd en hebben ze vaak eigenschappen die verder gaan dan het vormen van een basisverbinding.

T-adapters

Beschouw een basisinstrumentariumsysteem dat bestaat uit een enkele bron, een oscilloscoop en een spectrumanalyzer (Afbeelding 2).

Diagram van het verbinden van de drie instrumenten in dit voorbeeldAfbeelding 2: Het aansluiten van de drie instrumenten in dit voorbeeld met behulp van een T-adapter vereist de aanpassing van de ingangsimpedantie van de oscilloscoop om een mismatch bij de signaalbron te voorkomen. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

De signaalbron heeft een uitgangsimpedantie van 50 Ω en is bedoeld om te werken in een belasting van 50 Ω. Als een T-adapter wordt gebruikt om de oscilloscoop en de spectrumanalyzer aan te sluiten met beide ingesteld op 50 Ω ingangsaansluitingen, zal de signaalbron een belasting van 25 Ω zien, waardoor de output wordt verminderd en er staande golven op de kabels worden ingesteld. Het geheim is hier om het instrument in het midden van de coaxiale run in te stellen op een hoge impedantie ingangsafsluiting, en het instrument aan de andere kant van de coaxiale run op zijn 50 Ω ingangsafsluiting, zoals op de foto te zien is. De signaalbron zal dit zien als een 50 Ω belasting, en alles zal goed komen.

De Amphenol RF 112461 (Afbeelding 3) is een BNC T-stuk met een enkele BNC-stekker, twee BNC-aansluitingen en een bandbreedte van 4 gigahertz (GHz). Het zou kunnen worden gebruikt in de configuratie die in ons voorbeeld wordt getoond voor instrumenten met bandbreedtes onder 4 GHz.

Afbeelding van Amphenol 112461 BNC teeAfbeelding 3: De Amphenol 112461 BNC tee biedt een bandbreedte van 4 GHz. In het voorbeeld in Afbeelding 1 is de plug verbonden met de oscilloscoop-ingang en zijn de coaxkabels van de BNC-aansluitingen verbonden met de signaalbron en de spectrumanalyzer. (Bron afbeelding: Amphenol RF)

Het type T dat moet worden geselecteerd is afhankelijk van de connectoren die op de instrumenten worden gebruikt en zal gebaseerd zijn op de bandbreedtes van de respectievelijke instrumenten. Over het algemeen zijn coaxiale adapters zoals T-stukken niet beschikbaar voor bandbreedtes boven 40 GHz omdat signaalverliezen problematisch worden in adapters op deze frequenties. Een lijst van de gebruikelijke coaxiale connectoren voor instrumenten waarvoor algemeen verkrijgbare adapters beschikbaar zijn, wordt getoond, samen met hun belangrijkste kenmerken (Tabel 1).

Type Bandbreedte (GHz) Impedantie VSWR Koppelingsmethode Grootte Specificatie Opmerkingen
2,92 mm K 40 50 Ω 1,34:1 Geregenereerd Subminiatuur IEEE Std. 287 Past bij 3,5 mm en SMA (beperkt)
Koppel tot 8 in-lb (90 N-cm) N-cm)
3,5 mm 33 50 Ω 1,30:1 Geregenereerd Subminiatuur IEEE Std. 287 Past bij 2,92 mm en SMA (beperkt)
Koppel tot 8 in-lb (90 N-cm)
BNC 6 50 Ω
75 Ω
1,2:1 Bajonet Miniatuur MIL-STD-348
MIL-C-39012
N 18 50 Ω 1,35:1 Geregenereerd Standaard IEEE Std. 287
MIL-C-39012
Koppel tot 12 in-lb (135 N-cm)
SMA 18 50 Ω 1,2:1 Geregenereerd Subminiatuur MIL-STD-348
MIL-C-39012
Koppel tot 5 in-lb (56 N-cm)

Tabel 1: Gemeenschappelijke coaxiale connectorfamilies waarvoor adapters beschikbaar zijn. Boven 40 GHz hebben adapters verliezen die ze ongeschikt maken voor gebruik. (Bron tabel: Digi-Key Electronics)

Connector familie adapters

Het hebben van meerdere connectortypes geeft aanleiding tot de noodzaak om van het ene type connector naar het andere te kunnen converteren. Overweeg om een SMA-kabel van de BNC-ingangsconnector op een oscilloscoop of spectrumanalyzer aan te sluiten. Voor deze situatie biedt de Amphenol RF 242103 een BNC-stekker voor aansluiting op het instrument en een SMA-aansluiting voor ontvangst van de SMA-kabel (Afbeelding 4).

Afbeelding van Amphenol RF BNC naar SMA-adapterAfbeelding 4: Een BNC-naar-SMA-adapter past tussen een BNC-aansluiting en een SMA-stekker die nodig kan zijn om een SMA-kabel aan te sluiten op een ingang van het instrument. (Bron afbeelding: Amphenol RF)

Gebruikers van apparatuur moeten er rekening mee houden dat wanneer een adapter wordt gebruikt, de bandbreedte van de interconnect wordt gereduceerd tot de lagere bandbreedte van de twee connectorfamilies. In het geval van de BNC naar SMA-adapter is de bandbreedte 4 GHz, geërfd van de BNC.

Er zijn ook adapters die impedantieveranderingen bieden van 50 tot 75 Ω en vice versa.

Vat- en schotadapters

Voor het verlengen van kabels of het doorvoeren van een kabel door een paneel zijn straight-through (vat) of schotadapters nodig. Deze zijn beschikbaar voor de families van connectors in Tabel 1. Een voorbeeld is de Amphenol RF 132170 schotadapter, die twee SMA-aansluitingen heeft waarop kabels met SMA-plug aan weerszijden van een schot of paneel kunnen worden aangesloten (Afbeelding 5).

Afbeelding van Amphenol RF-schot SMA-connectorAfbeelding 5: Een voorbeeld van een schot SMA-connector, die op een paneel kan worden gemonteerd om een coaxiale verbinding door te voeren. (Bron afbeelding: Amphenol RF)

Vataansluitingen kunnen worden geconfigureerd als jack to jack, of als plug to plug, en minder vaak als plug to jack.

Aansluitingen

Voor het in serie schakelen van meerdere hoog-impedantie ingangsinstrumenten van een 50 Ω bron is een 50 Ω-aansluiting nodig (Afbeelding 6).

Afbeelding van Amphenol RF 202120 50 Ω aansluitingAfbeelding 6: Bij het aansluiten van meerdere hoogohmige ingangsapparaten op een 50 Ω bron is een externe 50 Ω terminator nodig om reflectie in de coaxiale lijnen te voorkomen. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

De Amphenol RF 202120 50 Ω-terminator is een voorbeeld van een coaxiale afsluiting die is geconfigureerd als een BNC-aansluiting (Afbeelding 7).

Afbeelding van Crystek CBLK-300-3 blokkeert DC en passeert signalenAfbeelding 7: De Amphenol RF 202120 is een 50 Ω-aansluiting die is geconfigureerd als BNC-aansluiting. (Bron afbeelding: Amphenol RF)

De BNC-aansluiting accepteert de coaxkabel direct. Er zijn ook afsluitingen in de vorm van BNC-pluggen die paren met een BNC-aansluiting. Deze zijn nuttig bij het afsluiten van een instrument direct op het frontpaneel. Terwijl de meeste oscilloscopen zowel hoge impedantie als 50 Ω ingangen hebben, is er een spanningslimiet op de 50 Ω scoopingangen, meestal 5 volt. Oscilloscopen hebben ook een vermogenslimiet van 0,5 Watt op hun 50 Ω ingangen. De 202120 heeft een vermogen van 1 watt en kan meer dan 7 volt aan.

Aansluitingen zijn ook beschikbaar voor andere impedanties. Zo worden bijvoorbeeld 75 Ω-terminators vaak gebruikt in televisie- en videotoepassingen. Bij het kalibreren van netwerkanalysatoren wordt gebruik gemaakt van nul Ω of kortsluiting.

DC-blokken en bias-tees

Het DC-blok is een coaxiale adapter die gelijkstroomsignalen blokkeert en de doorgang van RF-signalen mogelijk maakt. Het wordt gebruikt om gevoelige RF-componenten te beschermen tegen DC, dat wordt geblokkeerd door een condensator. Er zijn drie soorten DC-blokken:

  • Een binnenste DC-blok gebruikt een enkele condensator in serie met de binnen- of middengeleider van de coaxkabel
  • Een buitenste DC-blok heeft een condensator in serie met de afschermingsgeleider van de coaxkabel
  • Een binnen/buiten DC-blok heeft condensatoren in serie met zowel de binnen- als de buitengeleider

Alle soorten DC-blokken zijn bestemd voor specifieke karakteristieke impedanties, meestal 50 of 75 Ω. De Crystek Corporation CBLK-300-3 is een 50 Ω, binnenste geleider DC-blok dat signalen doorgeeft met frequenties van 300 kilohertz (kHz) tot 3 GHz, terwijl het blokkeren van DC-niveaus tot 16 volt met lage insteek- en retourverliezen over het werkingsfrequentiebereik (Afbeelding 8).

Diagram van Crystek CBLK-300-3 blokkeert DC en passeert signalenAfbeelding 8: De Crystek CBLK-300-3 blokkeert DC en geeft signalen door met frequenties van 300 kHz tot 3 GHz. (Bron afbeelding: Crystek Corporation)

Bias tee

De bias tee is gerelateerd aan het DC-blok. Het is een drie-poorts adapter waarbij gelijkstroom wordt toegepast op één poort. Een tweede poort combineert de DC bias met het incidentele RF-signaal van een geïsoleerde RF-poort (Afbeelding 9).

Afbeelding van Crystek bias tee heeft drie poortenAfbeelding 9: De bias tee heeft drie poorten: één voor het toepassen van een DC bias, een tweede is een geïsoleerde RF-poort, terwijl de derde het RF-signaal en de DC-bias combineert. (Bron afbeelding: Crystek Corporation)

Bias-tees worden gebruikt om externe elektronica van stroom te voorzien, zoals een ruisarme versterker (LNA) die op een antenne met DC-vermogen is gemonteerd, terwijl een DC-vrije poort wordt gebruikt om een RF-ontvanger aan te sluiten. DC-bias wordt toegepast door middel van een serie-inductor, waardoor RF niet op de DC-bron kan worden toegepast. Net als een DC-blok is de RF-poort geïsoleerd van de DC-ingang door een seriecondensator. De gecombineerde poort passeert zowel de RF- als de DC-componenten.

De Crystek Corporation BTEE-01-50-6000 is een bias tee met een RF-bandbreedte van 50 megahertz (MHz) tot 6 GHz met behulp van SMA-aansluitingen. De RF-poort accepteert een RF-signaal met een maximaal vermogen van 2 watt. De DC-poort heeft een maximale DC-ingang van 16 volt. Het insteekverlies van de bias tee is typisch 0,5 decibel (dB) bij 2 GHz. In bedrijf is de RF+DC-poort aangesloten op de LNA en de antenne. De DC-voeding is aangesloten op de DC-poort en de ontvanger op de RF-poort.

In-line filters

Een andere nuttige coaxiale adapter is het in-line filter. Low-pass, high-pass en bandpassfilters zijn beschikbaar voor BNC- of SMA-aansluitingen. Deze worden toegepast om het spectrum van het signaal dat op de kabel wordt verzonden te controleren. Om bijvoorbeeld het effectieve aantal bits in een analoog-digitaal omzetter (ADC) te meten, zou een laagdoorlaatfilter tussen de signaalgenerator en de ADC worden geplaatst. Het filter zal de harmonische niveaus van de generator verzwakken, waardoor de meetnauwkeurigheid enorm wordt verbeterd. Dit maakt het mogelijk om een goedkope signaalgenerator te gebruiken.

Een goed voorbeeld van zo'n apparaat is Crystek's CLPFL-0100, een 7e orde, 100 MHz laagdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie van 100 MHz (Afbeelding 10).

Afbeelding van Crystek CLPFL-0100 zevenpolig, 100 MHz laagdoorlaatfilterAfbeelding 10: De CLPFL-0100 is een zevenpolig, 100 MHz laagdoorlaatfilter voor in-line plaatsing in een SMA-kabel. (Bron afbeelding: Crystek Corporation)

Een 100 MHz ingangssignaal zal zijn tweede harmonische verzwakking hebben met 30 dB en zijn hogere harmonische verzwakking met beter dan 60 dB. Als de signaalgenerator in het bovenstaande voorbeeld een specificatie van het harmonisch niveau had van -66 dB, dan zou het filter dit reduceren tot minder dan -96 dB.

Overspanningsbeveiligingen

Overspanningsbeveiligingen, ook wel bliksemafleiders genoemd, beschermen gevoelige elektronica tegen voorbijgaande schommelingen, zoals blikseminslag. Dit kan gebeuren met vonkspleetbuizen, gasbuizen of diodes die elektrisch afbreken om elektrische pieken te ontladen aan de grond, voordat ze de beschermde apparaten kunnen beschadigen.

De Amphenol Time Microwave Systems LP-GTR-NFF is een N-type connector in-line overspanningsbeveiliging die gebruik maakt van een vervangbare gasontladingsbuis. De buis breekt af bij DC-spanningen boven ±90 volt/20 A en kan schommelingen tot 50 watt opvangen. Het wordt in lijn geplaatst en heeft een bandbreedte van DC tot 3 GHz met een inbrengverlies van 0,1 dB tot 1 GHz en 0,2 dB tot 3 GHz (Afbeelding 11).

Afbeelding van Amphenol Times Microwave Systems LP-GTR-NFF overspanningsbeveiligingAfbeelding 11: De Amphenol Times Microwave Systems LP-GTR-NFF overspanningsbeveiliging is een in-line N-connector die wordt gebruikt om coaxiale lijnen te beschermen tegen transiënte schommelingen tot 50 watt. (Bron afbeelding: Amphenol Times Microgolfsystemen)

Overspanningsbeveiligingen worden over het algemeen gemonteerd op L-beugels die elektrisch en mechanisch zijn verbonden met een lage impedantie grond met behulp van grote, lage-inductieve geleiders. Het is belangrijk om op te merken dat de kwaliteit van de aardverbinding van invloed is op de prestaties van de overspanningsbeveiliging.

In-line verzwakkers

Verzwakkers verminderen het vermogen van een signaal zonder de signaalgolfvorm te verstoren. Coaxiale in-line versies bieden een vaste demping en zijn verkrijgbaar in een groot aantal connectortypes met een verscheidenheid aan stekker- en stekkerconfiguraties.

De Crystek Corporation CATTEN-03R0-BNC is een 3 dB, 50 Ω, BNC-demper met een bandbreedte van 0 tot 1 GHz en een vermogen van 2 Watt (Afbeelding 12). Het is een van de dertien dempingsmodellen die beschikbaar zijn in de productlijn met dempingen van 1 tot 20 dB.

Afbeelding van CATTEN-03RO-BNC van CrystekAfbeelding 12: De CATTEN-03RO-BNC van Crystek is een in-line coaxiale BNC 3 dB demper met een bandbreedte van 0 tot 1 GHz. (Bron afbeelding: Crystek Corporation)

In-line verzwakkers worden uiteraard gebruikt om het vermogen van een signaal te verlagen, maar minder duidelijk, ze worden ook gebruikt om isolatie te bieden tussen impedanties in in serie geschakelde apparaten, alsmede om impedantie mismatches en ongewenste reflecties te verminderen.

Overweeg om een aangepaste 3 dB demper in te bouwen voor een verkeerd afgestemde belastingsimpedantie. Het ingangssignaal van de verzwakker wordt door de verzwakker met 3 dB gereduceerd, omdat het zich voortplant naar de misplaatste belasting. Ervan uitgaande dat de mismatch een open circuit is, dan wordt het hele signaal gereflecteerd bij de belasting en weerkaatst door de verzwakker waar het nog eens 3 dB verlies lijdt bij de ingang van de verzwakker. Het retourverlies aan de ingang van de demper wordt met 6 dB verbeterd. De mismatch die wordt waargenomen bij de ingang van de demper wordt verbeterd met een bedrag dat gelijk is aan tweemaal de waarde van de demper - in dit geval is de totale vermindering 6 dB.

Deze techniek heeft als nadeel dat de amplitude van het doorgaande signaal met 3 dB afneemt, wat elders in het netwerk gecompenseerd moet worden. De Crystek CATTEN-03R0-BNC zou goed werken in deze toepassing.

Conclusie

Bij het aansluiten van instrumenten of andere apparaten met coaxiale adapters moeten ontwerpers en andere gebruikers van apparatuur op de hoogte zijn van de basisprincipes van de transmissielijn. Als die eenmaal zijn begrepen, kunnen gebruikers beter profiteren van deze zeer nuttige componenten met hun brede scala aan nutsbedrijven, met inbegrip van het veranderen van connectortypes en karakteristieke impedanties, signaalvertakkingen, filtering, overspanningsbeveiliging, signaalverzwakking, en DC-regeling en isolatie.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Art Pini

Arthur (Art) Pini is een verdienstelijke auteur bij Digi-Key Electronics. Hij behaalde een Bachelor-diploma in Elektrotechniek bij het City College van New York en een Master-diploma in Elektrotechniek bij de City University van New York. Hij heeft meer dan 50 jaar ervaring in elektronica en vervulde belangrijke technische en marketingfuncties bij Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek en Nicolet Scientific. Hij is geïnteresseerd in meettechnologie en heeft heel veel ervaring met oscilloscopen, spectrumanalysators, arbitraire golfvormgenerators, digitizers en vermogenmeters.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key