Optimering av RF-konstruktioner för drift i extrema miljöer

I en värld som blir alltmer beroende av trådlösa uppkopplingar behöver systemutvecklare för tillämpningar som t.ex. GPS för sjöfart, industriell IoT, smarta jordbruk och obemannade flygfarkoster RF-komponenter som kan fungera tillförlitligt i extrema miljöförhållanden. Utmaningarna är vibrationer, damm, hög luftfuktighet, exponering för vatten eller andra vätskor och saltstänk. Systemet måste vara konstruerat för att klara dessa tuffa förhållanden, men ett stort problem är RF-anslutningar där koaxialkablar överför RF-signaler mellan enheter eller mellan en enhet och en antenn. Konstruktörer måste vara säkra på att de kontaktdon och de kablage de använder är väl lämpade för uppgiften samtidigt som de uppfyller de ökande kraven på prestanda och anslutningsdensitet.

Artikeln diskuterar kort konstruktionsutmaningen för extrema miljöer innan RF-adaptrar, kontaktdon och kablage från Amphenol RF introduceras. Artikeln visar hur komponenter och täta kapslingar kan göra det lättare att skydda mot fukt, damm, vibrationer och korrosion och samtidigt tillhandahålla överlägsen RF-prestanda i små anslutningar som är lämpliga för kapslingar med hög densitet.

Extrema miljöer

Från fabriksgolv till oljeriggar, är IIoT (Industrial Internet of Things) ett exempel på en tillämpning som använder RF-enheter i miljöer som kan innehålla hög luftfuktighet, ånga, vätskor som sprutar eller stänker, damm eller frätande kemikalier som t.ex. saltvatten (figur 1).

Figur 1: Konceptuellt diagram över ett IIoT-system med trådlösa och kabelanslutna givare som kommunicerar med en gateway i molnkanten. Kontaktdon för RF används genomgående. (Bildkälla: Art Pini)

IIoT använder smarta givare, ställdon, robotar och liknande enheter för att förbättra tillverkningsprocesser. Enheterna är nätverksanslutna och gör det möjligt att samla in, utbyta, analysera och kontrollera data. Att dela data från flera olika maskiner och system bidrar till effektivare och mer tillförlitliga industriella processer.

Vid konstruktion av enheter som dessa måste hänsyn tas till miljön. Extrema miljöer kräver att enheten är tät och alla portar måste vara korrosionsbeständiga och läckagesäkra. Kapslingar av metall kräver externa antenner. Kontaktdon behövs även för givare utanför enheten och för signalförbindelser med andra enheter. Koaxialkontaktdon för antenner och signalkablage måste tätas med hjälp av sina kapslingar och packningar för att uppfylla toleranskraven för exponering. Branschstandarden IEC 60529 använder IP-klassificering för att definiera vilken nivå av skydd ett kontaktdon innehar. IP-klassificering består av bokstäverna ”IP” följt av ett tvåsiffrigt nummer. Den första siffran anger nivån av skydd mot inträngning av damm och fasta partiklar. Den andra siffran anger nivån av skydd mot vatteninträngning. IP-klassificeringens definitioner varierar från inget skydd till fullständigt skydd, där högre siffror indikerar ett bättre skydd (figur 2).

Figur 2: IP-klassificering för damm- och vatteninträngning enligt standarden IEC 60529. (Bildkälla: Amphenol RF)

Kontaktdon för extremt utsatta miljöer bör ha en IP-klassificering på IP67 eller IP68. IP67-klassificeringen innebär en dammtätning och skydd mot vatten, inklusive nedsänkning på upp till 1 meters djup i 30 minuter.

IP67-klassificerade koaxialkontaktdon

Amphenol RF har ett brett sortiment av damm- och vattentäta, IP-klassificerade, koaxialkontakter av typen SMA, BNC och TNC. Ett exempel på ett SMA-uttag avsett för panelmontage med kablaget RG-58 är modellen 901-10746-EE som har en IP67-klassificering (figur 3).

Figur 3: Uttaget RF 901-10746-EE för panelmontage är klassificerat enligt IP67 vilket innebär att det är vattentätt, dammtätt och korrosionsbeständigt mot saltvatten. (Bildkälla: Amphenol RF)

De elektriska egenskaperna för denna honkontakt av typen SMA inkluderar en nominell impedans på 50 Ω för koaxialkabel RG-58. Den arbetar i ett frekvensområde från DC till 6 GHz och har en maximal VSWR (spänningens stående våg-förhållande) på 1,30:1, vilket motsvarar en returdämpning på -18 dB, och en dielektrisk genomslagskraft på 1000 V RMS (Vrms). Driftstemperaturområdet är -65 till +165 °C. Monteringsprocessen börjar med lödning av mittledaren för kontaktdonets stift. Stiftet och kabeln förs in i kontaktdonet och skärmflätan appliceras på utsidan, över det räfflade området. Hylsan pressas därefter över skärmflätan. O-ringspackningen tätar kontaktdonet mot panelen.

Kontaktdonet är av mässing, hylsan av koppar och båda har en korrosionsbeständig plätering av en tenn- och nickellegering. Pläteringen uppfyller standarden för MIL-STD-202 metod 101 för saltstänk med en saltlösning på 5 % som upprepas under 720 timmar. Efter exponering av saltlösning verifieras pläteringens integritet och kontaktdonets RF-prestanda, inklusive kontaktresistans och returdämpning, testas på nytt.

Mittledarkontakten är av berylliumkoppar med guldplätering och sitter i ett dielektrikum av teflon. Den uppfyller kraven för IP67 i isärkopplat tillstånd när den är monterad med kablage och hylsa.

Kontaktdonet monteras på en panel av rostfritt stål och förseglas med en silikonpackning för att garantera dess fysiska integritet och överensstämmelse enligt IP67.

En passande kontakt för SMA är 901-9876-RFX-EE från Amphenol RF. Denna kabelmonterade kontakt av typen SMA har samma materialsammansättning och plätering som uttagen för panelmontage och fungerar inom samma temperaturområde. Den passar ihop med kontakten med hjälp av en gängad hylsa över uttagets gängade kropp. Liksom 901-10746-EE har kontakten en IP67-klassificering och är avsedd att användas med kablaget RG-58. Den har ett frekvensområde från DC till 12,4 GHz.

RF-kontaktdon för extrema miljöer finns även som BNC- och TNC-kontaktdon. Ett TNC-kontaktdon är en version av ett BNC-kontaktdon, men med gängor. Gängade kontaktdon är vibrationsbeständiga när de dras åt med angivet moment. 031-6501-EE (figur 4, vänster) är ett vinkelrätt TNC-kontaktdon som använder samma material som SMA-kontaktdonen, uppfyller klassificeringen för IP67 samt är korrosionsbeständig. Den är klassificerad för ett driftstemperaturområde på mellan -40 och +85 °C. Den har en karakteristisk elektrisk impedans på 50 Ω och ett driftfrekvensområde på upp till 6 GHz. Med rätvinkliga kontaktdon behöver inte kablaget böjas, vilket minimerar risken för skador på koaxialkabeln och det sparar samtidigt utrymme i de små kapslingar som används i IIoT-system och liknande system. 031-6501-EE kan kopplas ihop med en passande adapter för panelmontage, som t.ex. AD-TNCJTNCJ-EE (figur 4, höger).

Figur 4: Det vinkelräta kontaktdonet 031-6501-EE och TNC-adaptern AD-TNCJTNCJ-EE för panelmontage möjliggör snäva böjar utan att kablaget behöver böjas, samtidigt som det upptar mindre utrymme i små IIoT-kapslingar. (Bildkälla: Amphenol RF)

AD-TNCJTNCJ-EE har en IP68-klassificering, är korrosionsbeständig och har ett driftstemperaturområde på mellan -65 och +165 °C. Den karakteristiska impedansen är 50 Ω och den arbetar upp till 18 GHz. VSWR är 1,2:1 (motsvarande en returdämpning på -21 dB) för frekvenser mellan 0 och 11 GHz, och 1,3:1 (motsvarande en returdämpning på -18 dB) för frekvenser mellan 11 och 18 GHz. Adaptrar för panelmontage gör det möjligt att koppla bort kablage från en monteringspanel eller dörr så att service kan utföras på ett enkelt sätt.

BNC-kontaktdon är som TNC-enheter, men skiljer sig främst genom låsmekanismen. BNC är ett kontaktdon för snabb in-/urkoppling med två bajonettklackar på uttagssidan som griper in i spår på kontaktenheten och låser ihop dem efter ett kvarts varvs vridning. De har även en IP67-klassificering och är korrosionsbeständiga mot saltstänk.

BNC-kontaktdonet 031-6924-EE (figur 5, vänster) har ett driftstemperaturområde på mellan -40 och +85 °C. Den karakteristiska impedansen på 50 Ω är kompatibel med kablage för RG-58. Den har ett VSWR på 1,30:1 (motsvarande en returdämpning på -18 dB) och ett frekvensområde från DC till 6 GHz.

AD-BNCJBNCJ-EE (figur 5, höger) är en adapter för panelmontage med uttag-till-uttag men är även ett kontaktdon på 50 Ω med en maximal frekvens på 12 GHz. VSWR är 1,30:1 (motsvarande en returdämpning på -18 dB) från DC till 4 GHz, och mindre än 1,45:1 (motsvarande en returdämpning på -15 dB) från 4 till 12 GHz. Driftstemperaturområdet är -40 till +85 °C.

Figur 5: BNC-kontaktdon för extremt utsatta miljöer används för snabb in-/urkoppling. (Bildkälla: Amphenol RF)

Sammanfattning

Vid utformning av trådlösa enheter måste konstruktörer ta hänsyn till fysiska och elektriska tillämpningskrav för att säkerställa produktens funktionalitet och livslängd. Koaxialkontakter för RF som används i trådlösa system har som främsta uppgift att upprätthålla signalintegriteten oberoende av den omgivande miljön. Därför är det viktigt att välja kontaktdon och adaptrar med hög tillförlitlighet som tål vibrationer, inträngande vätska, damm och korrosion. Kontaktdon för exponerade extrema miljöer från Amphenol RF är idealiska för konstruktioner i tuffa miljöer.