Förstå grunderna för koaxialadaptrar för att bättre utnyttja dessa mycket användbara komponenter

Användare av elektronisk instrumentutrustning som involverar överföring eller mottagning av högfrekventa elektriska signaler är ofta bekanta med koaxiala anslutningar eftersom de används i stor utsträckning. T.o.m. så pass mycket att dessa anslutningstyper kan tas för givet - tills det är dags att ansluta flera instrument eller förlänga koaxialkablar. I det läget kan konstruktörer eller andra användare av utrustning använda sig av adaptrar; men innan de gör det måste de förstå konsekvenserna och egenskaperna hos varje typ av adapter de vill använda.

Det finns en bred mångfald av adaptrar av en anledning. T-varianter ansluter en enda signalkälla till flera instrument, medan kopplingar centrumstift (cirkulära, runda) förlänger koaxialkabellänkar. Sedan finns det DC-block, bias-T-kopplingar, impedansmatchande adaptrar, överspänningsskydd och termineringar - alla används ofta men ibland inte helt förstådda. Rätt användning av dessa adaptrar kräver vissa grundkunskaper om överföringsledningar och omsorg vid val av dem.

Denna artikel ger en kort översikt av transmissionsledningar. Den introducerar sedan olika typer av koaxialadaptrar, beskriver hur de fungerar och visar hur man bäst kan använda dem. Verkliga exempel från Amphenol RF, Amphenols Times Microwave Systems, och Crystek Corporation används.

Vad är transmissionsledningar?

Transmissionsledningar, i form av koaxialkablar, platta ledare, microstrip eller andra, ansluter en signalkälla till en last. Transmissionsledningar har en karakteristisk impedans som bestäms av ledarnas fysiska dimensioner, deras avstånd och det dielektriska material som används för att isolera ledarna. Koaxialkablar har oftast en karakteristisk impedans på 50 ohm (W) för allmänt RF-arbete eller 75 W för videotillämpningar.

För att säkerställa maximal effektivitet vid överföring av effekt från källan till lasten ska impedansen hos källan, den karakteristiska impedansen hos transmissionsledningen och lastimpedansen matchas. Om impedanserna skiljer sig åt reflekteras viss energi från den felmatchade övergången. Om exempelvis lastimpedansen skiljer sig från källans och transmissionsledningens impedans, reflekteras energi från lasten tillbaka mot källan (figur 1).

Figur 1: En koaxialledning med en felmatchad last reflekterar energi från lasten tillbaka mot källan och skapar stående vågor i transmissionsbanan. (Bildkälla: DigiKey)

De infallande och reflekterade vågorna överlagras dessutom längs transmissionsbanan och bildar stående vågor där amplituden varierar periodiskt över banans fysiska längd. Stående vågor orsakar mätfel och kan leda till skador på komponenter. Impedansmatchning av källan, transmissionsledningen och lasten förhindrar att stående vågor skapas och bidrar till att säkerställa den mest effektiva effektöverföringen från källan till lasten.

På grund av impedansmatchningskraven är det viktigt att använda rätt adapter. Men som konstruktören snart upptäcker, är adaptrarna många och vitt skiftande och har ofta funktioner utöver att skapa en enkel anslutning.

T-adaptrar

Tänk på ett grundläggande instrumentsystem som består av en källa, ett oscilloskop och en spektrumanalysator (figur 2).

Figur 2: Anslutning av de tre instrumenten i detta exempel med hjälp av en T-adapter kräver justering av oscilloskopets ingångsimpedans för att förhindra en felaktig matchning vid signalkällan. (Bildkälla: DigiKey)

Signalkällan har en utgångsimpedans på 50 Ω och är avsedd att driva en last på 50 Ω. Om en T-adapter används för att ansluta oscilloskopet och spektrumanalysatorn med båda inställda på 50 Ω ingångstermineringar, kommer signalkällan att "se" en last på 25 Ω, vilket reducerar uteffekten och orsakar stående vågor i kablarna. Hemligheten här är att ställa in instrumentet i mitten av koaxialbanan till en högimpedant ingångsterminering, och instrumentet på andra sidan av koaxialbanan till dess 50 Ω-ingångsterminering, som visat. Signalkällan ser detta som en last på 50 Ω, och allt kommer att gå bra.

Amphenol RF:s 112461 (figur 3) är en BNC-T-koppling med en enda BNC-kontakt, två BNC-uttag och en bandbredd på 4 gigahertz (GHz). Den kan användas i den konfiguration som visas i vårt exempel för instrument med bandbredder under 4 GHz.

Figur 3: Amphenols 112461 BNC-T-koppling erbjuder en 4 GHz bandbredd. I exemplet som visas i figur 1 är kontakten ansluten till oscilloskopingången, och koaxialkablar är anslutna från BNC-uttagen till signalkällan och spektrumanalysatorn. (Bildkälla: Amphenol RF)

Vilken typ av T-koppling man bör välja beror på kontakterna som används på instrumenten och ska baseras på bandbredderna för respektive instrument. I allmänhet är koaxialadaptrar som T-kopplingar inte tillgängliga för bandbredder över 40 GHz eftersom signalförluster blir problematiska i adaptrar vid dessa frekvenser. En lista över de vanliga koaxialkontakterna för instrument för vilka adaptrar är allmänt tillgängliga visas tillsammans med deras utmärkande attribut (tabell 1).

Tabell 1: Vanliga koaxiala kontaktfamiljer för vilka adaptrar finns tillgängliga. Över 40 GHz ger adaptrar förluster som gör dem olämpliga att använda. (Tabellkälla: DigiKey)

Adaptrar för kontaktdonsfamiljer

Att ha flera anslutningstyper ger upphov till ett behov att kunna konvertera från en typ av anslutning till en annan. Tänk om du behöver montera en SMA-kabel från BNC-ingången på ett oscilloskop eller spektrumanalysator. För denna situation erbjuder Amphenol RF:s 242103 en BNC-kontakt för att ansluta till instrumentet och ett SMA-uttag för att ta emot SMA-kabeln (figur 4).

Figur 4: En BNC- till SMA-adapter passar in mellan ett BNC-uttag och en SMA-kontakt som behövs för att ansluta en SMA-kabel till en instrumentingång. (Bildkälla: Amphenol RF)

Användare av utrustning bör komma ihåg att varje gång en adapter används minskar anslutningens bandbredd till den lägre bandbredden för de två anslutningsfamiljerna. När det gäller BNC- till SMA-adaptern är bandbredden 4 GHz, nedärvt från BNC:n.

Det finns också adaptrar som erbjuder impedansändringar från 50 till 75 Ω och vice versa.

Adaptrar för centrumstift och genomföringar

Förlängning av eller dragning av kablar genom en panel kräver användning av raka adaptrar (centrumstift) eller genomföringsadaptrar. Dessa är tillgängliga för de kontaktdonsfamiljer som visas i tabell 1. Ett exempel är Amphenol RF:s 132170 genomföringsadapter, som har två SMA-uttag till vilka kablar som använder SMA-kontakter kan anslutas på vardera sidan om en vägg eller panel (Figur 5).

Figur 5: Ett exempel på en SMA-genomföringskontakt, som kan monteras på en panel för att leda en koaxial anslutning genom den. (Bildkälla: Amphenol RF)

Centrumstiftkontakter kan konfigureras som uttag till uttag, eller som stickdon till stickdon eller, mer sällan, som stickdon till uttag.

Termineringar

För att ansluta flera högimpedansingångsinstrument i serie från en 50 Ω-källa krävs en 50 Ω-terminering (figur 6).

Figur 6: Om man ansluter flera högimpedansingångar till en 50 Ω-källa krävs en extern 50 Ω-terminerare för att förhindra reflektion i koaxialledningarna. (Bildkälla: DigiKey)

Amphenol RF:s 50 Ω-terminerare 202120 är ett exempel på en koaxialterminerare konfigurerad som ett BNC-uttag (figur 7).

Figur 7: Amphenol RF:s 202120 är en 50 Ω-anslutning konfigurerad som ett BNC-uttag. (Bildkälla: Amphenol RF)

BNC-uttaget tar emot koaxialkabel direkt. Det finns också avslutningar i form av BNC-kontakter som passar med ett BNC-uttag. Dessa är användbara när du terminerar ett instrument direkt på frontpanelen. De flesta oscilloskop erbjuder både högimpedanta och 50 Ω-ingångar, med det finns en spänningsgräns på oscilloskopingångarna på 50 Ω, vanligtvis 5 volt. Oscilloskop har också en effektbegränsning på 0,5 watt på sina 50 Ω-ingångar. 202120 är klassad till 1 watt och kan hantera över 7 volt.

Terminerare finns också för andra impedanser. Exempelvis används 75 Ω-terminerare ofta i tv- och videotillämpningar. Noll-ohms- eller kortslutningsterminering används vid kalibrering av nätverksanalysatorer.

DC-blockerare och bias-T-kopplingar

DC-blockeraren är en koaxialadapter som blockerar likströmssignaler och låter RF-signaler passera. Den används för att skydda känsliga RF-komponenter från DC, vilket blockeras med en kondensator. Det finns tre typer av DC-block:

• En inre DC-blockering använder en kondensator i serie med koaxialkabelns inner- eller mittledare
• En yttre DC-blockering har en kondensator i serie med koaxialkabelns skärmledare
• En inre/yttre DC-blockering har kondensatorer i serie med både den inre och yttre ledaren

Alla typer av DC-blockeringar är avsedda för specifika karakteristiska impedanser, vanligtvis 50 eller 75 Ω. Crystek Corporations CBLK-300-3 är en 50 Ω, DC-blockering på innerledaren som släpper igenom signaler med frekvenser från 300 kHz till 3 GHz, medan den blockerar DC-nivåer på upp till 16 volt med låga införings- och returförluster över sitt frekvensområde (figur 8).

Figur 8: Crysteks CBLK-300-3 blockerar DC och släpper igenom signaler med frekvenser på 300 kHz till 3 GHz. (Bildkälla: Crystek Corporation)

Bias-T-koppling

Bias-T-kopplingen är besläktad med DC-blockeringen. Det är en adapter med tre portar där likström matas till en port. En andra port kombinerar DC-förspänningen (bias) med den infallande RF-signalen från en isolerad RF-port (figur 9).

Figur 9: Bias-T-kopplingen har tre portar: en för att applicera en DC-förspänning, en är en isolerad RF-port och den tredje överlagrar RF-signalen och DC-förspänningen. (Bildkälla: Crystek Corporation)

Bias-T-kopplingen används för att leverera ström till fjärrelektronik, som en lågbrusförstärkare (LNA) monterad på en antenn med likström, samtidigt som den tillhandahåller en DC-fri port för att ansluta en RF-mottagare. DC-förspänningen appliceras genom en serieinduktor som blockerar RF från att appliceras på DC-källan. Som med en DC-blockering isoleras den rena RF-porten från DC-ingången med en seriekondensator. Den kombinerade porten passerar både RF- och DC-komponenterna.

Crystek Corporations BTEE-01-50-6000 är en bias-T-koppling med en RF-bandbredd på 50 megahertz (MHz) till 6 GHz med SMA-uttag. RF-porten kan ta emot en RF-signal med en maximal effektnivå på 2 watt. DC-porten har en maximal DC-ingång på 16 volt. Införingsförlusten för förspänningen är typiskt 0,5 dB vid 2 GHz. I drift är RF + DC-porten ansluten till lågbrusförstärkaren och antennen. DC-strömkällan är ansluten till DC-porten och mottagaren är ansluten till RF-porten.

In-line-filter

En annan användbar koaxialadapter är in-line-filtret. Lågpass-, högpass- och bandpassfilter finns för BNC- eller SMA-anslutningstyper. Dessa används för att styra spektrat för signalen som sänds på kabeln. För att exempelvis mäta det effektiva antalet bitar i en A/D-omvandlare (ADC), införs ett lågpassfilter mellan signalgeneratorn och A/D-omvandlaren. Filtret dämpar generatorns harmoniska nivåer och förbättrar därmed mätnoggrannheten avsevärt. Detta gör att en signalgenerator till lägre kostnad kan användas.

Ett bra exempel på en sådan enhet är Crysteks CLPFL-0100, ett sjunde ordningens lågpassfilter med en gränsfrekvens på 100 MHz (figur 10).

Figur 10: CLPFL-0100 är ett sjupoligt 100 MHz lågpassfilter för inskarvning i en SMA-kabel. (Bildkälla: Crystek Corporation)

En ingångssignal på 100 MHz kommer att få 2:a ordningens harmoniska signal dämpad med 30 dB och dess högre harmoniska signaler dämpade med mer än 60 dB. Om signalgeneratorn i exemplet ovan hade en harmoniknivåspecifikation på -66 dB, skulle filtret reducera det till under -96 dB.

Stötpulsskydd

Stötpulsskydd, ibland kallade åskledare, skyddar känslig elektronik mot transienta störningar, som blixtar. Detta kan göras med gnistgap, gasrör eller dioder som genombryts elektriskt för att urladda elektriska spänningar i marken (till jord) innan de kan skada enheterna som ska skyddas.

Amphenol Time Microwave Systems LP-GTR-NFF är ett stötpulsskydd med kontakt av N-typ som använder ett utbytbart gasurladdningsrör. Röret bryts igenom vid likspänningar över ± 90 volt / 20 A och klarar stötpulser på upp till 50 watt. Det kopplas in-line i ledningen och har en bandbredd från DC till 3 GHz med en införingsförlust på 0,1 dB upp till 1 GHz och 0,2 dB upp till 3 GHz (figur 11).

Figur 11: Amphenol Times Microwave Systems stötpulsskydd LP-GTR-NFF är en in-line-kopplad N-kontaktenhet som används för att skydda koaxialledningar mot transienta pulser på upp till 50 watt. (Bildkälla: Amphenol Times Microwave Systems)

Stötpulsskydd monteras vanligtvis på L-fästen som är bundna elektriskt och mekaniskt till en lågimpedansjord med stora ledare med låg induktans. Det är viktigt att tänka på att jordanslutningens kvalitet påverkar stötpulsskyddets prestanda.

In-line-dämpare

Dämpare minskar effektnivån för en signal utan att signalvågformen förvrängs. Koaxiala in-line-varianter erbjuder en fast dämpning och finns i ett stort antal anslutningstyper med olika konfigurationer för uttag eller stickdon.

Crystek Corporations CATTEN-03R0-BNC är en 3 dB, 50 Ω, BNC-dämpare med en bandbredd på 0 till 1 GHz och en effekt på 2 watt (figur 12). Det är en av 13 st dämparmodeller som finns i deras produktserie med dämpningar från 1 till 20 dB.

Figur 12: CATTEN-03RO-BNC från Crystek är en koaxial in-line-BNC-dämpare på 3 dB med en bandbredd på 0 till 1 GHz. (Bildkälla: Crystek Corporation)

Inline-dämpare används uppenbarligen för att minska effektnivån på en signal, men mindre uppenbart är att de även används för att ge isolering mellan impedanser i seriekopplade enheter, samt för att minska impedansfelmatchningar och oönskade reflektioner.

Överväg att sätta in en matchad 3 dB-dämpare framför en felmatchad lastimpedans. Dämparens ingångssignal reduceras med 3 dB av dämparen när den fortplantas till den felmatchade lasten. Förutsatt att felmatchningen sitter i en öppen krets, reflekteras hela signalen vid lasten och studsar tillbaka genom dämparen där den reduceras med ytterligare 3 dB på dämparingången. Returförlusten på dämparingången förbättras med 6 dB. Den obalans som observeras vid dämparens ingång förbättras med ett belopp som är lika med dubbelt så mycket som dämparens nominella värde - i detta fall är den totala minskningen 6 dB.

Denna teknik har nackdelen att genomgångssignalens amplitud reduceras med 3 dB, vilket måste kompenseras för någon annanstans i nätverket. Crysteks CATTEN-03R0-BNC skulle fungera bra i en tillämpning som denna.

Slutsats

När instrument eller andra enheter ansluts till koaxialadaptrar, måste konstruktörer och andra användare av utrustning känna till grunderna kring transmissionsledningar. När de känner till dessa kan användarna bättre utnyttja dessa mycket användbara komponenter med sina breda användningsområden, inklusive olika anslutningstyper och karakteristiska impedanser, signalförgrening, filtrering, överspänningsskydd, signaldämpning, likströmsdämpning och isolering.