Förstå och välja koaxiala kontaktdon och färdigmonterade kablar i GHz-området

Kontaktdon för radiofrekvens (RF) och deras färdigmonterade koaxialkablar (koax) tillhandahåller väsentliga signalvägar mellan kretskort, underenheter och chassi. Ett lämpligt kontaktdon ger åtminstone den lägsta nödvändiga elektriska prestandan och mekaniska tåligheten. Kontaktdonsfamiljerna för RF som har tjänat oss väl i många år, inklusive BNC-kontakten med bajonettfäste, är dock inte längre tillräckliga på grund av de fysiska storleks- och prestandabegränsningarna.

För att klara de många utmaningarna i dagens konstruktioner, kan ingenjörer välja bland många specifika typer från flera välkända familjer, som alla erbjuder en kombination av högre bandbredd, mindre storlek och användning av tunnare koaxialkablar. Kontaktdonen finns i ett brett utbud av varianter för kretskort likväl som för kabel för att klara de många klasserna av fysiska installationsprioriteringer. Konstruktörer måste därför först välja en lämplig kontaktdonsfamilj för att uppfylla konstruktionskraven och sedan en variant inom familjen.

Artikeln tittar på fem allmänt använda familjer av RF-kontaktdon för Gigahertz (GHz). Den tittar även på den närbesläktade frågan med färdigmonterade kablar som avslutas med det valda kontakdonet, med komponenter från olika familjer frånWürth Elektronik .

Grunderna för RF-kontaktdon

Det är viktigt att förtydliga den anslutningsrelaterade terminologin. Ett ”kontaktdon” är den avslutande metalldelen som kan kopplas ihop eller kopplas ur efter behov, medan ”kabel” är den koaxialkabel som består av en inre kopparledare, en dielektrisk distans, en yttre skärm och en isolering, som kontaktdonet är anslutet till. En ”färdigmonterad kabel” är kombinationen av en kabel med ett kontaktdon i den ena eller i båda ändarna. Begreppet ”kabel” används dock ofta istället för ”färdigmonterad kabel” i dagligt tal, och den faktiska innebörden förtydligas oftast av sammanhanget. Vi kommer att använda dessa termer enligt deras strikta betydelse i artikeln.

Även om kontaktdon är passiva komponenter och inte tillför någon signalbehandling eller förbättring, är de viktiga delar i nästan alla konstruktioner av produkter. Det ”perfekta” kontaktdonet har viktiga mekaniska egenskaper såsom bekväm sammankoppling och urkoppling samt mekanisk och elektrisk integritet. Den ska dessutom vara elektriskt osynlig utan DC-resistans i ohm, eller avbrott i RF-impedansen. Utmaningarna med att konstruera, tillverka och använda kontaktdon ökar med driftfrekvensen. Eftersom den driftfrekvens som krävs, sträcker sig in i RF-området, in i och över Gigahertz-området (GHz), måste deras mekaniska konstruktion nödvändigtvis bli allt mer exakt, med många kritiska egenskaper och parametrar för prestanda.

Klassiska kontakter som BNC (Bayonet Neil-Concelman), som finns i varianter med 50 och 75 Ω (den sistnämnda för video och TV), har använts i stor utsträckning sedan femtiotalet och används fortfarande (figur 1). Detta låsbara kontaktdon har en snabbkoppling/frånkoppling via ett ”bajonettsystem” med en tredjedels vridning. Även om frekvenssvaret formellt klassificeras till 4 GHz, så ökar anslutningens förluster till ofta oacceptabla nivåer vid högre frekvenser. Fysiskt passar de inte heller bra för dagens kompakta, tätt packade konstruktioner på grund av att de är relativt stora och den färdigmonterade kabeln kräver en stor böjradie.

Figur 1: Kontaktdonet BNC har ett bajonettlås för hylsan och har använts i stor utsträckning sedan det konstruerades i början av femtiotalet, men det passar inte bra elektriskt och mekaniskt i många av dagens högfrekventa tillämpningar med begränsat utrymme. En hankontakt används vanligtvis för färdigmonterade kablar (vänster), en honkontakt (höger) för användning i instrumentpaneler. (Bildkälla: Wikipedia, Pinterest)

Nyare familjer för nya tillämpningar

Det finns många kontaktdonsfamiljer som är branschstandard, som är effektivare för högre frekvenser och mer kompakta tillämpningar. Bland de populäraste är familjerna SMA, SMB, SMP, MMX och MMCX, alla med standard 50 Ω RF-impedans. Var och en har olika kombinationer av elektriska och mekaniska egenskaper. Till skillnad från BNC-kontaktdonets 17 millimeter (mm) i diameter, har dessa kontaktdon en mycket mindre diameter i intervallet 5 mm.

Artikeln kommer att gå igenom ett kontaktdon från var och en av dessa familjer. Men inom varje familj finns det många produkter med nästan identiska elektriska specifikationer, men mycket olika mekaniska konfigurationer och arrangemang. Dessa inkluderar varianter för kretskort med ett rätvinklat kontaktdon eller ett rakt kontaktdon, och med ytmontering, genomgående hål eller eller slutterminering, samt varianter för montage bakom mellanväggar, panelmontage med lödöra, flatstift eller runda stift. Det finns även olika arrangemang för sammankoppling av kontakter som sitter i änden av kabeln, såsom raka och rätvinklade varianter.

Att ha så många alternativ inom en viss anslutningstyp är bra för konstruktörer eftersom det ökar sannolikheten för att det finns en tillgänglig standardprodukt med en specifik formfaktor som passar bra för produktens konstruktion och begränsningar. Det innebär att det kommer att krävas en liten eller ingen förändring av produktens mekaniska konstruktionsprioriteringar. Men nu, en närmare titt på dessa fem familjer:

• SMA : Subminiatyrkontaktdon av koaxialtyp i SMA-serien är konstruerade med en gängad koppling för att garantera en hög mekanisk stabilitet vid intensiva vibrationer (figur 2). Kontaktdonets inkapslade mittstift och isolering ökar den axiella kraften och momentet. Den tjocka guldpläteringen på mittstiftet bidrar till en förbättrad elektrisk prestanda och upp till 500 kopplingscykler.

Figur 2: Subminiatyrkontaktdon i SMA-serien använder en gängad koppling för förbättrad mekanisk integritet mot intensiva vibrationer. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Ett bra exempel på denna typ av kontaktdon är 60312242114510 från Würth Elektronik, ett SMA-kontaktdon för DC till 10 GHz med ett honuttag (figur 3). Den är konstruerad för användning på kretskortskanter och för testanslutningar Detta panelmonterade lödbara kontaktdon levereras även med en mutter på framsidan och en låsbricka för att underlätta panelmontering för ytterligare styvhet i slutprodukten.

Figur 3: SMA-kontaktdonet 60312242114510 DC till 10 GHz med ett honuttag inkluderar en mutter på framsidan och en tillhörande låsbricka för ytterligare mekanisk integritet vid montering i en panel eller mellanvägg (alla mått i millimeter). (Bildkälla: Würth Elektronik)

Viktiga RF-specifikationer inkluderar stående våg-spänningsförhållande (VSWR) under 1,2 och en införingsförlust (IL) på mindre än 0,14 decibel (dB) från DC till 12,4 GHz, med motsvarande VSWR- och IL-tal på 1,4 och 0,2 dB från 12,4 till 18 GHz.

• SMB: Kontaktdon i SMB-serien är utformade för snabbkoppling med bredbandskapacitet från DC upp till 4 GHz. De är mindre än kontaktdon i SMA-serien och är därför väl lämpade för miniatyrisering av kretsar. Bland de tillgängliga SMB-kontaktdonen finns kretskortsuttag för genomgående hål och ytmontering, samt kontaktdon för kretskortskant och kabel med kontakter och uttag (figur 4).

Figur 4: SMB-kontaktdon är snabbkopplade enheter som är mindre än SMA-kontaktdon och inte har några gängor. De finns även i en mängd konfigurationer. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Ett exempel på ett SMB-kontaktdon är61611002121501 , en rätvinklad hankontakt för genomgående hål, med lödanslutning samt en VSWR på 1,5 och en införingsförlust under 0,2 dB (figur 5). Liksom SMA-enheten klassificeras den också till 500 kopplingscykler.

Figur 5: SMB-kontaktdonet 61611002121501 är en rätvinklad enhet med snabbkoppling som är konstruerad för montering och lödning i genomgående hål, och är mindre än SMA-enheten men med jämförbara specifikationer. (Bildkälla: Würth Elektronik)

• SMP-serien: Miniatyrkontakterna funktioner för glidmontering och snäpplås kan användas i tillämpningar upp till 40 GHz. De finns med tre typer av gränssnitt: fullständigt ”hack” med maximal retention för hög tålighet mot vibrationer (100 cykler), begränsat hack med medel till låg retention (500 cykler) och slätborrad (1000 cykler) med den lägsta retentionen som uppnås för glidkontakter i modulära system och tillämpningar (figur 6).

Figur 6: Kontaktdon i SMP-serien erbjuder olika grader av retention, inklusive begränsat hack för medelhög till låg retention (vänster) och klassificering för 500 cykler samt slätborrad (höger) med lägsta retention och dubbelt så många cykler. (Bildkälla: Würth Elektronik)

En av kontakterna i denna serie är 60114202122305 , ett ytmonterat kontaktdon för kretskortskanter med ett förlängt lödstift för kretskort med upp till 1,2 mm maximal tjocklek (figur 7). Det anges ha en VSWR på 1,5 och en införingsförlust på 0,42 dB från DC till 12 GHz.

Figur 7: 60114202122305 är ett slätborrat kontaktdon för kretskortskant i SMP-serien som är klassificerat för 12 GHz. (Bildkälla: Würth Elektronik)

• MCX-serien: Kontaktdon i MCX-serien (Micro Coaxial) har en snabbkopplingsmekanism för snabb och enkel anslutning och är avsedda för drift från DC till 6 GHz (figur 8). Kontakterna är kompatibla medIEC 61169-36 ,”Anslutningsdon för högfrekvens - Del 36: Koaxialdon med snäppfastsättning, 50 ohm (typ MCX)”

Figur 8: Kontaktdonsserien MCX är en ännu mindre familj av kontaktdon med snabbkoppling som är kompatibla med IEC 61169-36. (Bildkälla: Würth Elektronik)

60612202111308 är ett ytmonterat uttag för kretskortskanter och passar för kort som är upp till 1,6 mm tjocka. Det har en VSWR på 1,3 och en infogningsförlust på 0,25 dB i området och är klassificerat för 500 kopplingscykler.

Figur 9: Det ytmonterade uttaget 60612202111308 i MCX-serien för kretskortskant har en infogningsförlust på bara 0,25 dB till 6 GHz. (Bildkälla: Würth Elektronik)

•MMCX-serien: Kontaktdonen är ungefär 30 % mindre än MCX-kontaktdonen och är lämpliga i tillämpningar med krav på en extremt liten konstruktion (figur 10). De har en snabbkopplingsmekanism för snabb och enkel anslutning och uppfyller också IEC 61169-36.

Figur 10: Kontaktdon i MMCX-serien är cirka 30% mindre än de i MCX-serien och uppvisar jämförbara RF-prestanda. (Bildkälla: Würth Elektronik)

MMCX-kontaktdonet 66046011210320 är exempelvis en ”frihängande” hankontakt, med krimpanslutning i MMCX-familjen (figur 11). Detta kontaktdon för 6 GHz passar för koaxialkablarna RG174, RG316 och RG188 och har en VSWR på 1,3 och en införingsförlust på 0,3 dB.

Figur 11: MMCX-kontaktdonet 66046011210320 är konstruerat för att krimpas på en kabel som t.ex. koaxialmodellerna RG174, RG316 och RG188. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Specialkontaktdon och adaptrar avrundar familjerna

Med tanke på det stora utbudet av kontaktdon som används, är det oundvikligt att det finns ett behov av adaptrar för att möjliggöra sammankoppling mellan en familj och en annan. Würth Elektronik har flera kompletta serier av adaptrar som stöder övergång från en anslutningstyp och kön till en annan, t.ex. från SMA-kontakter och uttag till den andra serien av kontakter och uttag (figur 12).

Figur 12: De många tillgängliga kontakt- och uttagsadaptrar för SMA som visas ger en sömlös övergång till olika typer av kontaktdon i familjerna SMB, MCX och MMCX. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Det finns en annan speciell anslutningstyp som inledningsvis kan förvirra konstruktörer: kontaktdonet för omvänd polaritet (RP). Standardkonfigurationen för kontaktdonet är att ha en hankontakt (stift) i kontakten och en motsvarande hona i uttaget. Men i USA föreskriver Federal Communications Commission (FCC) förordningar en omvänd ”könspolaritet” i vissa unika fall.

Skälet är flera decennier gammalt och härrör från den tid då trådlösa WiFi-routrar för konsumentanvändning infördes. De var utformade för en begränsad räckvidd med en liten antenn som skruvades fast direkt på WiFi-enhetens antennanslutning i basenheten, och gav därmed ingen möjlighet att flytta på antennen. FCC var dock oroliga för att slutanvändare skulle försöka öka enhetens räckvidd med tilläggsförstärkare och/eller externa antenner, som skulle orsaka störningar i WiFi-bandet. Deras ”lösning” var att försöka förhindra en enkel anslutning av sådana tillägg genom att föreskriva användning av RP-kontakter för dessa trådlösa enheter (som ofta använde SMA-kontaktdon) för att göra dem inkompatibla med standardtillägg (figur 13).

Figur 13: RP SMA-kontakter och uttag har motsatt kön på mittstiftet jämfört med konventionella SMA-kontaktdon: (vänster till höger) standard SMA-hankontakt, standard SMA-honkontakt, RP-SMA honkontakt och RP-SMA hankontakt. (Bildkälla: Wikipedia)

Inom kort, blev dock kabelmonteringar med par av RP-kontaktdon allmänt tillgängliga och var standardtillägg för enheter såsom externa, flyttbara WiFi-antenner (figur 14).

Figur 14: Denna externa WiFi-antenn är flyttbar för att kunna hitta en optimal plats och är kompatibel med antenngränssnittet på WiFi-routern tack vare dess RP-SMA-kontakt. (Bildkälla: Amazon)

Figur 15: Kontaktdon med omvänd polaritet (RP) finns för olika typer av kretskort likväl som för kabelterminering. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Ett tillgängligt RP-SMA uttag är det lödbara 63012042124504 för panelmontage och genomgående hål (Figur 16). Kontaktdonet VSWR på 1,2 från DC till 12,4 GHz och 1,4 från 12,4 till 18 GHz, medan införingsförlusten i dessa två områden 0,14 dB respektive 0,2 dB.

Figur 16: 63012042124504 är ett SMA-kontaktdon med omvänd polaritet konstruerat för montering och lödning i genomgående hål. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Kablar och färdigmonteade kablar kompletterar kontaktdonen

Kontaktdonen är bara en del av scenariot för RF-signalvägen. Kontakterna är vanligtvis monterade på vanliga koaxialkablar såsom RG174, RG316 och RG188 med flera. Även om alla är 50 Ω-kablar för RF-användning (kablar och kontaktdon för 75 Ω finns för videosystem), så skiljer de sig åt vad det gäller frekvensområde, dämpning, diameter, dielektrisk typ, fasegenskaper, effekthantering, minsta böjningsradie, extern mantel och andra mekaniska och elektriska egenskaper (figur 17).

Figur 17: Konstruktörer kan välja bland ett stort utbud av koaxialkablar för 50 Ω, med många olika skillnader i de elektriska och mekaniska egenskaperna. Här visas dämpning kontra frekvens—en viktig specifikation— för vissa vanliga koaxialkablar. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Konstruktörer måste även bestämma om de ska tillverka sina egna färdigmonterade koaxialkablar eller köpa dem färdigtillverkade - den klassiska frågan, ”tillverka eller köpa”. Det är möjligt att terminera koaxialkablarna med de valda kontaktdonen efter behov—alternativet ”tillverka”— men det är en utmaning som kräver kunskap, övning, tid, lämpliga krimpverktyg och andra verktyg i många fall.

Dessutom behöver dessa färdigmonterade kablar mer än bara ett enkelt kontinuitetstest. De måste även kontrolleras för RF-prestandafaktorer såsom bandbredd och flathet, impedansavbrott, förlust och fasförskjutning, för att bara nämna några få faktorer. Dessa elektriska tester tar tid och kräver sofistikerad mätutrustning, och de färdigmonterade kablarna behöver mekanisk robusthet som läggs till via dragavlastning.

Lyckligtvis finns det färdigmonterade kablar i många längder som lagerförda standardartiklar för de vanligaste kabel- och anslutningstyperna. De finns även i anpassade längder och kopplingspar med relativt korta leveranstider. Överväg exempelvis 65503503530505 från Würth, en färdigmonterad kabel på 305 mm med en rak SMA-hankontakt i vardera ände, en RG-316 koaxialkabel (2,59 mm ytterdiameter), med krympslang över kontaktdonet/kabelanslutningarna för dragavlastning och tålighet (figur 18).

Figur 18: 65503503530505 är en standard 305 mm färdigmonterad koaxialkabel med RG-316-kabel och raka SMA-hankontakter i vardera änden. Observera dragavlastningen mellan kontakt och kabel. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Databladet för denna färdigmonterade kabel innehåller omfattande information om mekanik och mått, samt garanterade specifikationer för VSWR (1.3) och införingsförlust (1,2 dB) från DC till 6 GHz. Det finns även ett diagram som visar dämpning kontra frekvens per 30,5 m, så att användare snabbt kan avgöra dämpningen för denna eller valfri längd av färdigmonterad kabel (figur 19).

Figur 19: Här visas dämpning kontra frekvens för den färdigmonterade kabeln 65503503530505. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Det breda utbudet av färdigmonterade kablar från leverantörer är inte begränsat till att ha samma anslutningstyp i vardera ände, utan kan även direkt hantera problem med sammankopplingar och övergångar. 65530260515303 är exempelvis en kort (152 mm) färdigmonterad kabel med en RG-174 kabel och en RP-SMA kontakt för mellanväggar i den ena änden och en rak MMCX-hankontakt i den andra (figur 20).

Figur 20: Färdigmonterade kablar kan även användas som övergångar mellan olika kontaktdonsfamiljer. Den färdigmonterade kabeln 65530260515303 använder exempelvis en RG-174 kabel och den har en RP-SMA kontakt för mellanväggar i ena änden och en rak MMCX-hankontakt i den andra. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Det finns ytterligare en sak att tänka på med dessa kontakter och deras färdigmonterade kablar: de är små och ibland svåra att hantera när den gängade delen ska dras åt eller lossas. Samtidigt måste de dras åt med ett visst moment: för lite moment så kanske de inte har en tillförlitlig anslutning, för mycket så kan deras gängor bli skadade och deformerade, vilket medför att antalet sammankopplingscykler minskar. Av denna anledning, erbjuder Würth Elektronik verktyget WR-Tool 6006330101, en liten momentnyckel för alla WR-SMA kontaktdon (figur 21).

Figur 21: Verktyget WR-Tool 6006330101 garanterar att SMA-kontaktdonets gängade del dras åt korrekt och med konsekvent moment, vilket ofta är en utmaning med tanke på SMA-kontaktdonets lilla storlek. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Användningen av detta verktyg garanterar att det tillämpade momentet för anslutningen är på den angivna nivån, vilket garanterar en korrekt sammankoppling, maximerar tillförlitligheten och ger konsekvent prestanda.

Slutsats

Konstruktörer av RF-kretsar och system med frekvenser som sträcker sig upp Gigahertz-området kan välja på ett antal kontaktdon med olika storlekar, utformningar, könsarrangemang och andra kritiska parametrar. Genom att välja ett kontaktdon med lämpliga elektriska och mekaniska specifikationer och använda rätt moment, minimeras utmaningarna med att garantera tillförlitliga, konsekventa signalvägar med låg förlust mellan kretsar, delkretsar och system.