Popularne złącza koncentryczne RF

Podstawowe parametry złączy RF, czyli wymiary, zakres częstotliwości na jakich pracują, niezawodność oraz straty pozwalają na dobranie optymalnego rozwiązania do konkretnego projektu.

Czym są koncentryczne złącza wysokich częstotliwości?

Koncentryczne złącza RF (nazywane również współosiowymi) wykorzystuje się m.in. w telekomunikacji oraz technologiach bezprzewodowych – przy projektowaniu i realizacji łączy komunikacyjnych. Stanowią one również ważny element aparatury pomiarowej, a ich podstawowe zadanie to transmitowanie sygnału przy jego minimalnych stratach pomiędzy modułami, podzespołami oraz urządzeniami z wykorzystaniem linii o stałej impedancji falowej. Najczęściej stanowi ją przewód koncentryczny, zawierający wewnątrz cienki miedziany drut otoczony cylindrycznie dielektrykiem pokrytym warstwą ekranującą i izolacją na zewnątrz. Dzięki takiemu rozwiązaniu żyła wewnętrzna znajduje się w równej odległości od zewnętrznej osłony, dzięki czemu zapewniona jest stałość impedancji charakterystycznej. W złączach RF sytuacja wygląda podobnie, co sprawia iż mamy do czynienia ze znacznie niższymi stratami wtrąconymi oraz brakiem odbić będących następstwem nieciągłości impedancji falowej.

W liniach koncentrycznych energia sygnału wysokiej częstotliwości transmitowana jest wewnątrz dielektryka. Natomiast żyła wewnętrzna oraz oplot zewnętrzny stanowią elementy brzegowe dla pola elektromagnetycznego.

W złączach RF wszystkie metalowe elementy ruchome odpowiadające za połączenie mechaniczne muszą być wykonane w taki sposób, aby zapewnić stałą wartość impedancji falowej na całej długości. Ponadto utrzymany musi być wspomniany wcześniej dystans pomiędzy elementem wewnętrznym i zewnętrznym. Istotny jest tutaj również brak zafalowań impedancji, prowadzący do niepożądanych odbić i zwiększenia współczynnika fali stojącej – WFS, czyli stosunku wartości amplitudy maksymalnej do amplitudy minimalnej napięcia elektrycznego fali stojącej w linii zasilającej odbiornik (określa on stopień dopasowania obciążenia do linii zasilającej).

Rodzaje złącz koncentrycznych…

Rynek bogaty jest w całą gamę złącz wysokiej częstotliwości różniących się m.in. wielkością, impedancją falową, współczynnikiem WFS, pasmem pracy i zakresem częstotliwości.

Pasmo przenoszenia to kluczowy parametr każdego złącza koncentrycznego. Opisuje on najwyższą częstotliwość sygnału, przy jakiej możemy danego złącza użyć. Maksymalna częstotliwość użyteczna pracy złącza to funkcja średnicy płaszcza zewnętrznego oraz właściwości materiału dielektryka zastosowanego w jego budowie. Im mniejsza jest średnica płaszcza, tym wyższa staje się maksymalna użyteczna częstotliwość pracy. Użycie powietrza jako materiału dielektrycznego zapewnia najwyższą częstotliwość pracy w stosunku do innych dielektryków, stąd w złączach o największej przepustowości wykorzystano właśnie powietrze jako materiał dielektryczny.

W celu zapewnienia jak najlepszej transmisji mocy (wyeliminowanie odbić i zniwelowanie strat), impedancja charakterystyczna złącza RF powinna być zgodna z wartościami tego parametru zarówno dla obciążenia jak i źródła. Dla większości projektów jest to 50 Ω.

W przypadku WFS – współczynnika fali stojącej – im jego wartość wyższa jest od jedności, tym większa część energii wysokiej częstotliwości odbijana jest do źródła. WFS jest funkcją częstotliwości, stąd porównywanie wartości tego parametru dla różnych rodzajów złączy powinno odbywać się z uwzględnieniem tej samej częstotliwości.

Podczas stosowania złącza RF w warunkach zagrożonych np. wibracjami, jego niezwykle ważną częścią staje się mechanizm łączący i blokujący obie połowy złącza.  Blokada taka może być realizowana np. w postaci wcześniej wspomnianego gwintu (SMA). Połączenia bagnetowe oraz zatrzaskowe realizuje się w złączach BNC i SMP.

Takie parametry jak wielkość złącza, jego trwałość czy żywotność również mają duże znaczenie i odgrywają ważną rolę podczas wyboru odpowiedniego komponentu. Z racji właściwości fizycznych wielkość złącza i jego trwałość są ze sobą w naturalny sposób powiązane – mniejsze elementy z reguły szybciej się zużywają. Złącze typu N (większe) może charakteryzować się trwałością przekraczającą nawet 500 cykli, natomiast trwałość miniaturowego złącza antenowego U.FL wynosi zwykle jedyne 30 cykli.

Skoro tak wygląda kwestia żywotności złącz, to co z połączeniami stosowanymi w aparaturze pomiarowej i laboratoryjnej, gdzie mamy do czynienia z wieloma cyklami łączenia. Tutaj problem i ich ochronę rozwiązano poprzez zastosowanie wymienialnych adapterów.

A co z mocą?

Producenci podzespołów nie podają maksymalnej mocy rozpraszanej przez złącza – jest ona zależna zarówno od aplikacji, jak i częstotliwości, współczynnika WFS, temperatury czy też impedancji obciążenia. Maksymalna moc zmienia się też w zależności od wielkości złącza czy też warunków jego montażu.

Warto zapamiętać, iż maksymalna rozpraszana moc ulega zmniejszeniu wraz ze wzrostem częstotliwości. Złącze o największej zdolności transmisji mocy to złącze typu N. Za jego pomocą możemy przekazać do 300-400 W. Mniejsze wartości przekazu zapewniają typy BNC i SMA. Natomiast moc przenoszenia złączy precyzyjnych jest ograniczona do zaledwie 10 W.

W jaki sposób używać złączy koncentrycznych i jak dokonać wyboru odpowiedniego złącza?

Przed montażem złącza konieczne jest jego sprawdzenie pod kątem uszkodzeń zewnętrznych: wygięcia, zagniecenia, deformacje. Złącze powinno być czyste, bez nagromadzonych zanieczyszczeń. Korpusy powinny być gładkie, bez sklejania i zacinania się oraz konieczności użycia większej siły przy ich łączeniu.

Co ważne, złącza cały czas powinny być utrzymywane w czystości, stąd najlepszym sposobem na jej zapewnienie jest wykorzystywanie ochronnych zatyczek, gdy złącza nie są w danej chwili używane. Ewentualne zanieczyszczenia i brud należy czyścić alkoholem izopropylowym. Złącza, w których jako materiał dielektryczny wykorzystuje się powietrze,  należy czyścić za pomocą suchego sprężonego powietrza.

Co do wyboru odpowiedniego złącza… Po pierwsze należy określić wymagane pasmo pracy. Następnie dokonać selekcji pod kątem wielkości i konfiguracji mechanicznej elementu – m.in typ wtyczki i gniazda, sposób montażu do PCB/panelu. Dla przykładu: w generatorze sygnałowym do 1 GHz powszechnie stosuje się złącza BNC. Pasmo pracy BNC jest większe niż 1 GHz. Dla sygnałów o częstotliwości wynoszącej ponad 10 GHz należy rozważyć typ złącza, jakim jest SMA lub złącze precyzyjne, którego koszt jest znacznie wyższy.