Auswahl, Verwendung und Pflege von Koaxialsteckverbindern für HF-Anwendungen

Hochfrequenz(HF-)Schaltkreise kommen sowohl in der drahtgebundenen als auch in der drahtlosen Kommunikation immer häufiger zum Einsatz, inklusive der Verwendung von Wi-Fi- und verschiedenen anderen drahtlosen Technologien für das Internet der Dinge (IoT). Diese hochfrequenten Signale müssen möglichst verlustfrei und bei minimaler Störstrahlung an Systeme, Schaltkreiskomponenten und Unterbaugruppen weitergeleitet werden.

Hierfür werden normalerweise HF-Koaxialkabel und -Steckverbinder verwendet. Aufgabe der Entwickler ist es nun, unter Zeit- und Kostendruck den optimalen HF-Steckverbinder auszuwählen und korrekt zu integrieren, um für maximale Leistung und eine lange Lebensdauer zu sorgen.

Dieser Artikel betrachtet HF-Steckverbinder hinsichtlich wichtiger Parameter wie Größe, Frequenzbereich, Verlust und Haltbarkeit, um die Entwickler bei der Abstimmung der Steckverbinder auf ihre HF-Anwendung zu unterstützen. Er zeigt außerdem geeignete Lösungen auf inklusive hilfreicher Informationen zu ihrer Anwendung und Pflege.

HF-Koaxialsteckverbinder

HF-Koaxialsteckverbinder und -Koaxialkabel werden in Kommunikations-, Übertragungs- und Drahtlosanwendungen sowie in der Prüf- und Messtechnik für wichtige HF-Verbindungen verwendet. Sie sorgen unter Verwendung von Koaxialkabeln und Bandleitungen für verlustarme Pfade zwischen HF-Systemen, Komponenten, Unterbaugruppen und Geräten. Die grundlegende Koaxialstruktur besteht aus einem zentralen Innenleiter, der konzentrisch von einer Isolierschicht (Dielektrikum) umgeben ist. Diese wiederum befindet sich innerhalb eines zylinderförmigen Außenleiters. Die Abmessungen der einzelnen Kabelelemente sind präzise abgestimmt, um konstante Leiterabmessungen und -abstände zu gewährleisten, was für die effiziente Funktionsweise als Übertragungsleitung erforderlich ist. HF-Steckverbinder fungieren als Verbindungselemente von Koaxialkabeln und Bandleitungen mit anderen Komponenten oder Unterbaugruppen. Sie erweitern die Koaxialstruktur um zusammensteckbare Leiter sowie einen Verriegelungsmechanismus, wobei eine konstante Impedanz beibehalten wird. Abbildung 1 zeigt beide Hälften eines SMA-Steckverbinders von Amphenol RF.

Abbildung 1: Das SMA-Steckverbinderpaar ist ein Beispiel für einen Koaxialsteckverbinder und das Bild zeigt den Innenleiter, das Dielektrikum sowie den Außenleiter mit Verriegelung. (Bildquelle: Amphenol RF)

Links ist der Stecker zu sehen. Das rechte Bild zeigt die Buchse des Steckverbinders. In der Regel verfügt der Stecker über einen vorstehenden, zentral angeordneten Leiter sowie einen Außenleiter mit Innengewinde. Die Buchse weist einen vertieften Innenleiter und ein Außengewinde auf. Beachten Sie, dass bei manchen verpolungssicheren Steckverbindern die Anzugsgewinde umgekehrt sind. Das Außengewinde befindet sich dann an der männlichen und das Innengewinde an der weiblichen Steckerhälfte. Weitere mögliche Verriegelungsmechanismen sind Dreh-, Bajonett- oder Schnappverschlüsse.

Die meisten Koaxialsteckverbinder sind, so wie auch dieser SMA-Steckverbinder, „geschlechtlich“ und weisen an beiden Hälften unterschiedliche Strukturen auf. Manche Steckverbinder verfügen über Hälften mit identischen Strukturen. Hierbei handelt es sich in den meisten Fällen um hochpräzise Steckverbinder, die für Laboranwendungen vorgesehen sind.

Ausführungen von Koaxialsteckverbindern

Es gibt unzählige HF-Steckverbinder, die sich durch verschiedene Hauptparameter unterscheiden. Zu diesen Spezifikationen zählen Größe, Impedanz, VSWR, Art der Kopplung und Bandbreite bzw. Frequenzbereich (Tabelle 1).

Tabelle 1: Zusammenfassung häufig verwendeter Spezifikationen für Koaxialsteckverbinder. (Datenquelle: DigiKey)

Bandbreite von Steckverbindern

Die Schlüsselspezifikation eines Koaxialsteckverbinders ist seine Bandbreite. Sie gibt die höchste Frequenz an, für die der Steckverbinder verwendet werden kann. Die maximale Frequenz, bis zu der ein Steckverbinder verwendet werden kann, ist eine Funktion des Durchmessers der Außenhülle und des als Dielektrikum verwendeten Materials. Je kleiner der Hüllendurchmesser ist, desto höher ist die Frequenz. Ebenso bietet die Verwendung von Luft als Dielektrikum relativ zu anderen Dielektrika die höchste Frequenzleistung. Daher kommt in den Steckverbindern mit der höchsten Bandbreite Luft als Dielektrikum zum Einsatz.

Impedanz der Steckverbinder

Um die maximale Leistungsübertragung zu gewährleisten und Leistungsverluste durch Reflexionen zu verringern, sollte die charakteristische Impedanz des Steckverbinders der der Quelle und der Last entsprechen. Die meisten Steckverbinder für allgemeine HF-Anwendungen verfügen über eine Impedanz von 50 Ω, wohingegen für Videoanwendungen Steckverbinder mit 75 Ω verfügbar sind.

VSWR

Das Stehwellenverhältnis (VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) ist ein Maß für die wirksame Impedanz des gekoppelten Steckverbinders. Je höher das VSWR, desto mehr Leistung wird vom Steckverbinder aufgrund von Impedanzfehlanpassungen reflektiert. Da das VSWR eine Funktion der Frequenz ist, sollten die VSWR-Werte von Steckverbindern nur bei derselben Frequenz verglichen werden.

Kopplungsmechnismus

In der Spalte mit der Kopplungsmethode ist angegeben, welcher mechanische Kopplungsmechanismus verwendet wird. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen, in denen der Steckverbinder Vibrationen ausgesetzt ist. Bei der Kopplung geht es in der Regel darum, einen Kompromiss zwischen einfacher Verbindung und sicherem Halt zu finden. Der SMA-Steckverbinder aus Abbildung 1 stellt ein Beispiel für eine Gewindekopplung dar. Abbildung 2 zeigt Beispiele für die Bajonett- und Einrastkopplung anhand eines BNC- bzw. SMP-Steckverbinders.

Abbildung 2: Beispiele für die Bajonett- und Einrastkopplung. Die Kopplungsmethode ist wichtig bei Anwendungen, bei denen Vibrationen zu erwarten sind, und stellt häufig einen Kompromiss zwischen einfacher Verbindung und sicherem Halt dar. (Bildquelle: DigiKey)

Größe und Haltbarkeit des Steckverbinders

Angesichts des Trends zur Miniaturisierung spielt die Größe bei der Auswahl eines Steckverbinders eine wichtige Rolle. Die Größenklassen der Steckverbinder sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben. Hierbei besteht ein Zusammenhang zwischen Größe und Lebensdauer des Steckverbinders. Kleinere Steckverbinder bieten tendenziell weniger Steckzyklen. Während mit dem größeren N-Steckverbinder über 500 Steckzyklen möglich sein können, bietet der Mikrominiatur-U.FL-Steckverbinder lediglich 30 Steckzyklen. Die Lebensdauer jedes Steckverbinders variiert abhängig vom Hersteller. Daher sollten Sie unbedingt die Spezifikationen des Steckverbinders lesen, falls die Lebensdauer ein wichtiger Parameter ist.

Koaxialsteckverbinder, die in Anwendungen wie Prüf- und Messinstrumenten zum Einsatz kommen, für die viele Steckyzklen typisch sind, werden in der Regel mit Schutzkappen geschützt. Diese einfach zu ersetzenden Adapter werden mit den Steckverbindern des Instruments verbunden und stellen einen erweiterbaren Steckverbinderkörper zur mehrfachen Verwendung dar.

Steckverbinderklasse und Branchenspezifikationen

Steckverbinder werden nach verschiedenen Klassen kategorisiert. In Tabelle 1 fallen Präzisionssteckverbinder wie die 1-mm- bis 2,92-mm- und die N-Steckverbinder unter IEEE-STD-287. Diese Steckverbinder verfügen über präzisere Maßtoleranzen, die von ihren Anwendungen mit großer Bandbreite vorgegeben werden. Die gebräuchlicheren Steckverbinder fallen unter MIL-STD-348 oder unter einen der europäischen Standards wie etwa CECC 22220. Die Toleranzen für diese Steckverbinder sind etwas lockerer, wodurch sich eine Möglichkeit für Kosteneinsparungen ergibt.

Steckkompatibilität

Die Fähigkeit, Steckverbinder aus verschiedenen Produktfamilien miteindander zu verbinden, steht mit der Steckverbinderklasse in Zusammenhang. In Tabelle 1 sind einige mögliche Steckerkombinationen angegeben. So sind beispielsweise die 1,85- und die 2,4-mm-Steckverbinder ebenso untereinander austauschbar wie die 2,92- und die 3,5-mm-Steckverbinder. Die männlichen Hälften des 2,92- und 3,5-mm-Steckverbinders lassen sich mit den SMA-Buchsen zusammenstecken, wobei sich die insgesamte Bandbreite verringert. Aufgrund der unterschiedlichen Toleranzklassen ist es keine gute Praxis, einen SMA-Stecker mit einer 2,92- oder 3,5-mm-Steckverbinderbuchse zusammenstecken zu wollen. Die größeren mechanischen Toleranzen des SMA-Steckverbinders können eine Beschädigung der Buchsenkontakte der Präzisionssteckverbinder zur Folge haben.

Nennleistung der Steckverbinder

Die Verlustleistung ihrer Steckverbinder wird von den Herstellern nicht angegeben, da dieser Wert äußerst anwendungsabhängig ist. Er variiert abhängig von Frequenz, VSWR des Systems, Temperatur, Höhe und Lastimpedanzen. Im Allgemeinen hängt die Belastbarkeit direkt mit der Größe des Steckverbinders und dem Wärmeableitungsvermögen zusammen. Die maximale Verlustleistung nimmt mit steigender Frequenz ab.

Der Steckverbinder mit der höchsten Belastbarkeit ist der N-Steckverbinder, der für 300 und 400 Watt (W) geeignet ist. Als Nächstes folgen die BNC- und SMA-Steckverbinder. Präzisionsstecker sind auf Wattzahlen im zweistelligen Bereich beschränkt. Falls also Steckverbinder für Hochleistungsanwendungen benötigt werden, ist es wichtig, sich für genauere Angaben zur Verlustleistung an den Hersteller zu wenden.

Steckverbinderverwendung

Vor der Verwendung ist es wichtig, einen Steckverbinder auf Beschädigungen wie Metallpartikel, verbogene Mittelleiter oder eingedrückte bzw. verformte Außenhüllen zu untersuchen (Abbildung 3). Jegliche Beschädigungen sollten repariert oder der beeinträchtigte Steckverbinder sollte ausgetauscht werden. Steckverbinder sollten frei von Schmutzablagerungen oder sonstigen Verunreinigungen sein. Steckverbinder sollten ohne zu verklemmen problemlos zusammengesteckt werden können. Stecken Sie die Hälften des Steckverbinders nicht mit Gewalt zusammen. Überprüfen Sie den Steckverbinder erneut, um die Ursache für das Problem zu finden.

Drehen Sie bei einem Steckverbinder mit Gewindekopplung lediglich die Außenhülle und nicht den Steckverbinderkörper oder das Kabel. Durch Drehen des Steckverbinderkörpers können die Mittelleiter beschädigt werden. Sobald die Außenhülse handfest angezogen ist, verwenden Sie einen kalibrierten Drehmomentschlüssel, um das vom Hersteller angegebene Feststellmoment zu erreichen.

Abbildung 3: Links sehen Sie einen SMA-Steckverbinder mit Schmutz und Metallspänen am Dielektrikum und rechts denselben Steckverbinder nach der Reinigung mit einem Wattestäbchen und Isopropanol. (Bildquelle: DigiKey)

Steckverbinderpflege

Steckverbinder sollten stets sauber gehalten werden. Sie sollten daher Schutzkappen für die Steckverbinder verwenden, wenn diese nicht verwendet werden. Verunreinigte Steckverbinder sollten gereinigt werden. Steckverbinder mit festen Dielektrika können mit einem fusselfreien, in Isopropanol getauchten Wattestäbchen gereinigt werden. Achten Sie hierbei darauf, den Mittelleiter nicht zu verbiegen. Es hat sich bewährt, die Gewinde (Innen- und Außengewinde) von Steckverbindern mit Gewindekopplung ebenfalls zu reinigen. Verwenden Sie zur Reinigung von Steckverbindern mit Luftdielektrikum keine Wattestäbchen, da die dielektrischen Kügelchen, von denen die Elemente an Ort und Stelle gehalten werden, durch Lösungsmittel beschädigt werden können. Diese Steckverbinder sollten mit trockener Druckluft gereinigt werden.

Auswahl von Koaxialsteckverbindern

Die Auswahl eines Koaxialsteckverbinders beginnt mit der erforderlichen Bandbreite zur Übertragung der verwendeten Signale. Anschließend sollten Sie sich Gedanken über Größe und mechanische Konfiguration (Stecker, Buchse, eingelötet, Panelmontage usw.) machen. Nehmen wir als Beispiel den Ausgang eines 1-GHz-Signalgenerators. Da es sich hierbei um eine Signalquelle für Prüf- und Messanwendungen handelt, wird häufig der BNC-Steckverbinder gewählt. Seine Bandbreite ist größer als 1 GHz und er ist als Buchse zur Panelmontage erhältlich. Das BNC-Buchsenmodell 31-221-RFX von Amphenol RF ist eine gute Wahl.

Bei der Auswahl eines Steckverbinders für ein Frequenzsignal von über 10 GHz sollten Sie einen SMA-Steckverbinder wie den SF2950-6062 von Amphenol SV Microwave oder einen 2,92-mm-Präzisionssteckverbinder wie den SF1521-60013 von Amphenol SV Microwave in Erwägung ziehen. Bei dieser Wahl muss unter Umständen ein Kompromiss zwischen Bandbreite und Kosten gefunden werden. Der 2,9-mm-Steckverbinder bietet eine mehr als doppelt so hohe Bandbreite wie der SMA-Steckverbinder, ist dafür aber auch fast drei Mal so teuer.

Wenn es insbesondere auf die Größe ankommt, ist die Haltbarkeit des Steckverbinders zu berücksichtigen. So bietet etwa Molex LLC das MMCX-Buchsenmodell 0734152063 mit 500 Steckzyklen an. Der U.FL-R-SMT(10) von Hirose Electric Co. ist zwar kleiner, eignet sich aber lediglich für 30 Steckzyklen. Es kann auch zu einem signifikanten Kostenunterschied kommen.

Fazit

In diesem Artikel wurden die verschiedenen HF-Koaxialsteckverbinder mit ihren primären Attributen behandelt. Er stellt für Entwickler einen guten Ausgangspunkt bei der Wahl des für ihr Design geeigneten Steckverbinders dar. Man sieht, dass eine sorgfältige Prüfung der technischen Anforderungen selbst bei der Auswahl einer scheinbar so einfachen Komponente wie eines HF-Koaxialsteckverbinders wichtig ist. Für detailliertere Informationen wird empfohlen, die Datenblätter des Herstellers zu studieren.