Optimierung von HF-Designs für den Betrieb in extremen Umgebungen

In einer Welt, die zunehmend von drahtloser Vernetzung abhängt, benötigen Entwicklungsteams von Systemen für Anwendungen wie GPS in der Schifffahrt, IoT in der Industrie, intelligente Landwirtschaft und unbemannte Flugzeuge HF-Komponenten, die unter extremen Umweltbedingungen zuverlässig funktionieren. Zu ihren Herausforderungen gehören Vibrationen, Staub, hohe Luftfeuchtigkeit, Wasser und andere Flüssigkeiten sowie Salznebel. Das System muss so konzipiert sein, dass es diesen rauen Bedingungen standhält. Ein wichtiges Anliegen ist die HF-Verbindung, bei der eine Koaxialverbindung HF-Signale zwischen Geräten oder zwischen einem Gerät und einer Antenne überträgt. Es muss sichergestellt werden, dass die verwendeten Steckverbinder und Kabel für die Aufgabe geeignet sind und gleichzeitig die steigenden Anforderungen an Leistung und Verbindungsdichte erfüllen.

In diesem Artikel wird kurz auf die Herausforderung der Entwicklung für extreme Umgebungen eingegangen, bevor die HF-Adapter, Steckverbinder und Kabelkonfektionen von Amphenol RF vorgestellt werden. Sie zeigt, wie diese Komponenten zum Schutz vor Feuchtigkeit, Staub, Vibrationen und Korrosion beitragen, Gehäuse abdichten und gleichzeitig eine hervorragende HF-Leistung in kompakten Steckverbindergehäusen bieten, die sich für eine hohe Packungsdichte eignen.

Extreme Umgebungen

Das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) ist ein Beispiel für eine Anwendung, bei der HF-Geräte in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit, Dampf, Spritzern oder Flüssigkeiten, Staub oder korrosiven Chemikalien wie Salzwasser eingesetzt werden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Konzeptdiagramm eines IIoT-Systems mit dezentralen drahtlosen und drahtgebundenen Sensoren, die mit einem Edge-Gateway kommunizieren; es werden durchgängig HF-Anschlüsse verwendet. (Bildquelle: Art Pini)

Das IIoT nutzt intelligente Sensoren, Aktoren, Roboter und ähnliche Geräte, um Fertigungsprozesse zu verbessern. Diese Geräte sind vernetzt und ermöglichen die Erfassung, den Austausch, die Analyse und die Kontrolle von Daten. Die gemeinsame Nutzung von Daten aus mehreren Maschinen und Systemen trägt dazu bei, industrielle Prozesse effizienter und zuverlässiger zu gestalten.

Bei der Entwicklung solcher Geräte muss man an die Umwelt denken. Extreme Umgebungsbedingungen erfordern, dass das Gerät abgedichtet ist, und alle Anschlüsse müssen korrosionsbeständig und auslaufsicher sein. Metallische Gehäuse erfordern externe Antennen. Steckverbinder werden auch für Sensoren außerhalb des Geräts und für Signalverbindungen mit anderen Geräten benötigt. Koaxialsteckverbinder für Antennen oder Signalkabel müssen mit ihren Gehäusen abgedichtet werden, um diese Toleranzanforderungen zu erfüllen. Die Industrienorm IEC 60529 verwendet Schutzarten (IP), um den Grad des Schutzes zu definieren, den ein bestimmter Steckverbinder bietet. IP-Einstufungen bestehen aus den Buchstaben IP, gefolgt von einer zweistelligen Zahl. Die erste Ziffer gibt den Grad des Schutzes gegen das Eindringen von Staub und festen Partikeln an. Die zweite Ziffer gibt den Grad des Schutzes gegen das Eindringen von Wasser an. Die Definitionen für die IP-Einstufung reichen von keinem Schutz bis zu vollständigem Schutz, wobei die höheren Zahlen einen höheren Schutz anzeigen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Schutzarten für das Eindringen von Staub und Wasser gemäß IEC 60529. (Bildquelle: Amphenol RF)

Steckverbinder, die für extreme Umwelteinflüsse geeignet sind, sollten eine IP-Schutzart von 67 oder 68 haben. Die Schutzart IP67 bedeutet eine staubdichte Abdichtung und Schutz gegen Wasser, einschließlich vollständigem Untertauchen für 30 Minuten in bis zu 1 Meter Tiefe.

IP67-zertifizierte Koaxialsteckverbinder

Amphenol RF bietet eine große Auswahl an staub- und wasserdichten IP-zertifizierten SMA-, BNC- und TNC-Koaxialsteckern. Das Modell 901-10746-EE ist ein Beispiel für eine SMA-Buchse für RG-58-Kabel, die für die Schottmontage vorgesehen ist und die Schutzart IP67 aufweist (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Einbaubuchse RF 901-10746-EE hat die Einstufung IP67, d. h. sie ist wasserdicht, staubdicht und korrosionsbeständig gegen Salzwasser. (Bildquelle: Amphenol RF)

Die elektrischen Eigenschaften dieser SMA-Buchse umfassen eine Nennimpedanz von 50 Ohm (Ω) für RG-58-Koaxialkabel. Sie arbeitet in einem Frequenzbereich von DC bis 6 Gigahertz (GHz) mit einem maximalen Stehwellenverhältnis (VSWR) von 1,30:1, was einer Rückflussdämpfung von -18 Dezibel (dB) entspricht, und hat eine dielektrische Durchschlagsfestigkeit von 1000 Volt effektiv (Veff). Ihr Betriebstemperaturbereich reicht von -65°C bis +165°C. Der Montageprozess beginnt mit dem Anlöten des Mittelleiters an den Steckerstift. Der Stift und das Kabel werden mit dem Geflecht über der Rändelung in den Stecker eingeführt. Die Aderendhülse wird dann über das Geflecht gecrimpt. Die O-Ring-Dichtung dichtet den Steckerkörper gegen die Montageplatte ab.

Das Gehäuse des Steckers besteht aus Messing, die Aderendhülse aus Kupfer, und beide sind mit einer korrosionsbeständigen Zinn-Nickel-Legierung beschichtet. Die Beschichtung entspricht der Salzsprühnebel-Norm MIL-STD-202 Methode 101 für eine 5%ige Salzlösung, die über 720 Stunden wiederholt wird. Nach der Salzsprühnebelbelastung wird die Unversehrtheit der Beschichtung überprüft, und die HF-Leistung des Steckverbinders, einschließlich Kontaktwiderstand und Rückflussdämpfung, wird erneut getestet.

Der Mittelleiterkontakt besteht aus vergoldetem Beryllium-Kupfer und ist in ein Teflon-Dielektrikum eingesetzt. Er erfüllt die Anforderungen der Schutzart IP67 im ungesteckten Zustand, wenn er mit dem Kabel und der Aderendhülse montiert ist.

Der Steckverbinder wird mit Edelstahlbeschlägen an einer Schalttafel montiert und mit einer Silikongummidichtung abgedichtet, um seine Unversehrtheit und IP67-Konformität zu gewährleisten.

Ein passender SMA-Stecker ist der 901-9876-RFX-EE von Amphenol RF. Dieser kabelgebundene SMA-Stecker hat die gleiche Materialzusammensetzung und Beschichtung wie die Einbaubuchse und funktioniert im gleichen Temperaturbereich. Die Verbindung zur Buchse erfolgt über eine Gewindehülse, die auf den Gewindekörper der Buchse aufgeschraubt wird. Wie der 901-10746-EE ist der Stecker nach IP67 eingestuft und für die Verwendung mit RG-58-Kabeln ausgelegt. Er hat einen Betriebsfrequenzbereich von DC bis 12,4 GHz.

Diese HF-Steckverbinder für extreme Umgebungen sind auch als BNC- und TNC-Typen erhältlich. Ein TNC-Steckverbinder ist eine mit Gewinde versehene Version eines BNC-Steckverbinders. Schraubverbindungen sind, wenn sie mit dem angegebenen Drehmoment angezogen werden, vibrationsbeständig. Der 031-6501-EE (Abbildung 4, links) ist ein TNC-Winkelstecker, der die gleichen Materialien verwendet und die gleichen IP67- und Korrosionsbeständigkeitsstandards erfüllt wie die SMA-Stecker. Er ist für den Betrieb in einem Temperaturbereich von -40 bis +85°C ausgelegt. Elektrisch hat er eine Impedanz von 50 Ω und einen Betriebsfrequenzbereich von bis zu 6 GHz. Durch rechtwinklige Steckverbinder müssen die Kabel nicht mehr gebogen werden, was das Risiko einer Beschädigung des Koaxialkabels minimiert und gleichzeitig Platz in kleinen Gehäusen spart, die in IIoT- und ähnlichen Systemen verwendet werden. Der 031-6501-EE kann mit einem passenden Schottadapter, wie dem AD-TNCJTNCJ-EE, kombiniert werden (Abbildung 4, rechts).

Abbildung 4: Der rechtwinklige TNC-Stecker 031-6501-EE und der TNC-Schottadapter AD-TNCJTNCJ-EE ermöglichen enge Kurven ohne Biegen von Kabeln und sparen Platz in kompakten IIoT-Gehäusen. (Bildquelle: Amphenol RF)

Der AD-TNCJTNCJ-EE hat die Schutzart IP68, ist korrosionsbeständig und hat einen Betriebstemperaturbereich von -65°C bis +165°C. Seine charakteristische Impedanz beträgt 50 Ω, und er arbeitet bis zu 18 GHz. Sein VSWR beträgt 1,2:1 (entspricht einer Rückflussdämpfung von -21 dB) für Frequenzen zwischen 0 und 11 GHz, und 1,3:1 (entspricht einer Rückflussdämpfung von -18 dB) für Frequenzen zwischen 11 und 18 GHz. Mit Schottadaptern können Kabel von einer Montageplatte oder Tür getrennt werden, so dass sie für Wartungsarbeiten leicht entfernt werden können.

BNC-Steckverbinder entsprechen den TNC-Steckverbindern und unterscheiden sich hauptsächlich durch den Verriegelungsmechanismus. Ein BNC ist ein Schnellsteckverbinder mit zwei Bajonettnocken auf der Buchsenseite, die in die Schlitze der Steckerbaugruppe eingreifen und durch eine Vierteldrehung verriegelt werden. Sie bieten außerdem Schutzart IP67 und Korrosionsbeständigkeit gegen Salznebel.

Der BNC-Stecker 031-6924-EE (Abbildung 5, links) hat einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C. Seine charakteristische Impedanz von 50 Ω ist mit RG-58-Kabel kompatibel. Es hat ein VSWR von 1,30:1 (entspricht einer Rückflussdämpfung von -18 dB) und einen Frequenzbereich von DC bis 6 GHz.

Die Gegenbuchse AD-BNCJBNCJ-EE (Abbildung 5, rechts) ist ein Buchse-zu-Buchse-Schottadapter, der ebenfalls ein 50Ω-Stecker mit einer Höchstfrequenz von 12 GHz ist. Sein VSWR beträgt 1,30:1 (entspricht einer Rückflussdämpfung von -18 dB) von DC bis 4 GHz und weniger als 1,45:1 (entspricht einer Rückflussdämpfung von -15 dB) von 4 bis 12 GHz. Sein Betriebstemperaturbereich reicht von -40°C bis +85°C.

Abbildung 5: BNC-Steckverbinderkomponenten für extreme Belastungen werden zum schnellen Verbinden/Trennen verwendet. (Bildquelle: Amphenol RF)

Fazit

Bei der Entwicklung drahtloser Geräte müssen die physikalischen und elektrischen Anwendungsanforderungen berücksichtigt werden, um die Funktionalität und Langlebigkeit des Produkts zu gewährleisten. Koaxiale HF-Steckverbinder, die in drahtlosen Systemen verwendet werden, haben die primäre Aufgabe, die Signalintegrität unabhängig von der Umgebung zu erhalten. Zu diesem Zweck ist die Auswahl von hochzuverlässigen Steckern und Adaptern, die Vibrationen, dem Eindringen von Flüssigkeiten, Staub und Korrosion widerstehen können, von entscheidender Bedeutung. Die Steckverbinder von Amphenol RF für extreme Belastungen sind ideal für Konstruktionen, die in rauen Umgebungen betrieben werden sollen.