Comprendre et sélectionner les assemblages de câbles et les connecteurs coaxiaux dans la plage GHz

Les connecteurs radiofréquences (RF) et les assemblages de câbles coaxiaux associés fournissent des voies de signaux essentielles entre les cartes à circuit imprimé, les sous-assemblages et les châssis. Un connecteur approprié fournira au moins la robustesse mécanique et les performances électriques minimales requises. Cependant, les gammes de connecteurs RF utilisées pendant de nombreuses années, notamment les connecteurs BNC à baïonnette, ne sont plus adaptées en raison de leur encombrement physique et de leurs limites de performances.

Pour relever les nombreux défis des conceptions actuelles, les ingénieurs peuvent choisir parmi de nombreux types spécifiques disponibles dans plusieurs grandes gammes, chacune offrant une combinaison de bande passante plus élevée, un encombrement réduit et l'utilisation de câbles coaxiaux plus fins. Ces connecteurs sont disponibles dans une grande variété de styles de terminaison de circuit imprimé et de types de terminaison de câble pour répondre aux nombreuses classes de priorités d'installation physique. Les concepteurs doivent donc d'abord sélectionner la gamme de connecteurs appropriée pour répondre aux exigences de conception, puis le style dans cette gamme.

Cet article présente cinq gammes largement utilisées de connecteurs RF dans la plage gigahertz (GHz). Il aborde également la question étroitement liée des assemblages de câbles complets terminés avec le connecteur choisi, en utilisant des composants des différentes gammes de produits de Würth Elektronik.

Principes de base des connecteurs RF

Il est important de clarifier la terminologie relative aux connecteurs. Un « connecteur » est la terminaison métallique qui peut être couplée et désaccouplée selon les besoins, tandis que le « câble » est le fil coaxial constitué d'un conducteur en cuivre interne, d'un diélectrique d'espacement, d'un blindage externe et d'un isolant auquel le connecteur est fixé. Un « assemblage de câble » est la combinaison d'un câble avec un connecteur à une ou aux deux extrémités. Cependant, dans le langage courant, le terme « câble » est souvent utilisé à la place d'« assemblage de câble », et le sens réel est généralement clair d'après le contexte. Nous utiliserons ces termes dans leur sens strict dans cet article.

Bien que les connecteurs soient des composants passifs et ne fournissent aucun traitement ou amélioration des signaux, ils sont des éléments essentiels dans la conception de la plupart des produits. Le connecteur « idéal » présente des caractéristiques mécaniques essentielles, telles que la facilité de couplage et de découplage, l'intégrité mécanique et électrique, et il doit être électriquement invisible, sans résistance ohmique CC ni discontinuité d'impédance RF. Les défis de conception, de fabrication et d'utilisation des connecteurs augmentent avec la fréquence de fonctionnement. À mesure que leur fréquence de fonctionnement requise s'étend dans le domaine RF, dans la plage GHz et au-dessus, leur construction mécanique devient nécessairement de plus en plus précise, avec de nombreux attributs et paramètres de performance critiques.

Les connecteurs classiques tels que les connecteurs BNC (Bayonet Neil-Concelman), proposés en versions de 50 Ω et 75 Ω (cette dernière version pour la vidéo et la télévision), sont largement utilisés depuis les années 1950 (Figure 1). Ce connecteur à verrouillage présente une action de connexion/déconnexion rapide à un tiers de tour via un système à « baïonnette ». Bien que la réponse en fréquence soit officiellement répertoriée à 4 GHz, les pertes du connecteur augmentent à des niveaux souvent inacceptables à des fréquences plus élevées. Physiquement, il ne convient pas aux conceptions compactes et denses actuelles, en raison de ses dimensions relativement importantes et du grand rayon de courbure minimum d'un assemblage de câble complet.

Figure 1 : Le connecteur BNC est doté d'un verrouillage à baïonnette et il a été largement utilisé depuis son développement au début des années 1950, mais il n'est plus adapté, d'un point de vue électrique ou mécanique, à de nombreuses applications haute fréquence compactes actuelles. Une fiche mâle est généralement utilisée avec les assemblages de câbles (à gauche) et un jack femelle (à droite) sur les tableaux d'instruments. (Source de l'image : Wikipédia ; Pinterest)

Des gammes plus récentes pour de nouvelles applications

De nombreuses gammes de connecteurs aux normes industrielles, plus efficaces pour les applications plus compactes à plus haute fréquence, sont disponibles. Les plus populaires incluent les gammes SMA, SMB, SMP, MMX et MMCX, toutes avec une impédance RF standard de 50 Ω. Chaque gamme offre une combinaison différente de caractéristiques électriques et mécaniques. Contrairement au connecteur BNC de 17 millimètres (mm) de diamètre, ces connecteurs ont un diamètre beaucoup plus petit, de l'ordre de 5 mm.

Cet article s'intéresse à un seul type de connecteur dans chacune de ces gammes. Toutefois, chaque gamme inclut de nombreux membres ayant des spécifications électriques quasi identiques, mais des configurations et des dispositions mécaniques très différentes. Il s'agit notamment de versions pour circuits imprimés avec corps à angle droit ou droit, et avec terminaison à montage en surface, trou traversant ou bord de carte ; de types de traversée à montage arrière ; et de versions montées sur panneau avec connexion à borne en coupelle, languette plate ou tige ronde. Il existe également différentes dispositions pour les connecteurs homologues qui se raccordent à l'extrémité du câble, telles que des variantes droites ou à angle droit.

Le fait de disposer d'un si grand nombre d'options pour un type de connecteur donné est une bonne chose pour les concepteurs, car cela augmente la probabilité qu'il existe un connecteur prêt à l'emploi dont le facteur de forme spécifique est bien adapté à la conception et aux contraintes du produit. Cela signifie qu'il n'y aura que peu ou pas de changements requis pour les priorités de conception mécanique du produit. Examinons maintenant ces cinq gammes :

•SMA : Les connecteurs coaxiaux subminiatures série SMA sont conçus avec une technologie de couplage fileté qui leur confère une grande stabilité mécanique en cas de vibrations importantes (Figure 2). Le contact central captif du connecteur et l'isolateur augmentent la force axiale et le couple. L'épais placage or sur le contact central contribue à améliorer les performances électriques et à garantir jusqu'à 500 cycles de raccordement.

Figure 2 : Les connecteurs subminiatures série SMA utilisent un couplage fileté pour une meilleure intégrité mécanique en cas de vibrations intenses. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Un bon exemple de ce type de connecteur est le 60312242114510 de Würth Elektronik, un connecteur jack SMA de CC à 10 GHz avec une prise femelle (Figure 3). Il est conçu pour une utilisation enfichable et une orientation bord de carte. Ce connecteur à souder à montage sur panneau est également fourni avec un écrou et une rondelle de blocage à l'avant pour faciliter la fixation sur une traversée (panneau) et augmenter la stabilité du produit final.

Figure 3 : Le connecteur jack SMA de CC à 10 GHz 60312242114510 avec prise femelle inclut un écrou frontal et une rondelle de blocage associée pour une intégrité mécanique supérieure lors du montage sur panneau ou sur traversée (toutes les dimensions sont en millimètres). (Source de l'image : Würth Elektronik)

Les spécifications RF clés incluent un rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) inférieur à 1,2 et une perte d'insertion (IL) inférieure à 0,14 décibel (dB) de CC à 12,4 GHz, avec des valeurs ROS et IL correspondantes de 1,4 dB et 0,2 dB de 12,4 GHz à 18 GHz.

•SMB : Les connecteurs série SMB sont conçus pour un couplage encliquetable avec une capacité large bande de CC à 4 GHz. Ils sont plus petits que les connecteurs SMA et sont donc bien adaptés à la miniaturisation des circuits. Les connecteurs SMB disponibles incluent des prises de circuits imprimés pour le montage en surface ou à trou traversant, ainsi que des connecteurs enfichables et de câbles pour fiches et jacks (Figure 4).

Figure 4 : Les connecteurs SMB sont des dispositifs encliquetables plus petits que les connecteurs SMA, et non filetés ; ils sont également disponibles dans un choix de configurations. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Un exemple de connecteur SMB est le 61611002121501, un connecteur jack à broche mâle, à angle droit, à trou traversant et à souder, avec un rapport d'ondes stationnaires en tension de 1,5 et une perte d'insertion inférieure à 0,2 dB (Figure 5). Comme le dispositif SMA, il est répertorié à 500 cycles de raccordement.

Figure 5 : Le connecteur SMB 61611002121501 est une unité à angle droit encliquetable, conçue pour la fixation et le soudage de cartes à trous traversants. Il est plus petit que l'unité SMA mais possède des spécifications comparables. (Source de l'image : Würth Elektronik)

•SMP : Ces connecteurs miniatures, dotés de fonctions coulissantes et encliquetables, peuvent être utilisés dans des applications jusqu'à 40 GHz. Ils sont disponibles avec trois types d'interface : cran complet avec une rétention maximale pour une résistance élevée aux vibrations (100 cycles) ; cran limité avec une rétention moyenne à faible (500 cycles) ; et intérieur lisse (1000 cycles) avec la rétention la plus faible réalisée avec des contacts coulissants pour les systèmes et applications modulaires (Figure 6).

Figure 6 : Les connecteurs SMP offrent une variété de caractéristiques de rétention, y compris à cran limité pour une rétention moyenne à faible (à gauche) et 500 cycles, et à intérieur lisse (à droite) avec la rétention la plus faible mais le double du nombre de cycles. (Source de l'image : Würth Elektronik)

L'un des connecteurs de cette série est le 60114202122305, un connecteur de carte enfichable à montage en surface avec une patte de soudure étendue pour les circuits imprimés d'une épaisseur maximale de 1,2 mm (Figure 7). Il est spécifié pour un rapport d'ondes stationnaires en tension de 1,5 et une perte d'insertion de 0,42 dB de CC à 12 GHz.

Figure 7 : Le connecteur 60114202122305 est un connecteur enfichable à intérieur lisse de la série SMP, répertorié à 12 GHz. (Source de l'image : Würth Elektronik)

•MCX : Les connecteurs série MCX (Micro Coaxial) sont dotés d'un mécanisme de couplage encliquetable pour un raccordement rapide et pratique, et ils sont destinés à un fonctionnement de CC à 6 GHz (Figure 8). Ces connecteurs sont compatibles avec la norme CEI 61169-36, « Connecteurs pour fréquences radioélectriques. Partie 36 : connecteurs microminiatures pour fréquences radioélectriques à accouplement par encliquetage. Impédance caractéristique 50 Ω (type MCX) ».

Figure 8 : La série de connecteurs MCX est une gamme de connecteurs encliquetables encore plus petits, et compatibles avec la norme CEI 61169-36. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Le 60612202111308 est un jack bord de carte à montage en surface de la série MCX, adapté aux cartes d'une épaisseur jusqu'à 1,6 mm. Il présente un rapport d'ondes stationnaires en tension de 1,3 et une perte d'insertion de 0,25 dB sur cette plage, et il est répertorié pour 500 cycles.

Figure 9 : Le jack bord de carte MCX à montage en surface 60612202111308 présente une perte d'insertion de seulement 0,25 dB à 6 GHz. (Source de l'image : Würth Elektronik)

•MMCX : Ces connecteurs sont environ 30 % plus petits que les connecteurs MCX et ils conviennent aux applications exigeant une conception ultracompacte (Figure 10). Ils sont dotés d'un mécanisme de couplage encliquetable pour une connexion simple et rapide, et ils sont également conformes à la norme CEI 61169-36.

Figure 10 : Les connecteurs de la série MMCX sont environ 30 % plus petits que ceux de la série MCX et présentent des performances RF comparables. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Par exemple, la fiche MMCX 66046011210320 est un connecteur à sertir à broche mâle, à suspension libre (en ligne), de la gamme MMCX (Figure 11). Ce connecteur de 6 GHz fonctionne avec les câbles coaxiaux RG174, RG316 et RG188, et il présente un rapport d'ondes stationnaires en tension de 1,3 et une perte d'insertion de 0,3 dB.

Figure 11 : La fiche MMCX 66046011210320 est conçue pour être sertie sur un câble tel que les types coaxiaux RG174, RG316 et RG188. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Des adaptateurs et des connecteurs spécialisés complètent la gamme

Compte tenu du large éventail de connecteurs utilisés, des adaptateurs sont inévitablement requis pour permettre l'interconnexion entre les différentes gammes. Würth Elektronik propose plusieurs séries complètes d'adaptateurs qui permettent de passer d'un type et d'un genre de connecteur à un autre, par exemple des fiches et des jacks SMA aux autres séries de fiches et de jacks (Figure 12).

Figure 12 : Les nombreux adaptateurs de jacks et de fiches SMA disponibles permettent une transition transparente vers les connecteurs SMB, MCX et MMCX de différents types. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Il existe un autre type de connecteur spécial qui peut dérouter les concepteurs au début : le connecteur à polarité inverse (RP). La configuration standard des connecteurs consiste à avoir un contact central mâle (broche) dans la fiche, et un contact femelle correspondant (prise) dans le jack. Mais aux États-Unis, la réglementation de la Commission fédérale des communications (FCC) impose la polarité inverse des genres dans certains cas particuliers.

La situation remonte à plusieurs décennies, lorsque les routeurs Wi-Fi sans fil destinés au grand public ont été introduits. Ils ont été conçus pour une portée limitée, avec une petite antenne dont la base est munie d'un connecteur qui se visse directement dans la connexion de l'antenne de l'unité Wi-Fi, et donc sans possibilité de la déplacer. Toutefois, la FCC craignait que les utilisateurs finaux tentent d'augmenter la portée du dispositif à l'aide d'amplificateurs supplémentaires et/ou d'antennes externes, causant des interférences dans la bande Wi-Fi. Leur « solution » a consisté à tenter d'empêcher la connexion aisée de ces modules complémentaires en imposant l'utilisation de connecteurs RP sur ces dispositifs sans fil (qui utilisaient souvent des connecteurs SMA) afin de les rendre incompatibles avec les modules complémentaires standard (Figure 13).

Figure 13 : Les fiches et jacks RP SMA ont le genre de conducteur central opposé par rapport aux connecteurs SMA classiques ; (de gauche à droite) connecteur SMA mâle standard, connecteur SMA femelle standard, connecteur RP-SMA femelle, connecteur RP-SMA mâle. (Source de l'image : Wikipédia)

En peu de temps, cependant, les assemblages de câbles terminés par des paires de connecteurs RP se sont généralisés et sont devenus des ajouts standard à des dispositifs tels que les antennes Wi-Fi externes et déplaçables (Figure 14).

Figure 14 : Cette antenne Wi-Fi externe peut être déplacée pour trouver un emplacement optimal et elle est compatible avec l'interface d'antenne du routeur Wi-Fi grâce à son connecteur RP-SMA. (Source de l'image : Amazon)

Figure 15 : Les connecteurs à polarité inverse (RP) sont disponibles dans divers styles de circuits imprimés ainsi que dans des configurations de terminaisons de câbles. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Un connecteur jack RP-SMA disponible est le 63012042124504 à souder, à montage traversant sur panneau (Figure 16). Ce connecteur présente un rapport d'ondes stationnaires en tension de 1,2 de CC à 12,4 GHz, et de 1,4 de 12,4 GHz à 18 GHz, tandis que la perte d'insertion dans ces deux plages est de 0,14 dB et 0,2 dB, respectivement.

Figure 16 : Le 63012042124504 est un connecteur SMA à polarité inverse conçu pour le soudage et le montage à trou traversant. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Les câbles et les assemblages complètent les connexions

Les connecteurs seuls ne constituent qu'une partie du scénario du trajet des signaux RF ; leurs fiches sont généralement adaptées aux câbles coaxiaux standard tels que RG174, RG316 et RG188, entre autres. Bien que tous soient des câbles 50 Ω pour des tâches RF (des câbles et des connecteurs 75 Ω sont disponibles pour les systèmes vidéo), ils diffèrent par leur gamme de fréquences, leur atténuation, leur diamètre, leur type de diélectrique, leurs caractéristiques de phase, leur tenue en puissance, leur rayon de courbure minimum, leur gaine externe et d'autres attributs mécaniques et électriques (Figure 17).

Figure 17 : Les concepteurs peuvent choisir parmi un large éventail de câbles coaxiaux de 50 Ω, qui diffèrent par de nombreuses caractéristiques électriques et mécaniques. L'illustration montre l'atténuation par rapport à la fréquence — une spécification importante — pour certains câbles coaxiaux standard courants. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Les concepteurs doivent également décider s'ils veulent fabriquer leurs propres assemblages de câbles coaxiaux ou les acheter prêts à l'emploi — le dilemme classique entre fabriquer ou acheter. Il est possible de terminer ces câbles coaxiaux avec des connecteurs sélectionnés selon les besoins — l'option « fabriquer » — mais il s'agit d'un défi qui, dans de nombreux cas, requiert des compétences, de la pratique, du temps, des outils de sertissage appropriés et d'autres outils.

En outre, ces assemblages de câbles terminés nécessitent plus qu'un simple test de continuité ; ils doivent également être vérifiés en termes de performances RF, notamment la largeur de bande et la planéité, les discontinuités d'impédance, les pertes et le déphasage, pour ne citer que quelques facteurs. Ces tests électriques prennent du temps et nécessitent des équipements de mesure sophistiqués, et les assemblages doivent être rendus mécaniquement robustes via l'ajout d'un réducteur de tension.

Heureusement, les assemblages de câbles sont disponibles dans de nombreuses longueurs en tant qu'articles standard stockés pour les types de câbles et de connecteurs les plus courants. Ils sont également disponibles en longueurs et en paires de connecteurs personnalisées avec des délais de livraison assez courts. Prenons l'exemple du 65503503530505 de Würth, un assemblage de câble de 305 mm (12 pouces) de long avec une fiche mâle SMA droite à chaque extrémité, utilisant un câble coaxial RG-316 (diamètre extérieur de 2,59 mm/0,102 po), avec une gaine thermorétractable ajoutée sur les jonctions connecteur/câble pour la réduction de tension et la robustesse (Figure 18).

Figure 18 : Le 65503503530505 est un assemblage de câble coaxial standard de 305 mm utilisant un câble RG-316 avec des fiches mâles SMA droites à chaque extrémité ; notez le réducteur de tension entre le connecteur et le câble. (Source de l'image : Würth Elektronik)

La fiche technique de cet assemblage de câble inclut les détails mécaniques et matériels complets, les dimensions, ainsi que les spécifications garanties pour le rapport d'ondes stationnaires en tension (1,3) et la perte d'insertion (1,2 dB) de CC à 6 GHz. Un graphique illustre également l'atténuation par rapport à la fréquence par 30 mètres (100 pieds), afin que l'utilisateur puisse déterminer rapidement l'atténuation pour cette longueur ou toute autre longueur d'assemblage de câble (Figure 19).

Figure 19 : Illustration de l'atténuation par rapport à la fréquence pour l'assemblage de câble 65503503530505. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Le vaste choix d'assemblages de câbles proposés par les fournisseurs ne se limite pas à présenter le même type de connecteur à chaque extrémité, mais peut au contraire également répondre directement aux problèmes d'interconnexion et de transition. Par exemple, le 65530260515303 est un assemblage de câble court (152 mm/6 po) utilisant un câble RG-174 avec un jack mâle de traversée RP-SMA à une extrémité et un jack mâle MMCX droit à l'autre (Figure 20).

Figure 20 : Les assemblages de câbles peuvent également être utilisés comme transition entre différentes gammes de connecteurs ; l'assemblage 65530260515303, par exemple, utilise un câble RG-174 et comporte un jack mâle de traversée RP-SMA à une extrémité et un jack mâle MMCX droit à l'autre. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Il reste un élément à prendre en compte avec ces connecteurs et leurs assemblages de câbles : ils sont petits et parfois difficiles à manipuler lors du serrage ou du desserrage de leur corps fileté. Dans le même temps, ils doivent être serrés à un couple spécifié : un couple insuffisant peut empêcher un contact fiable, tandis qu'un couple excessif peut entraîner une contrainte et une déformation des filets, réduisant le nombre de cycles de couplage/découplage. C'est pourquoi Würth Elektronik propose le 6006330101 WR-Tool, une petite clé dynamométrique pour tous les connecteurs WR-SMA (Figure 21).

Figure 21 : Le 6006330101 WR-Tool garantit que le corps fileté du connecteur SMA est correctement et uniformément serré, ce qui constitue souvent un défi compte tenu de la petite taille du corps SMA. (Source de l'image : Würth Elektronik)

L'utilisation de cet outil permet de s'assurer que le couple appliqué au connecteur est au niveau spécifié, garantissant ainsi le raccordement correct des contacts, une fiabilité maximale et des performances constantes.

Conclusion

Les concepteurs de circuits et de systèmes RF dont les fréquences s'étendent dans la plage des gigahertz ont le choix entre des connecteurs de tailles, styles de corps, configurations de genre et autres paramètres critiques différents. La sélection d'un connecteur avec des spécifications électriques et mécaniques et un couple de serrage appropriés permet de minimiser les défis pour garantir des trajets de signaux fiables, cohérents et à faibles pertes entre les circuits, les sous-circuits et les systèmes.