Conoscere i principi di base degli adattatori coassiali per utilizzarli alla meglio

Gli utenti di apparecchiature di strumentazione elettronica per la trasmissione o la ricezione di segnali elettrici ad alta frequenza hanno familiarità con i collegamenti coassiali, in quanto sono ampiamente utilizzati. Questi tipi di connessione possono essere dati un po' per scontati, fino a quando non arriva il momento di collegare tra loro più strumenti o di estendere i cavi coassiali. A questo punto, i progettisti di apparecchiature si affidano agli adattatori; ma per scegliere quelli giusti devono dapprima comprendere appieno le implicazioni e le caratteristiche dei vari tipi.

Se esiste una grande varietà di adattatori non è per caso. Gli adattatori a T collegano una singola sorgente di segnale a più strumenti, mentre quelli cilindrici estendono le connessioni dei cavi coassiali. Vi sono poi i blocchi c.c., i T di polarizzazione, le piazzole di impedenza, i limitatori di sovratensione e le terminazioni, tutti di uso comune, ma non sempre capiti a fondo. L'uso corretto di questi adattatori richiede alcune conoscenze di base sulle linee di trasmissione e un'attenta selezione.

Questo articolo fornisce una breve panoramica delle linee di trasmissione. Introduce poi vari tipi di adattatori coassiali, ne descrive il funzionamento e mostra come applicarli al meglio. Saranno usati esempi reali di prodotti di Amphenol RF, Amphenol Times Microwave Systems e Crystek Corporation.

Cosa sono le linee di trasmissione?

Le linee di trasmissione, sotto forma di cavi coassiali, linea piatta, microstrisce o altro, collegano una sorgente di segnale a un carico. Le linee di trasmissione hanno un'impedenza caratteristica determinata dalle dimensioni fisiche dei conduttori, dalla loro spaziatura e dal materiale dielettrico utilizzato per l'isolamento. I cavi coassiali hanno più comunemente un'impedenza caratteristica di 50 ohm (Ω) per applicazioni generiche in RF, o 75 Ω per applicazioni video.

Per assicurare la massima efficienza nel trasferire la potenza dalla sorgente al carico, l'impedenza della sorgente, l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione e l'impedenza del carico devono concordare. Se le impedenze differiscono, una certa energia viene riflessa dalla giunzione discorde. Ad esempio, se l'impedenza del carico differisce dalla sorgente e dall'impedenza della linea di trasmissione, l'energia viene riflessa dal carico verso la sorgente (Figura 1).

Figura 1: Una linea coassiale con un carico discorde riflette l'energia dal carico verso la sorgente creando onde stazionarie nel percorso di trasmissione. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Le onde incidenti e riflesse si combinano ulteriormente lungo il percorso di trasmissione formando onde stazionarie la cui ampiezza varia periodicamente sulla lunghezza fisica del percorso. Le onde stazionarie causano errori di misurazione e possono danneggiare i componenti. L'adattamento di impedenza della sorgente, della linea di trasmissione e del carico impedisce la creazione di onde stazionarie, contribuendo così ad assicurare la massima efficienza nella trasmissione di energia dalla sorgente al carico.

A causa dei requisiti di corrispondenza dell'impedenza, è importante utilizzare l'adattatore giusto; ma come il progettista scoprirà presto, gli adattatori sono molti e vari e spesso hanno caratteristiche che non si limitano alla sola formazione di una connessione di base.

Adattatori a T

Si consideri un sistema strumentale di base costituito da un'unica sorgente, un oscilloscopio e un analizzatore di spettro (Figura 2).

Figura 2: Il collegamento dei tre strumenti in questo esempio con un adattatore a T richiede la regolazione dell'impedenza di ingresso dell'oscilloscopio per evitare una discordanza alla sorgente del segnale. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La sorgente del segnale ha un'impedenza di uscita di 50 Ω ed è destinata a funzionare in un carico di 50 Ω. Se si usa un adattatore a T per collegare l'oscilloscopio e l'analizzatore di spettro con entrambe le terminazioni di ingresso impostate a 50 Ω, la sorgente del segnale vedrà un carico di 25 Ω, riducendo la sua uscita e impostando le onde stazionarie sui cavi. Il segreto è di impostare lo strumento al centro della tratta coassiale su una terminazione di ingresso ad alta impedenza, e lo strumento all'estremità della tratta coassiale su una terminazione di ingresso da 50 Ω, come mostrato in figura. La sorgente del segnale lo vedrà come un carico di 50 Ω e tutto andrà bene.

112461 di Amphenol RF (Figura 3) è un adattatore a T BNC con una singola spina BNC, due prese BNC e una larghezza di banda di 4 GHz. Potrebbe essere utilizzato nella configurazione mostrata nel nostro esempio per strumenti con larghezza di banda inferiore a 4 GHz.

Figura 3: 112461 di Amphenol è un adattatore a T BNC con una larghezza di banda di 4 GHz. Nell'esempio mostrato in Figura 1, la spina è collegata all'ingresso dell'oscilloscopio e i cavi coassiali sono collegati dalle prese BNC alla sorgente del segnale e all'analizzatore di spettro. (Immagine per gentile concessione di Amphenol RF)

Il tipo di T da selezionare dipende dai connettori utilizzati sugli strumenti e si baserà sulle rispettive larghezze di banda. In generale, gli adattatori coassiali come quelli a T non sono disponibili per larghezze di banda superiori a 40 GHz, poiché le perdite di segnale diventano problematiche a queste frequenze. Viene mostrato un elenco dei comuni connettori coassiali per strumenti per i quali sono generalmente disponibili adattatori, insieme ai loro attributi salienti (Tabella 1).

Tabella 1: Famiglie di comuni connettori coassiali per le quali sono disponibili adattatori. Al di sopra dei 40 GHz, gli adattatori hanno perdite che li rendono inadatti al funzionamento. (Tabella per gentile concessione di DigiKey)

Adattatori per una famiglia di connettori

Avere più tipi di connettore crea la necessità di poter convertire un tipo di connettore a un altro. Si pensi di dover inserire un cavo SMA dal connettore BNC di ingresso su un oscilloscopio o un analizzatore di spettro. In questa situazione, 242103 di Amphenol RF fornisce una spina BNC per il collegamento allo strumento e una presa SMA per ricevere il cavo SMA (Figura 4).

Figura 4: Un adattatore BNC-SMA si inserisce tra una presa BNC e una spina SMA per collegare un cavo SMA a un ingresso strumento. (Immagine per gentile concessione di Amphenol RF)

Gli utenti di apparecchiature devono tener presente che ogni volta che utilizzano un adattatore, la larghezza di banda dell'interconnessione si riduce alla larghezza di banda minore tra le due famiglie di connettori. Nel caso dell'adattatore BNC-SMA, la larghezza di banda è di 4 GHz, ereditata dal BNC.

Esistono anche adattatori che offrono variazioni di impedenza da 50 a 75 Ω e viceversa.

Adattatori cilindrici e da paratia

Il prolungamento dei cavi o il passaggio di un cavo attraverso un pannello richiede l'uso di adattatori passanti (cilindrici) o Da paratia. Questi sono disponibili per le famiglie di connettori indicate nella Tabella 1. Un esempio è l'adattatore da paratia 132170 di Amphenol RF, che ha due prese SMA per cavi che utilizzano spine SMA su entrambi i lati di una paratia o di un pannello (Figura 5).

Figura 5: Esempio di connettore SMA da paratia, che può essere montato su un pannello per un collegamento coassiale. (Immagine per gentile concessione di Amphenol RF)

I connettori cilindrici possono essere configurati come collegamenti presa-presa, spina-spina e, meno comunemente, spina-presa.

Terminazioni

Il collegamento in serie di più strumenti di ingresso ad alta impedenza da una sorgente da 50 Ω richiede una terminazione da 50 Ω (Figura 6).

Figura 6: Quando si collegano diversi dispositivi di ingresso ad alta impedenza a una sorgente da 50 Ω, è necessario una terminazione esterna da 50 Ω per evitare la riflessione nelle linee coassiali. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La terminazione da 50 Ω 202120di Amphenol RF è un esempio di terminazione coassiale configurata come presa BNC (Figura 7).

Figura 7: 202120 Amphenol RF è una terminazione da 50 Ω configurata come presa BNC. (Immagine per gentile concessione di Amphenol RF)

La presa BNC accetta direttamente il cavo coassiale. Vi sono anche terminazioni sotto forma di spine BNC accoppiabili a una presa BNC. Sono utili quando si termina uno strumento direttamente sul suo pannello frontale. Se la maggior parte degli oscilloscopi offre ingressi ad alta impedenza e ingressi da 50 Ω, esiste un limite di tensione sugli ingressi degli oscilloscopi da 50 Ω, che di solito è di 5 V. Gli oscilloscopi hanno anche un limite di potenza di 0,5 W sugli ingressi da 50 Ω. 202120 ha una potenza nominale di 1 W e può gestire oltre 7 V.

Le terminazioni sono disponibili anche per altre impedenze. Ad esempio, i terminatori da 75 Ω sono comunemente utilizzati in applicazioni televisive e video. Le terminazioni a zero Ω o di cortocircuito sono usate quando si calibrano gli analizzatori di rete.

Blocchi c.c. e T di polarizzazione

Un blocco c.c. è un adattatore coassiale che blocca i segnali in corrente continua e permette il passaggio dei segnali RF. Viene utilizzato per proteggere i componenti RF sensibili dalla corrente continua, che è bloccata da un condensatore. Esistono tre tipi di blocco c.c.:

• Un blocco c.c. interno utilizza un singolo condensatore in serie con il conduttore interno o centrale del cavo coassiale
• Un blocco c.c. esterno ha un condensatore in serie con il conduttore schermante del cavo coassiale
• Un blocco c.c. interno/esterno ha condensatori in serie sia con il conduttore interno che con quello esterno

Tutti i tipi di blocchi c.c. sono designati per specifiche impedenze caratteristiche, di solito 50 o 75 Ω. CBLK-300-300-3 di Crystek Corporation è un blocco c.c. a conduttore interno da 50 Ω che passa i segnali con frequenze da 300 kHz a 3 GHz, mentre blocca livelli c.c. fino a 16 V con basse perdite di inserzione e bassa attenuazione di riflessione nel campo di frequenza operativa (Figura 8).

Figura 8: CBLK-300-3 di Crystek blocca c.c. e passa i segnali con frequenze da 300 kHz a 3 GHz. (Immagine per gentile concessione di Crystek Corporation)

T di polarizzazione

Un T di polarizzazione è legato al blocco c.c. Si tratta di un adattatore a tre porte in cui l'alimentazione c.c. viene applicata a una porta. Una seconda porta combina la polarizzazione c.c. con il segnale RF incidente proveniente da una porta RF isolata (Figura 9).

Figura 9: Il T di polarizzazione ha tre porte: una per l'applicazione di una polarizzazione c.c., una è una porta RF isolatae la terza combina il segnale RF e la polarizzazione c.c. (Immagine per gentile concessione di Crystek Corporation)

I T di polarizzazione sono utilizzati per alimentare l'elettronica remota, come un amplificatore a basso rumore (LNA) montato su un'antenna con alimentazione c.c., fornendo al contempo una porta senza c.c. per collegare un ricevitore RF. La polarizzazione c.c. viene applicata attraverso un induttore in serie, che blocca l'applicazione di RF alla sorgente c.c. Come un blocco c.c., la porta solo RF è isolata dall'ingresso c.c. da un condensatore di serie. La porta combinata passa sia la componente RF che quella c.c.

BTEE-01-50-6000 di Crystek Corporation è un T di polarizzazione con una larghezza di banda RF da 50 MHz a 6 GHz che utilizza prese SMA. La porta RF accetta un segnale RF con un livello di potenza massima di 2 W. La porta c.c. ha un ingresso c.c. massimo di 16 V. La perdita di inserzione del T di polarizzazione è tipicamente di 0,5 dB a 2 GHz. Durante il funzionamento la porta RF+c.c. è collegata all'LNA e all'antenna. La fonte di alimentazione c.c. è collegata alla porta c.c. e il ricevitore è collegato alla porta RF.

Filtri di linea

Un altro adattatore coassiale utile è il filtro di linea. Filtri passa-basso, passa-alto e passa banda sono disponibili per i tipi di connettori BNC o SMA. Questi vengono applicati per controllare lo spettro del segnale trasmesso sul cavo. Ad esempio, per misurare il numero di bit effettivi in un convertitore analogico/digitale (ADC), si inserisce un filtro passa-basso tra il generatore di segnali e l'ADC. Il filtro attenua i livelli armonici del generatore, migliorando notevolmente la precisione di misura. Ciò consente di utilizzare un generatore di segnali a basso costo.

Un buon esempio di tale dispositivo è CLPFL-0100 di Crystek, un filtro passa-basso a 100 MHz del 7° ordine, con una frequenza di taglio di 100 MHz (Figura 10).

Figura 10: CLPFL-0100 è un filtro passa-basso da 100 MHz a sette poli per l'inserimento in linea in un cavo SMA. (Immagine per gentile concessione di Crystek Corporation)

Un segnale di ingresso a 100 MHz avrà la sua seconda armonica attenuata di 30 dB e la sua armonica più alta attenuata di oltre 60 dB. Se il generatore di segnale nell'esempio precedente avesse una specifica di livello armonico di -66 dB, il filtro lo ridurrebbe a meno di -96 dB.

Limitatori di sovratensione

I limitatori di sovratensione, talvolta chiamati scaricatori di fulmini, proteggono l'elettronica sensibile dalle sovratensioni transitorie, come i fulmini. Questa protezione può avvenire mediante spinterometri, tubi a gas o diodi che si rompono elettricamente per scaricare le sovratensioni elettriche a terra prima che possano danneggiare i dispositivi protetti.

LP-GTR-NFF di Amphenol Time Microwave Systems è un limitatore di sovratensione in linea con connettore di tipo N che utilizza un tubo a scarica di gas sostituibile. Il tubo si rompe a tensioni c.c. superiori a ±90 V/20 A e può sopportare picchi fino a 50 W. È inserito in linea e ha una larghezza di banda da c.c. a 3 GHz con una perdita di inserzione di 0,1 dB fino a 1 GHz e 0,2 dB fino a 3 GHz (Figura 11).

Figura 11: Il limitatore di sovratensione LP-GTR-NFF di Amphenol Times Microwave Systems è un dispositivo di connessione N in linea utilizzato per proteggere le linee coassiali da sovratensioni transitorie fino a 50 W. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Times Microwave Systems)

I limitatori di sovratensione sono generalmente montati su supporti a L legati elettricamente e meccanicamente a una massa a bassa impedenza mediante grandi conduttori a bassa induttanza. È importante notare che la qualità del collegamento a terra influisce sulle prestazioni del limitatore di sovratensione.

Attenuatori in linea

Gli attenuatori riducono il livello di potenza di un segnale senza distorcerne la forma d'onda. Le versioni coassiali in linea offrono un'attenuazione fissa e sono disponibili in molti tipi di connettori con una varietà di configurazioni di spina e prese.

CATTEN-03R0-BNC di Crystek Corporation è un attenuatore BNC da 3 dB, 50 Ω, con una larghezza di banda da 0 a 1 GHz e una potenza di 2 W (Figura 12). È uno dei tredici modelli di attenuatori disponibili nella linea di prodotti con attenuazioni da 1 a 20 dB.

Figura 12: CATTEN-03RO-BNC di Crystek è un attenuatore coassiale BNC in linea da 3 dB con una larghezza di banda da 0 a 1 GHz. (Immagine per gentile concessione di Crystek Corporation)

Gli attenuatori in linea sono ovviamente usati per abbassare il livello di potenza di un segnale, ma non tutti sanno che sono anche usati per fornire l'isolamento tra le impedenze nei dispositivi collegati in serie, così come per ridurre gli squilibri di impedenza e le riflessioni indesiderate.

Si consideri l'inserimento di un attenuatore di 3 dB concorde davanti a un'impedenza di carico discorde. Il segnale di ingresso dell'attenuatore viene ridotto di 3 dB dall'attenuatore mentre si propaga al carico discorde. Supponendo che la discordanza sia un circuito aperto, l'intero segnale viene riflesso al carico e rimbalzato attraverso l'attenuatore dove subisce un'altra perdita di 3 dB all'ingresso dell'attenuatore. Il fattore d'adattamento in riflessione all'ingresso dell'attenuatore è migliorata di 6 dB. La discordanza osservata all'ingresso dell'attenuatore migliora di una quantità pari al doppio del valore dell'attenuatore - in questo caso la riduzione totale è di 6 dB.

Questa tecnica ha uno svantaggio in quanto l'ampiezza del segnale passante viene ridotta di 3 dB, che deve essere compensata altrove nella rete. CATTEN-03R0-BNC di Crystek funzionerebbe bene in questa applicazione.

Conclusione

Quando si collegano strumenti o altri dispositivi con adattatori coassiali, i progettisti e altri utenti di apparecchiature devono conoscere le nozioni di basi delle linee di trasmissione. Solo conoscendo bene questi componenti gli utenti possono sfruttarne al meglio l'ampia gamma di utilità, tra cui il cambiamento dei tipi di connettore e delle impedenze caratteristiche, la ramificazione del segnale, il filtraggio, la protezione dalle sovratensioni, l'attenuazione del segnale, il controllo c.c. e l'isolamento.