Capire e scegliere i connettori coassiali e cavi assemblati per l'intervallo GHz

I connettori a radiofrequenza (RF) e i rispettivi cavi assemblati coassiali completi forniscono i percorsi di segnale essenziali tra circuiti stampati, gruppi e telai. Un connettore appropriato fornirà almeno le prestazioni elettriche e la robustezza meccanica minime richieste. Tuttavia, le famiglie di connettori RF in uso da molti anni, compreso il connettore BNC con attacco a baionetta, non sono più adeguate a causa del loro ingombro fisico e dei limiti prestazionali.

Per soddisfare le sfide dei progetti di oggi, gli ingegneri possono scegliere tra i molteplici tipi disponibili in diverse famiglie principali, ognuna con una combinazione di maggiore larghezza di banda, minor ingombro e l'uso di cavi coassiali più sottili. Questi connettori sono disponibili in un'ampia varietà di stili di terminazione per schede CS e di tipi di terminazione del cavo per soddisfare le molte classi di priorità di installazione fisica. I progettisti devono quindi selezionare prima la famiglia di connettori appropriata per soddisfare i requisiti di progettazione e poi lo stile all'interno di quella famiglia.

Questo articolo esaminerà cinque famiglie di connettori RF nell'intervallo gigahertz (GHz) di ampio utilizzo. Verrà anche esaminata la questione strettamente correlata dei cavi assemblati completi terminati con il connettore scelto, utilizzando i componenti delle varie famiglie di Würth Elektronik.

Principi base dei connettori RF

È importante chiarire la terminologia relativa ai connettori. Un "connettore" è la terminazione metallica che può essere accoppiata e disaccoppiata secondo necessità, mentre il "cavo" è il filo coassiale composto da un conduttore in rame interno, un dielettrico, una schermatura esterna e un isolante a cui è collegato il connettore. Un "cavo assemblato" è la combinazione di un cavo con un connettore su una o entrambe le estremità. Tuttavia, il termine "cavo" è spesso usato al posto di "cavo assemblato" nella lingua parlata, e il significato reale diventa chiaro dal contesto. In questo articolo useremo questi termini nel loro senso stretto.

Mentre i connettori sono componenti passivi e non forniscono alcuna elaborazione o miglioramento del segnale, sono elementi essenziali in quasi tutti i prodotti. Il connettore "ideale" offre attributi meccanici critici come l'accoppiamento e lo smontaggio pratici, l'integrità meccanica ed elettrica e dovrebbe essere elettricamente invisibile senza resistenza ohmica c.c. o discontinuità di impedenza RF. Le sfide di progettazione, produzione e uso dei connettori aumentano con la frequenza operativa. Poiché la loro frequenza operativa richiesta si estende nel dominio RF, nell'intervallo dei gigahertz (GHz) e oltre, la loro costruzione meccanica diventa per necessità sempre più precisa, con molti attributi e parametri di prestazione critici.

I connettori classici come BNC (Bayonet Neil-Concelman), offerti nelle versioni da 50 Ω e 75 Ω (quest'ultima per video e TV), sono ampiamente utilizzati dagli anni 50 e sono tuttora in uso (Figura 1). Questo connettore di bloccaggio ha un'azione di connessione e disconnessione rapida con un terzo di giro grazie a un sistema a "baionetta". Anche se la risposta in frequenza è ufficialmente indicata fino a 4 GHz, le perdite del connettore aumentano a livelli spesso inaccettabili alle frequenze più alte. Fisicamente, non si adatta bene ai progetti compatti e densi di oggi a causa delle sue dimensioni relativamente grandi e del grande raggio di curvatura minimo di un cavo assemblato completo.

Figura 1: Il connettore BNC include una chiusura a baionetta ed è stato ampiamente utilizzato fin dal suo sviluppo nei primi anni '50, ma non è una buona scelta elettrica o meccanica per molte delle attuali applicazioni ad alta frequenza e con vincoli di spazio. Una spina maschio di solito è usata con i cavi assemblati (a sinistra); una presa femmina (a destra) per i pannelli strumentali. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia e Pinterest)

Nuove famiglie per nuove applicazioni

Sono disponibili molte famiglie di connettori standard che risultano più efficaci per applicazioni più compatte e alle frequenze più alte. Tra i più diffusi figurano le famiglie SMA, SMB, SMP, MMX e MMCX, tutte con l'impedenza RF standard di 50 Ω. Ognuna offre una diversa combinazione di caratteristiche elettriche e meccaniche. A differenza del diametro di 17 mm del connettore BNC, questi connettori hanno un diametro molto più piccolo che si aggira attorno a 5 mm.

Questo articolo esaminerà un singolo esemplare di connettore in ciascuna di queste famiglie. Tuttavia, all'interno di ogni famiglia, ci sono molti articoli con specifiche elettriche quasi identiche, ma configurazioni meccaniche e disposizioni molto diverse. Questi includono versioni per circuiti stampati (schede CS) con un corpo ad angolo retto o un corpo dritto, con terminazione a montaggio superficiale, a foro passante o da stampato; tipi a paratia per il montaggio posteriore e versioni montate a pannello con scodellino a saldare, linguetta piatta o collegamento tondo. Ci sono anche diverse disposizioni per l'accoppiamento dei connettori all'estremità del cavo, come variazioni dritte e ad angolo retto.

Avere così tante opzioni all'interno di un dato tipo di connettore è un bene per i progettisti in quanto aumenta la probabilità che ne trovino uno di serie con un fattore di forma specifico adatto ai vincoli del progetto. Questo significa che le priorità di progettazione meccanica del prodotto finale non subiranno grandi modifiche. Ora, uno sguardo più da vicino a queste cinque famiglie:

• SMA: i connettori serie SMA coassiali sono progettati con tecnologia di accoppiamento filettato per garantire un'elevata stabilità meccanica a fronte di vibrazioni intense (Figura 2). Il contatto centrale con prigionieri e l'isolante del connettore aumentano la forza assiale e la coppia. La spessa doratura sul contatto centrale contribuisce a migliorare le prestazioni elettriche e fino a 500 cicli di accoppiamento.

Figura 2: I connettori serie SMA subminiaturizzati utilizzano un accoppiamento filettato per una maggiore integrità meccanica a fronte di vibrazioni intense. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Un buon esempio di questo tipo di connettore è 60312242114510 di Würth Elektronik, un connettore SMA da c.c. a 10 GHz con presa femmina (Figura 3). È progettato per l'uso a bordo scheda e per l'orientamento terminale da stampato. Questo connettore a saldare per il montaggio a pannello è anche dotato di un dado e una rondella di tenuta sul lato anteriore per facilitare il fissaggio alla paratia (pannello) per una maggiore rigidità del prodotto finale.

Figura 3: La presa per connettore SMA da c.c. a 10 GHz 60312242114510 di Würth Elektronik con presa femmina include un dado sul lato anteriore e una rondella di tenuta per una maggiore integrità meccanica quando viene montato a pannello o paratia (tutte le dimensioni sono in millimetri). (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Le specifiche RF chiave includono un rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione inferiore a 1,2 e una perdita di inserzione (IL) inferiore a 0,14 dB da c.c. a 12,4 GHz, con ROS in tensione e IL corrispondenti di 1,4 e 0,2 dB da 12,4 a 18 GHz.

• SMB: i connettori serie SMB sono progettati per l'accoppiamento a scatto con capacità a banda larga da c.c. fino a 4 GHz. Sono più piccoli dei connettori serie SMA e quindi sono adatti alla miniaturizzazione dei circuiti. Tra i connettori SMB disponibili ci sono prese per schede CS a foro passante e montaggio superficiale, così come connettori bordo scheda e cavi per spine e prese (Figura 4).

Figura 4: I connettori SMB sono dispositivi a scatto più piccoli dei connettori SMA e non filettati; sono anch'essi disponibili in molteplici configurazioni. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Un esempio di un connettore SMB è 61611002121501, un connettore a saldare maschio, ad angolo retto, foro passante con ROS in tensione di 1,5 e una perdita di inserzione sotto 0,2 dB (Figura 5). Come il dispositivo SMA, anche questo è classificato per 500 cicli di accoppiamento.

Figura 5: Il connettore SMB 61611002121501 è un'unità ad angolo retto e a scatto progettata per il fissaggio a foro passante su scheda e la saldatura, più piccola dell'unità SMA ma dalle specifiche paragonabili. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

• SMP: questi connettori miniaturizzati con caratteristiche sia a scorrimento che a scatto possono essere utilizzati in applicazioni fino a 40 GHz. Sono disponibili con tre tipi di interfaccia: piena, con la massima ritenzione per un'alta resistenza alle vibrazioni (100 cicli); limitata con ritenzione medio-bassa (500 cicli) e alesaggio liscio (1000 cicli) con la ritenzione più bassa ottenuta tramite contatti scorrevoli per sistemi e applicazioni modulari (Figura 6).

Figura 6: I connettori serie SMP hanno una varietà di gradi di ritenzione, tra cui quella limitata per una ritenzione medio-bassa (a sinistra) e 500 cicli e alesaggio liscio (a destra) con la ritenzione più bassa ma il doppio del numero di cicli. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Un modello di questa serie è 60114202122305, un connettore bordo scheda a montaggio superficiale con una gamba di saldatura estesa per circuiti stampati con uno spessore massimo di 1,2 mm (Figura 7). È specificato per una ROS in tensione di 1,5 e una perdita di inserzione di 0,42 dB da c.c. a 12 GHz.

Figura 7: Il connettore bordo scheda serie SMP ad alesaggio liscio 60114202122305 di Würth Elektronik è valutato a 12 GHz. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

• MCX: i connettori serie MCX (micro-coassiali) hanno un meccanismo di accoppiamento a scatto per una connessione veloce e pratica e sono intesi per il funzionamento da c.c. a 6 GHz (Figura 8). Questi connettori sono compatibili con IEC 61169-36, "Connettori per radiofrequenza - Parte 36: Connettori r.f. microminiaturizzati con accoppiamento a scatto - Impedenza caratteristica 50 Ω (Tipo MCX)".

Figura 8: La serie di connettori MCX è una famiglia di connettori a scatto ancora più piccola e compatibile con IEC 61169-36. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Il modello 60612202111308 è un connettore bordo da stampato a montaggio superficiale serie MCX, adatto a schede fino a 1,6 mm di spessore. Ha una ROS in tensione di 1,3 e una perdita di inserzione di 0,25 dB su questo intervallo ed è classificato per 500 cicli.

Figura 9: Il connettore bordo da stampato a montaggio superficiale serie MCX 60612202111308 ha una perdita di inserzione di soli 0,25 dB a 6 GHz. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

• MMCX: questi connettori sono del 30% circa più piccoli rispetto ai connettori MCX e sono adatti ad applicazioni con requisiti di progettazione ultracompatta (Figura 10). Hanno un meccanismo di accoppiamento a scatto per una connessione facile e veloce e soddisfano anche la norma IEC 61169-36.

Figura 10: I connettori serie MMCX sono del 30% circa più piccoli rispetto alla serie MCX e presentano prestazioni RF paragonabili. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Come esempio, la spina MMCX 66046011210320 è un connettore maschio volante (in linea), a crimpare che fa parte della famiglia MMCX (Figura 11). Questo connettore a 6 GHz funziona con i cavi coassiali RG174, RG316 e RG188 e presenta una ROS in tensione di 1,3 e una perdita di inserzione di 0,3 dB.

Figura 11: La spina MMCX 66046011210320 è progettata per la crimpatura su un cavo di tipo coassiale come RG174, RG316 e RG188. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Connettori speciali e vari adattatori completano le famiglie

Data la vasta gamma di connettori in uso, è inevitabile che ci sia bisogno di adattatori per l'interconnessione tra una famiglia e l'altra. Würth Elektronik offre diverse serie complete di adattatori che supportano le transizioni da un tipo e genere di connettore a un altro, ad esempio da spine e prese SMA ad altre serie (Figura 12).

Figura 12: I molti adattatori SMA disponibili che forniscono una transizione senza soluzione di continuità ai connettori delle famiglie SMB, MCX e MMCX di vari tipi. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

C'è un altro tipo di connettore speciale che può confondere i progettisti all'inizio: il connettore a polarità inversa (RP). La configurazione standard dei connettori prevede un contatto centrale maschio (pin) nella spina e una femmina corrispondente (presa) nel connettore. Ma negli Stati Uniti, i regolamenti della Federal Communications Commission (FCC) impongono l'inversione della "polarità" di genere in alcuni casi particolari.

La situazione risale a diversi decenni fa, quando sono stati introdotti i router Wi-Fi wireless per il mercato consumer. Sono stati progettati per una portata limitata utilizzando una piccola antenna con un connettore alla base che si avvita direttamente nella connessione dell'antenna dell'unità Wi-Fi e quindi senza possibilità di riposizionarla. Tuttavia, la FCC era preoccupata che gli utenti finali avrebbero tentato di aumentare la portata del dispositivo con amplificatori aggiuntivi e/o antenne esterne, causando interferenze nella banda Wi-Fi. La "soluzione" è stata quella di tentare di impedire la facile connessione di tali componenti aggiuntivi imponendo l'uso di connettori a polarità inversa (RP) su questi dispositivi wireless (che spesso usavano connettori SMA) per renderli incompatibili con i componenti aggiuntivi standard (Figura 13).

Figura 13: I connettori RP SMA hanno il genere del conduttore centrale opposto rispetto ai connettori SMA convenzionali; (da sinistra a destra) connettore standard SMA maschio, connettore SMA standard femmina, connettore RP-SMA femmina, connettore RP-SMA maschio. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

In breve tempo, tuttavia, i cavi assemblati terminati con coppie di connettori RP sono diventati comuni come componenti aggiuntivi standard per dispositivi come le antenne Wi-Fi esterne e riposizionabili (Figura 14).

Figura 14: Questa antenna Wi-Fi esterna può essere spostata per trovare una posizione ottimale ed è compatibile con l'interfaccia dell'antenna sul router Wi-Fi grazie al suo connettore RP-SMA. (Immagine per gentile concessione di Amazon)

Figura 15: I connettori a polarità inversa (RP) sono disponibili in una gamma di stili per schede a circuiti stampati e di configurazioni di terminazione dei cavi. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Un connettore femmina RP-SMA disponibile è il modello 63012042124504 (Figura 16). Questo connettore ha una ROS in tensione di 1,2 da c.c. a 12,4 GHz e di 1,4 da 12,4 a 18 GHz, mentre la perdita di inserzione in questi due intervalli è rispettivamente di 0,14 dB e 0,2 dB.

Figura 16: 63012042124504 è un connettore SMA a polarità inversa progettato per il montaggio a foro passante e la saldatura. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Cavi e assemblati completano le connessioni

I connettori sono solo una parte del percorso del segnale RF; le loro spine sono di solito montate su cavi coassiali standard come RG174, RG316 e RG188. Anche se tutti sono cavi da 50 Ω per il lavoro in RF (cavi e connettori da 75 Ω sono disponibili per i sistemi video), differiscono per il campo di frequenza, l'attenuazione, il diametro, il tipo di dielettrico, le caratteristiche di fase, la gestione della potenza, il raggio di curvatura minimo, il rivestimento esterno e altri attributi meccanici ed elettrici (Figura 17).

Figura 17: I progettisti possono scegliere tra una vasta gamma di cavi coassiali da 50 Ω, che differiscono in molte caratteristiche elettriche e meccaniche. Viene mostrata l'attenuazione rispetto alla frequenza - una specifica importante - per alcuni cavi coassiali standard comuni. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

I progettisti devono anche decidere se produrre da sé cavi assemblati coassiali o se comprarli già pronti - il classico dilemma tra "il fare e l'acquistare". È possibile terminare questi cavi coassiali con i connettori selezionati come necessario ("fare") - ma ciò richiede abilità, esperienza, tempo, attrezzi di crimpatura adatti e altri attrezzi in molti casi.

Inoltre, questi cavi assemblati completati hanno bisogno di più di un semplice test di continuità; devono anche essere controllati nell'ottica di fattori di prestazioni RF come la larghezza di banda e la planarità, la discontinuità di impedenza, le perdite e lo spostamento di fase, tanto per citarne alcuni. Questi test elettrici richiedono tempo e attrezzature di misurazione sofisticate e gli assemblati hanno bisogno di robustezza meccanica aggiunta attraverso lo scarico della trazione.

Fortunatamente, i cavi assemblati sono disponibili in molte lunghezze come articoli standard a magazzino per i tipi di cavi e connettori più comuni. Sono anche disponibili in lunghezze personalizzate e accoppiamenti di connettori con tempi di consegna abbastanza brevi. Si consideri, ad esempio, il modello 65503503530505 di Würth, un cavo assemblato da 12 in/305 mm con una spina maschio SMA diritta su ogni estremità, che usa un cavo coassiale RG-316 (0,102 in/2,59 mm di diametro esterno), con guaina termorestringente aggiunta sopra le giunzioni connettore/cavo per scaricare la tensione e per conferire robustezza (Figura 18).

Figura 18: Il 65503503530505 è un cavo assemblato coassiale standard da 12 pollici che utilizza un cavo RG-316 con spine maschio SMA diritte su ciascuna estremità; si noti lo scarico della trazione tra il connettore e il cavo. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

La scheda tecnica di questo cavo assemblato include dettagli meccanici e materiali completi e dimensioni, nonché specifiche garantite per ROS in tensione (1,3) e perdita di inserzione (1,2 dB) da c.c. a 6 GHz. Presenta anche un grafico che mostra l'attenuazione rispetto alla frequenza ogni 100 piedi, così gli utenti possono determinare rapidamente l'attenuazione per questa o qualsiasi altra lunghezza scelta per il montaggio del cavo (Figura 19).

Figura 19: L'attenuazione rispetto alla frequenza per il cavo assemblato 65503503530505. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

L'ampia gamma di cavi assemblati offerta dal fornitore non si limita allo stesso tipo di connettore su ogni estremità, ma può invece affronta direttamente anche i problemi di interconnessione e transizione. Ad esempio, il modello 65530260515303 è un cavo assemblato corto (6 in/152 mm) che usa un cavo RG-174 con un connettore maschio a paratia RP-SMA su un'estremità e un connettore maschio diritto MMCX sull'altra (Figura 20).

Figura 20: I cavi assemblati possono anche essere usati come transizioni tra diverse famiglie di connettori; il cavo assemblato 65530260515303, ad esempio, usa un cavo RG-174 e ha un connettore maschio a paratia RP-SMA su un'estremità e un connettore maschio diritto MMCX sull'altra. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

C'è un'altra cosa da tenere a mente con questi connettori e i rispettivi cavi assemblati: sono piccoli e a volte difficili da maneggiare quando si stringe o si allenta il loro corpo filettato. Allo stesso tempo, hanno bisogno di essere serrati a un valore specificato: una coppia troppo bassa potrebbe compromettere un contatto affidabile, una coppia troppo alta potrebbe sollecitare o deformare le filettature, causando una riduzione del numero di cicli di accoppiamento/disaccoppiamento. Per questo motivo, Würth Elektronik offre l'attrezzo 6006330101 WR-Tool, una piccola chiave dinamometrica per tutti i connettori WR-SMA (Figura 21).

Figura 21: 6006330101 WR-Tool assicura che il corpo filettato del connettore SMA sia serrato correttamente e costantemente, cosa spesso difficile date le piccole dimensioni del corpo SMA. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

L'uso di questo attrezzo assicura che la coppia applicata al connettore sia al livello specificato, garantendo così un corretto accoppiamento dei contatti, che massimizza l'affidabilità e offre prestazioni costanti.

Conclusione

I progettisti di circuiti e sistemi RF con frequenze che si estendono ai gigahertz hanno una scelta di connettori in diverse dimensioni, stili di corpo, disposizioni di genere e altri parametri critici. Selezionando un connettore con specifiche elettriche e meccaniche appropriate e serrandolo correttamente, si riducono al minimo i problemi, per garantire percorsi di segnale affidabili, costanti e a bassa perdita tra circuiti, sottocircuiti e sistemi.