Suunnittelijan opas RF-kaapelikokoonpanon valintaan ja käyttöön

Kirjoittaja Kenton Williston

Julkaisija DigiKeyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

RF-kaapelikokoonpanoja käytetään monenlaisissa sovelluksissa aina ilmailun ja tietoliikenteen kaltaisista vakiintuneista aloista uudempiin käyttökohteisiin, kuten autoteollisuus, teollisuus ja esineiden internet (Internet of Things, IoT). Tämä sovellusten laajeneva joukko on johtanut uudenlaisten RF-kaapelikokoonpanojen kehitykseen, jotta suunnittelijat saavat enemmän mahdollisuuksia optimoida RF-järjestelmiään.

Tällainen kasvu kuitenkin monimutkaistaa suunnitteluprosessia. Kun markkinoilla on paljon kokoonpanoja, on entistä vaikeampaa tunnistaa paras vaihtoehto tiettyyn sovellukseen. Lisäksi RF-kaapelien käyttäminen uusissa sovelluksissa merkitsee, että yhä useammat suunnittelijat, asentajat ja huoltoteknikot ovat tekemisissä heille entuudestaan tuntemattoman teknologian kanssa. Tila- ja ympäristötekijöiden ohella näiden ryhmien pitää myös tutustua taajuuksien yhteensopivuuteen, impedanssisovitukseen, seisovan aallon suhteeseen (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR), magneettikytkentään ja suojaukseen.

RF-järjestelmien suorituskyvyn ja luotettavuuden varmistamiseksi suunnittelijoilta vaaditaan tarkkaavaisuutta ja heidän on käytettävä selkeää etenemissuunnitelmaa vaihtoehtojen ja mahdollisten ongelmien selvittämiseksi.

Tämän artikkelin alussa esitetään lyhyt RF-sovellusten yleiskatsaus, jossa käsitellään niiden sähköisiä ominaisuuksia, fyysistä rakennetta ja tyypillisiä käyttötapauksia. Artikkeli toimii oppaana RF-kaapelikokoonpanojen valintaan, asennukseen ja huoltoon. Valinta- ja käyttökriteereiden havainnollistamiseen käytetään Molexin valmistamia esimerkkituotteita.

RF-kaapelikokoonpanojen laajenevat käyttökohteet

RF-tekniikkaa käytetään useilla eri sektoreilla, joilla on kaikilla omat haasteensa. Taajuudet vaihtelevat sadoista hertseistä (Hz) kymmeniin gigahertseihin (GHz). Joissain sovelluksissa tarvitaan lujatekoiset komponentit. Toisissa taas sovellus pitää saada mahtumaan pieneen tilaan. Katsotaan seuraavia esimerkkejä hyvin erilaisista käyttökohteista:

  • Ilmailu- ja puolustusteollisuus: tutkajärjestelmät, tietoliikenneyhteydet ja GPS
  • Autoteollisuus ja kuljetus: infotainment-järjestelmät, navigointi ja ajoneuvojen tietoliikenneverkot
  • Tietoliikenne ja yleislähetykset: 8K-videosignaalit Wi-Fi-, LTE- ja 5G-verkkojen yli
  • Teollisuus: IoT-anturit, automaattiset kokoonpanolinjat ja telemetria
  • Lääketiede: potilaiden etävalvontajärjestelmät, edistyneet diagnostiikkalaitteet ja leikkausrobotit
  • Testaus ja mittaus: mittaukset valmistustiloissa, kenttätestaukset ja laadunvalvonta valmistustiloissa

RF-teknologian yleistymisen myötä entistä useammat teknikot ja suunnittelijat ovat tekemisissä korkean taajuuden piirien kanssa, vaikka heillä ei välttämättä olisi taustaa tämän tekniikan parissa. Tiukat määräajat ja budjetit vaativat ratkaisuja, jotka yksinkertaistavat tehtäviä ja varmistavat järjestelmän luotettavan toiminnan.

RF-kaapelikokoonpanot voivat tukea näitä tarpeita. Niissä on valmiiksi kootut liittimet ja kaapelit, jotka täyttävät suorituskykyvaatimukset ja vähentävät suunnittelutyön määrää. Valmiiksi kootut RF-kaapelikokoonpanot voivat säästää aikaa ja kustannuksia suunnittelu- ja prototyyppivaiheissa sekä parantaa tuotannon laatua ja tehokkuutta.

Taajuuksien yhteensopivuus, impedanssisovitus ja VSWR

Sopivan kaapelikokoonpanon valinta vaatii useiden tekijöiden huolellista harkintaa. Kokoonpanon pitää ensinnäkin tukea käytettävän RF-signaalin taajuusaluetta. Nämä voivat vaihdella muutamasta sadasta hertsistä Super High Frequency (SHF) ‑taajuusalueen 3–30 gigahertsiin tai jopa enemmän (kuva 1).

Kaavio: RF-kaapelikokoonpanoista on saatavilla monenlaisia ratkaisuja (suurenna klikkaamalla)Kuva 1: RF-kaapelikokoonpanoista on saatavilla monenlaisia ratkaisuja, jotka voi luokitella muun muassa liitinten koon ja tuetun enimmäistaajuuden mukaan. (Kuvan lähde: Molex)

Halutun suorituskyvyn saamiseksi kaapelikokoonpanon täytyy tukea tarvittavaa taajuusaluetta ilman signaalin heikentymistä ja vääristymistä. Esimerkiksi Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) on asettanut 2082-1-ohjeistuksessaan signaalin laadulle tarkat rajat: häviö saa olla enintään 40 desibeliä (dB) kellotaajuuden puolittuessa.

Yksi tapa täyttää nämä vaatimukset on käyttää Molexin BNC Mini RF ‑kaapelikokoonpanoja, jotka tarjoavat korkean heijastushäviö-suorituskyvyn jopa 12 GHz:n taajuuksilla. Tämä suorituskyky ylittää 8K-teräväpiirtovideon TV-lähetysten (HDTV) vaatimukset, joten kaistanleveyttä voidaan tulevaisuudessa kasvattaa ilman laitteiston muutoksia.

Myös impedanssisovitus on tärkeä parametri. RF-signaalit ovat alttiita tulevista ja heijastuneista aalloista syntyville häiriöille, jotka ovat seurausta signaalilinjan impedanssieroista. Signaalin häviön minimoimiseksi kaapelikokoonpanolla tulee olla sama impedanssi kuin siihen kytketyllä kuormalla, tyypillisesti joko 50 tai 75 ohmia (Ω). Liitinten ja kaapeleiden suunnittelu yhdessä on hyvä käytäntö parhaan sovituksen saamiseksi.

Tosimaailman esimerkki tästä käytännöstä on 0897629290-kokoonpano, jossa yhdistetään Molexin BNC-liittimet ja Belden 4794R -kaapeli korkeatasoisia 75 Ω:n sovelluksia varten.

Erityisen vaativissa sovelluksissa, kuten testauksessa ja mittauksessa, voi olla tarpeen huomioida huolellisesti muitakin parametreja, kuten VSWR ja kytkentähäviö. VSWR merkitsee tulevan ja heijastuneen signaalin suhdetta. Tämä kuvastaa sitä, miten tehokkaasti RF-signaali siirtyy lähteestä kuormaan. Kytkentähäviö on energiamäärä, jonka signaali menettää kulkiessaan liittimen tai kaapelin läpi. Kuvassa 2 esitetään esimerkkejä molemmista.

Tilausnro Liittimet Kaapelin tyyppi Pituus Seisovan aallon suhde (VSWR) Kytkentähäviö
89762-1540 2,92 mm:n ST-urosliitin –
2,92 mm:n ST-urosliittimeen
086, matala häviö 152,40 mm / 6,00 tuumaa 1,50, enintään 40 GHz 1,00 dB
89762-1541 228,60 mm / 9,00 tuumaa 1,43 dB
89762-1542 304,80 mm / 12,00 tuumaa 1,85 dB
89762-1543 381,00 mm / 15,00 tuumaa 2,15 dB
89762-1544 457,20 mm / 18,00 tuumaa 2,85 dB
98762-1580 047, matala häviö 152,40 mm / 6,00 tuumaa 1,55, enintään 40 GHz 1,65 dB
89762-1581 228,60 mm / 9,00 tuumaa 2,30 dB
89762-1582 304,80 mm / 12,00 tuumaa 2,90 dB
89762-1583 831,00 mm / 15,00 tuumaa 3,60 dB
89762-1584 457,20 mm / 18,00 tuumaa 4,20 dB

Kuva 2: Esimerkkejä tehokkaiden matalan häviön mikroaaltokaapeleiden VSWR- ja kytkentähäviöarvoista. (Kuvan lähde: Molex)

Suojaus, magneettinen kytkentä ja muita näkökulmia

Myös suojaus on tärkeää ottaa huomioon. Kaikki RF-signaaleja kantavat kaapelit voivat toimia antennin tavoin ja lähettää sekä vastaanottaa signaaleja, mikä aiheuttaa häiriöitä. Tämän häiriön minimoimiseksi kaapelit pitää suojata maadoitetulla metallikotelolla (kuva 3).

Kaaviossa tyypillinen suojattu kaapeliKuva 3: Tyypillinen suojattu kaapeli. Kaapelin osat ovat sisältä alkaen keskellä ytimessä sijaitseva sisäjohdin, ytimen ja suojuksen erottava dielektrinen materiaali, punottu metallisuojus ja kaapelin vaippa. (Kuvan lähde: Molex)

Suojausmateriaalin valintaan vaikuttavat useat tekijät, kuten suorituskykyvaatimukset, ympäristöolosuhteet ja budjetti. Esimerkiksi kupari on useimmilla taajuuksilla tehokas ratkaisu, mutta se on raskasta ja kallista, kun taas alumiini on kevyttä ja edullista, mutta alttiimpaa korroosiolla eikä yhtä tehokasta.

Myös suojamateriaalin muoto on huomionarvoinen seikka. Metallipunokset, kuten RG-136-kaapeleiden MCX-kokoonpanossa 0897616761, tarjoavat erinomaisen mekaanisen lujuuden ja fyysisen suojauksen. Sen sijaan foliosuojat on tyypillisesti valmistettu alumiinilla päällystetystä polyesteri- tai polypropeenikalvosta, jolloin lopputulos on kevyt, edullinen ja joustava. On muitakin tyyppejä, kuten spiraali- ja teippimuotoiset suojukset, joiden taajuuskattavuus, joustavuus, käyttöikä, mekaaninen lujuus, hinta ja terminoinnin helppous vaihtelevat.

Käyttökohteeseen voi liittyä myös erityisvaatimuksia. Esimerkiksi lääketieteellisten sovellusten anturit voivat usein altistua magneettikentille. Tällöin varteenotettava vaihtoehto on MMCX-kaapelikokoonpano 0897616791. Sitä on saatavana versioina, joissa ei tapahdu magneettista kytkentää. Tämä parantaa ratkaisun käyttömahdollisuuksia.

Tilarajoitukset, ympäristövaarat ja huolto

Pääasialliset fyysisten parametrien rajoitukset liittyvät useimmiten tilantarpeeseen ja reititykseen. Esimerkiksi puolustusteollisuuden sovellukset ovat tunnetusti ahtaita. Tähän tarkoitukseen käytännöllinen vaihtoehto on esimerkiksi SSMCX-kaapelikokoonpano 0897611760. SSMCX-liittimet kuuluvat markkinoiden pienimpien joukkoon, ja saatavilla olevat pystysuuntaiset ja suorakulmaiset liittimet auttavat ratkaisemaan tilaan ja reititykseen liittyviä ongelmia.

Suunnittelijoiden on kokoonpanon valinnassa huomioitava myös minimitaivutussäde. RF-kaapelit ovat usein jäykkiä niiden monimutkaisen rakenteen vuoksi. Kun tilanne vaatii tiukkoja käännöksiä, Molexin joustavat mikroaaltokaapelikokoonpanot tarjoavat potentiaalisen ratkaisun (kuva 4). Nämä kaapelit on suunniteltu erityisesti tarjoamaan pienempi staattinen taivutussäde.

Kaapelin osanro Impedanssi VOP Kapasitanssi Staattinen taivutussäde (min.) Sisäjohdin Eristys Vaippa Ulkohalkaisija Rajataajuus
100067-1047 50±1 ohmia 70 % 29 pF/jalka 0,20" 0,0113" PFA FEP 0,061" 112 GHz
100067-1086 0,30" 0,0201" 0,101" 62 GHz
100067-1141 0,50" 0,036" 0,158" 41 GHz
100054-0007 87 % 23,0 pF/jalka 0,30" 0,0126" 0,056" 143 GHz
100054-0006 23,4 pF/jalka 0,38" 0,0253 0,158" 42 GHz
100054-0008 23,3 pF/jalka 0,75" 0,0453" 0,158" 42 GHz
100054-0027 1,00" 0,0571" 0,210" 31 GHz
100054-0028 1,60" 0,0907" 0,310" 19 GHz

Kuva 4: RF-kaapeleita, joilla on pieni staattinen taivutussäde. (Kuvan lähde: Molex)

Myös äärimmäiset lämpötilat voivat aiheuttaa ongelmia erityisesti ulkosovelluksissa esimerkiksi tietoliikennesektorilla. RF-kaapelikokoonpanoissa yleisesti käytetyt kestomuovivaipat eivät sovi tällaisiin sovelluksiin. Niiden sijaan tarvitaan kestävämpiä materiaaleja. Esimerkiksi aiemmin mainittujen joustavien mikroaaltokaapelikokoonpanojen Temp-Flex-vaipat koostuvat fluoratusta eteenipropeenista (FEP), joka on Teflonin kaltainen kestävä materiaali.

Tärinä ja iskut voivat vaarantaa toiminnan joissain sovelluksissa, kuten ilmailussa. Luotettavan toiminnan takaamiseksi käytetyissä RF-kaapelikokoonpanoissa on oltava erittäin tukevat liitännät. Hyvä esimerkki on Molexin 0732306110-kaapelikokoonpano, jossa käytetään yrityksen patentoitua MHF-liittimen lukitusmekanismia (kuva 5).

Kuvassa Molexin MHF-liitinjärjestelmäKuva 5: Molexin MHF-liitinjärjestelmässä käytetään patentoitua lukitusmekanismia luotettavan liitoksen varmistamiseksi. (Kuvan lähde: Molex)

Suunnitteluprosessissa täytyy huomioida myös huolto. On tärkeää tarkistaa kaapelikokoonpanon keskimääräinen vikaantumisväli (Mean Time Between Failure, MTBF) ja huomioida tämä suunnittelussa, jotta eniten huolenpitoa vaativiin alikokoonpanoihin ja liitäntöihin on suhteellisen helppo pääsy huoltoa ja korjausta varten.

Suunnittelijoiden voi olla myös hyvä laatia normaalin huollon tarkistusaikatauluja sekä käyttäjien tarkistuslistoja, joiden avulla voidaan havaita merkkejä kaapelikokoonpanon korjaus- tai vaihtotarpeesta etukäteen ongelmien välttämiseksi. Yleisiä huoltotoimenpiteitä ovat kokoonpanojen kulumisen tarkistaminen sekä kaapeleiden ja liitinten puhdistaminen, jotta liitoksiin ei pääse likaa, joka heikentäisi niiden suorituskykyä.

Lopuksi on tärkeää arvioida myös kaapelikokoonpanon valmistajaa. Sopivia arviointikriteereitä ovat tarvittavat sertifikaatit, kokemus tarvittavien kokoonpanojen valmistuksesta, erilaisia suunnittelutarpeita tukeva kattava tuotevalikoima sekä laadunvalvontaprosessit suorituskykyongelmien välttämiseksi. Esimerkiksi Molex on pitkäikäinen kaapeli- ja liitintekniikoiden kehittäjä, jonka yli 8 100 patenttia ovat osoitus yrityksen innovaatioista. Sillä on myös maine korkealaatuisten tuotteiden ja teknisen tuen tarjoajana, mistä esimerkkinä on mukautettujen kaapeleiden luontityökalu.

Yhteenveto

Sopivan RF-kaapelikokoonpanon valinta vaatii eri tekijöiden ymmärtämistä ja huolellista harkintaa, ja siinä tulee huomioida esimerkiksi taajuuksien yhteensopivuus, suojaus, ympäristöolosuhteet, tilarajoitukset ja huolto. Kuten edellä on esitelty, haasteiden ratkaisussa auttaa yhteistyö kokeneen valmistajan kanssa. Heidän asiantuntemuksensa, laadunvalvontansa ja innovaationsa voivat olla suuri apu erityisesti sellaisille teknikoille ja suunnittelijoille, joille RF-tekniikka on ennestään tuntematonta. Tällainen kumppani voi opastaa kaapeleiden valinnassa, asennuksessa ja huollossa, jotta laitteiden ja järjestelmien suorituskyky pysyy huipussaan.

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

Tietoja kirjoittajasta

Image of Kenton Williston

Kenton Williston

Kenton Williston suoritti B.S.-tutkinnon sähkötekniikassa vuonna 2000 ja aloitti uransa prosessorivertailu-analyytikkona. Tämän jälkeen hän on työskennellyt toimittajana EE Times -ryhmässä ja auttanut lanseeraamaan useita elektroniikkateollisuutta palvelevia julkaisuja ja konferensseja sekä johtanut niitä.

Tietoja tästä julkaisijasta

DigiKeyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa