RF-ratkaisujen optimointi ääriolosuhteita varten

Maailma on lisääntyvässä määrin riippuvainen langattomasta verkkoyhteyksistä ja järjestelmäsuunnittelijat tarvitsevat RF-komponentteja, jotka toimivat luotettavasti myös äärimmäisissä ympäristöolosuhteissa. Näitä tarvitaan mm. sellaisissa sovelluksissa kuten merenkulun GPS, teollinen IoT, älykäs maatalous ja miehittämättömät ilma-alukset. Niiden haasteita ovat tärinä, pöly, korkea ilmankosteus, altistuminen vedelle tai muille nesteille sekä suolaroiskeet. Vaikka järjestelmä on suunniteltava kestämään nämä ankarat olosuhteet, keskeinen huolenaihe on RF-liitäntä, jossa koaksiaaliliitäntä siirtää radiotaajuisia signaaleja laitteiden välillä tai laitteen ja antennin välillä. Suunnittelijoiden on varmistettava, että heidän käyttämänsä liittimet ja kaapelit sopivat hyvin tehtävään ja täyttävät samalla kasvavat suorituskykyä ja liittymätiheyttä koskevat vaatimukset.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti äärimmäisiä ympäristöolosuhteita koskevia suunnitteluhaasteita, minkä jälkeen siinä esitellään RF-sovittimia, liittimiä ja kaapelikokoonpanoja Amphenol RF ‑yritykseltä. Artikkelissa esitellään, miten nämä komponentit tiivistävät kotelon ja suojaavat kosteudelta, pölyltä, tärinältä ja korroosiolta. Ne myös tarjoavat erinomaisen RF-suorituskyvyn kompaktissa liitinrungossa, joka sopii korkean tiheyden koteloihin.

Äärimmäiset ympäristöolosuhteet

Teollinen esineiden internet (IIoT) on esimerkki RF-komponentteja hyödyntävästä ympäristöstä, jossa voi olla paljon kosteutta, höyryä, roiskuvaa tai läikkyvää nestettä, pölyä tai suolaveden kaltaisia syövyttäviä kemikaaleja (kuva 1).

Kuva 1: Konseptikaavio IIoT-järjestelmästä, jossa langattomat ja langalliset etäanturit ovat yhteydessä reunayhdyskäytävään ja RF-liitäntöjä käytetään kaikkialla. (Kuvan lähde: Art Pini)

IIoT-teknologiassa käytetään älykkäitä antureita, toimilaitteita, robotteja ja vastaavia laitteita tuotantoprosessien tehostamiseen. Nämä laitteet on kytketty verkkoon, ja ne tarjoavat tiedon keruuta, vaihtoa, analyysiä ja hallintaa. Useista koneista ja järjestelmistä peräisin olevien tietojen jakaminen auttaa tekemään teollisista prosesseista tehokkaampia ja luotettavampia.

Jos suunnittelet tällaisia laitteita, sinun on otettava huomioon ympäristö. Äärimmäiset ympäristöolosuhteet vaativat, että laite on tiivistetty ja kaikkien porttien on oltava korroosionkestäviä ja vesitiiviitä. Metalliset kotelot edellyttävät ulkoisia antenneja. Liittimiä tarvitaan myös laitteen ulkopuolisia antureita varten ja signaaliyhteyksien muodostamiseen muihin laitteisiin. Antennien ja signaalikaapeleiden kanssa käyttävät koaksiaaliliittimet on tiivistettävä käyttäen liitinrunkoa ja tiivisteitä. Näiden on täytettävä altistumiselle asetetut vaatimukset. Alan standardi IEC 60529 käyttää IP-luokitusta määrittääkseen minkä tahansa liittimen tarjoaman suojaustason. IP-luokitus muodostuu kirjaimista IP, joita seuraa kaksinumeroinen luku. Ensimmäinen numero ilmaisee suojaustason pölyä ja kiinteitä hiukkasia vastaan. Toinen numero ilmaisee suojaustason vettä vastaan. IP-luokituksen suojaustasot on määritelty suojauksen puuttumisesta täyteen suojaukseen saakka. Korkeampi numero tarkoittaa parempaa suojausta (kuva 2).

Kuva 2: IEC 60529 ‑standardin mukaiset IP-luokitukset pölyä ja vettä vastaan. (Kuvan lähde: Amphenol RF)

Äärimmäisiin ympäristöolosuhteisiin soveltuvien liittimien IP-luokituksen on oltava 67 tai 68. IP67-luokitus merkitsee pölytiiviyttä ja suojaa vedeltä, mukaan lukien täysi upotus 30 minuutin ajaksi enintään 1 metrin syvyyteen.

IP67-luokan koaksiaaliliittimet

Amphenol RF tarjoaa laajan valikoiman pöly- ja vesitiiviitä IP-luokiteltuja SMA-, BNC- ja TNC-tyyppisiä koaksiaaliliittimiä. Malli 901-10746-EE on esimerkki RG-58-kaapelille tarkoitetusta SMA-jakista. Se on tarkoitettu seinäkiinnitykseen, ja sen luokitus on IP67 (kuva 3).

Kuva 3: RF 901-10746-EE-seinäjakin luokitus on IP67, mikä tarkoittaa, että se on vesitiivis, pölytiivis ja kestää suolaveden aiheuttamaa korroosiota. (Kuvan lähde: Amphenol RF)

Tämän SMA-naarasliittimen sähköisiin ominaisuuksiin kuuluu 50 ohmin (Ω) nimellisimpedanssi RG-58-koaksiaalikaapelia varten. Se toimii taajuusalueella tasavirrasta kuuteen gigahertsiin (GHz) ja sen maksimi SAS-arvo (seisovan aallon suhde, VSWR) on 1,30:1, mikä vastaa –18 desibelin (dB) heijastusvaimennusta. Sen läpilyöntijänniteluokitus on 1000 VRMS. Sen käyttölämpötila-alue on −65…+165 °C. Kokoonpanoprosessi alkaa juottamalla keskijohdin liitinnastaan. Nasta ja kaapeli työnnetään sitten liittimeen punos pyällyksen päällä. Tämän jälkeen tukiholkki puristetaan punoksen päälle. O-rengas tiivistää liittimen rungon kiinnityslevyyn.

Liittimen runko on messinkiä, tukiholkki on kuparia ja molemmat on pinnoitettu korroosionkestävällä tina-nikkeliseoksella. Pinnoitus täyttää MIL-STD-202 Method 101 ‑standardin vaatimukset 5 %:n suolaliuosroiskeille 720 tunnin ajan. Suolaroiskeille altistamisen jälkeen pinnoituksen eheys varmistetaan ja liittimen RF-suorituskyky, mukaan lukien kosketinresistanssi ja heijastusvaimennus, testataan uudelleen.

Keskijohtimen kosketin on kultapinnoitettua berylliumkuparia tefloneristeen sisällä. Se täyttää IP67-vaatimukset ei-kytkettynä, kun se on koottu kaapelin ja tukiholkin kanssa.

Liitin kiinnitetään paneeliin ruostumattomasta teräksestä valmistetuilla kiinnikkeillä ja tiivistetään silikonikumitiivisteellä, joka takaa sen fyysisen eheyden ja IP67-luokituksen.

Amphenol RF 901-9876-RFX-EE on vastaava SMA-urosliitin. Tämä kaapeliin asennettava SMA-liitin on valmistettu samoista materiaaleista kuin seinäjakki, siinä on sama pinnoite ja sitä voidaan käyttää samalla lämpötila-alueella. Se kytketään jakkiin kierreholkilla, joka kierretään jakin kierrerungon päälle. Kuten 901-10746-EE, liittimellä on IP67-luokitus ja se on suunniteltu käytettäväksi RG-58-kaapeleiden kanssa. Sen toimintataajuusalue on DC–12,4 GHz.

Näitä ääriympäristöjä varten suunniteltuja RF-liittimiä on saatavana myös BNC- ja TNC-tyyppisinä. TNC-liitin on kierrettä käyttävä versio BNC-liittimestä. Kierreliittimet kestävät tärinää, kun ne on kiristetty niille määritettyyn kiristysmomenttiin. 031-6501-EE (kuva 4, vasemmalla) on TNC-kulmaliitin, jossa käytetään samoja materiaaleja kuin SMA-liittimissä ja joka täyttää samat IP67- ja korroosionkestävyysstandardit. Se on luokiteltu toimimaan lämpötila-alueella –40…+85 °C. Sen ominaisimpedanssi on 50 Ω ja toimintataajuusalue on jopa 6 GHz. Kulmaliittimet poistavat tarpeen taivuttaa kaapelia, mikä minimoi koaksiaalikaapelin vaurioitumismahdollisuuden ja säästää samalla tilaa pienissä koteloissa, joita käytetään IIoT-ratkaisuissa ja vastaavissa järjestelmissä. 031-6501-EE-liitintä voidaan käyttää yhdessä sitä vastaavan seinäsovittimen kanssa, esimerkkinä AD-TNCJTNCJ-EE (kuva 4, oikea).

Kuva 4: 031-6501-EE-TNC-kulmaliitin ja AD-TNCJTNCJ-EE-TNC-seinäsovitin mahdollistavat tiukat mutkat kaapeleita taivuttamatta ja säästävät tilaa pienikokoisissa IIoT-koteloissa. (Kuvan lähde: Amphenol RF)

AD-TNCJTNCJ-EE-liittimellä on IP68-luokitus, se kestää korroosiota ja sen käyttölämpötila-alue on –65…+165 °C. Sen ominaisimpedanssi on 50 Ω, ja sitä voidaan käyttää jopa 18 GHz:n taajuudella. Sen SAS-arvo on 1,2:1 (vastaa –21 dB:n heijastusvaimennusta) taajuuksilla 0–11 GHz ja 1,3:1 (vastaa –18 dB:n heijastusvaimennusta) taajuuksilla 11–18 GHz. Seinäsovittimia käyttämällä kaapeli voidaan helposti irrottaa kiinnityspaneelista tai luukusta huoltoa varten.

BNC-liittimet ovat TNC-liittimien kaltaisia ja eroavat niistä pääasiassa lukitusmekanisminsa suhteen. BNC on pikaliitin, jossa käytetään jakin puolella kahta lukitusnastaa. Nämä vastaavat urosliittimen aukkoja ja ne lukitsevat liitinosat yhteen, kun liitintä käännetään neljänneskierros. Ne tarjoavat myös IP67-suojauksen ja kestävät suolaroiskeiden aiheuttamaa korroosiota.

031-6924-EE BNC-liittimen (kuva 5, vasemmalla) käyttölämpötila-alue on –40…+85 °C. Sen ominaisimpedanssi 50 Ω on yhteensopiva RG-58-kaapelin kanssa. Sen SAS-arvo on 1,30:1 (vastaa –18 dB:n heijastusvaimennusta) ja taajuusalue DC–6 GHz.

AD-BNCJBNCJ-EE-vastakappale (kuva 5, oikealla) on jakista–jakkiin-seinäsovitin. Se on myös 50 Ω:n liitin enimmäistaajuudella 12 GHz. Sen SAS on 1,30:1 (vastaa –18 dB:n heijastusvaimennusta) taajuusalueella DC–4 GHz ja alle 1,45:1 (vastaa –15 dB:n heijastusvaimennusta) välillä 4–12 GHz. Sen käyttölämpötila-alue on −40…+85 °C.

Kuva 5: Ääriolosuhteisiin soveltuvissa BNC-liitinkomponenteissa käytetään pikaliitäntöjä. (Kuvan lähde: Amphenol RF)

Yhteenveto

Langattomia laitteita suunniteltaessa suunnittelijoiden on otettava huomioon käyttösovelluksen fyysiset ja sähköiset vaatimukset tuotteen toimivuuden ja pitkäikäisyyden varmistamiseksi. Langattomissa järjestelmissä käytettävien RF-koaksiaaliliitinten ensisijainen tehtävä on säilyttää signaalin eheys ympäristön olosuhteista riippumatta. Tätä varten on tärkeää valita luotettavat liittimet ja sovittimet, jotka kestävät tärinää, ovat neste- ja pölytiiviitä ja kestävät korroosiota. Amphenol RF:n ääriolosuhteita varten suunnitellut liittimet sopivat ihanteellisesti vaikeissa ympäristöissä käytettäviksi tarkoitettuihin laitteisiin.