Guía del ingeniero para la selección y el uso de ensamblajes de cables de RF

Los arneses de cables de RF se utilizan en un amplio rango de aplicaciones, desde dominios bien establecidos como el aeroespacial y las comunicaciones, hasta casos de uso más recientes como la automoción, la industria y el Internet de las cosas (IoT). Esta creciente lista de aplicaciones ha impulsado el desarrollo de nuevos tipos de arneses de cables de RF, que ofrecen a los ingenieros nuevas oportunidades de optimizar sus diseños de sistemas de RF.

Sin embargo, todo este crecimiento está complicando el proceso de diseño. Con tantos ensamblajes en el mercado, es difícil identificar la mejor opción para una aplicación concreta. Además, el uso del cableado de RF en nuevas aplicaciones está poniendo la tecnología desconocida al alcance de más diseñadores, instaladores y técnicos de mantenimiento. Además de las consideraciones espaciales y medioambientales, estos grupos deben familiarizarse con la compatibilidad de frecuencias, la adaptación de impedancias, la relación de ondas estacionarias de voltaje (VSWR), el acoplamiento magnético y el apantallamiento.

Para garantizar el rendimiento y la fiabilidad de los sistemas de radiofrecuencia, los ingenieros necesitan un enfoque atento y una hoja de ruta clara de las opciones y los posibles escollos que les esperan.

Comenzando con una breve descripción de las aplicaciones de RF, incluidas sus características eléctricas, construcción física y casos de uso típicos, este artículo sirve de guía para la compleja tarea de elegir, instalar y mantener arneses de cables de RF. Se presentan ejemplos de Molex para ilustrar los criterios clave de selección y uso.

Expansión de los usos de los arneses de cables de RF

Las tecnologías de TI abarcan multitud de sectores, cada uno con sus propios retos. Las frecuencias oscilan entre cientos de hertzios (Hz) y decenas de gigahertzios (GHz). Algunas aplicaciones requieren resistencia. Otros tienen huellas físicas muy reducidas. Para ilustrar la diversidad de casos de uso, considere estas aplicaciones comunes:

• Aeroespacial y defensa: Sistemas de radar, canales de comunicación y GPS
• Automoción y transporte: Sistemas de infoentretenimiento, navegación y redes de comunicación para vehículos.
• Telecomunicaciones y radiodifusión: Señales de vídeo 8K a través de redes Wi-Fi, LTE y 5G.
• Industrial: Sensores IoT, líneas de ensamblaje automatizadas y telemetría.
• Uso médico: Sistemas de monitorización remota de pacientes, maquinaria avanzada de diagnóstico y unidades de cirugía robótica.
• TEST y medición: Mediciones en banco, pruebas sobre el terreno y garantía de calidad en las instalaciones de fabricación.

Debido al creciente uso de la RF, cada vez son más los ingenieros y diseñadores que se dedican a los circuitos de alta frecuencia, muchos de ellos sin conocimientos previos de esta tecnología. Enfrentados a plazos y presupuestos ajustados, necesitan soluciones que simplifiquen sus tareas al tiempo que garantizan el funcionamiento fiable de sus sistemas.

Aquí es donde entran en juego los arneses de cables de RF. Estos conjuntos están formados por conectores y cables preensamblados que cumplen los requisitos de rendimiento especificados al tiempo que reducen el esfuerzo de ingeniería. El uso de arneses de cables de RF prefabricados puede ahorrar tiempo y costes durante el diseño y la creación de prototipos, además de mejorar la calidad y la eficacia de la producción.

Compatibilidad de frecuencias, adaptación de impedancias y VSWR

Para elegir el ensamble de cables adecuado, hay que tener en cuenta varios factores. En primer lugar, el ensamble debe ser capaz de adaptarse a la gama de frecuencias de la señal de radiofrecuencia. Pueden variar desde unos pocos cientos de Hertz hasta la banda de superalta frecuencia (SHF) de 3 a 30 GHz o superior (Figura 1).

Figura 1: Los arneses de cables de RF se presentan en una amplia variedad de diseños, que pueden clasificarse por el tamaño del conector y su frecuencia máxima soportada, entre otros factores. (Fuente de la imagen: Molex)

Para lograr el rendimiento deseado, un conjunto de cables debe manejar la gama de frecuencias adecuada sin pérdidas de señal o distorsiones significativas. Por ejemplo, la Sociedad de Ingenieros de Cine y Televisión (SMPTE) establece estrictos requisitos de calidad de señal en sus directrices 2082-1, que limitan la pérdida a 40 decibelios (dB) a la mitad de la frecuencia de reloj.

Una forma de satisfacer estas demandas es con los mini arneses de cables RF BNC de Molex, que ofrecen un alto rendimiento de pérdida de retorno a frecuencias de hasta 12 GHz. Este rendimiento supera los requisitos para la transmisión en serie de vídeo de TV de alta definición (HDTV) 8K, lo que permite ampliar el ancho de banda en el futuro sin cambios en el hardware.

La adaptación de impedancias es otro parámetro clave. Las señales de RF son susceptibles de sufrir interferencias por ondas incidentes y reflejadas causadas por un desajuste de impedancias a lo largo de la línea de señal. Para minimizar la pérdida de señal, el conjunto de cables debe tener la misma impedancia que la carga conectada, normalmente 50 ó 75 ohmios (Ω). Es una buena práctica diseñar los conectores y cables juntos para conseguir la mejor combinación.

Un ejemplo real de esta práctica es el ensamble 0897629290 que empareja conectores Molex BNC con un cable Belden 4794R para aplicaciones de alta gama de 75 Ω.

Para aplicaciones especialmente exigentes, como las pruebas y mediciones, puede ser necesario considerar cuidadosamente parámetros adicionales como la VSWR y la pérdida de inserción. VSWR es la relación entre una señal incidente y la señal reflejada que proporciona una medida de la eficacia con la que las señales de RF se transportan de la fuente a la carga. La pérdida de inserción es la cantidad de energía que pierde una señal al viajar por un conector y un cable. La figura 2 ilustra algunos ejemplos de cada uno de ellos.

Figura 2: Se muestran ejemplos de VSWR y cifras de pérdida de inserción para cables de microondas eficientes y de bajas pérdidas. (Fuente de la imagen: Molex)

Blindaje, acoplamiento magnético y otras consideraciones

El blindaje es otra consideración importante. Cualquier cable que transporte señales de RF puede actuar como una antena y emitir o recibir señales, creando interferencias. Para minimizar estas interferencias, los cables deben estar apantallados por un receptáculo metálico con toma de tierra (figura 3).

Figura 3: Se muestra un cable apantallado típico. Empezando por el interior del cable están el núcleo conductor, un material dieléctrico que separa el núcleo de la pantalla, una pantalla metálica tejida y la cubierta del cable. (Fuente de la imagen: Molex)

La elección del material de apantallamiento depende de una serie de factores, como los requisitos de rendimiento, las condiciones ambientales y las limitaciones presupuestarias. Por ejemplo, el cobre es muy eficaz en la mayoría de las frecuencias, pero también relativamente pesado y costoso, mientras que el aluminio es ligero y barato, pero menos eficaz y más propenso a la corrosión.

También hay que tener en cuenta la forma del blindaje. Los trenzados metálicos como los del ensamble 0897616761 MCX con cables RG-136 ofrecen una excelente resistencia mecánica y protección física. Por el contrario, los escudos de papel de aluminio suelen laminarse con una película de poliéster o polipropileno para obtener una alternativa ligera, económica y flexible. Existen otros tipos, como las espirales, las cintas y las combinaciones, que varían en términos de porcentaje de cobertura de frecuencia, flexibilidad, vida útil, resistencia mecánica, costo y facilidad de terminación.

También puede haber requisitos de aplicación específicos que deban tenerse en cuenta. Por ejemplo, las aplicaciones médicas suelen incluir sensores que pueden verse afectados por campos magnéticos. En este caso, una solución como el conjunto de cables MMCX de 0897616791 es una opción viable, ya que estos conjuntos están disponibles en versiones de acoplamiento no magnético para una mejor compatibilidad de diseño.

Limitaciones de espacio, riesgos medioambientales y mantenimiento

A la hora de considerar los parámetros físicos, las limitaciones de espacio y trazado suelen ser los principales obstáculos. Considere las aplicaciones de defensa, que son notoriamente estrechas. En este caso, resulta práctica una solución como el conjunto de cables SSMCX de 0897611760. Los conectores SSMCX son algunos de los más pequeños del mercado y están disponibles con orientación vertical y en ángulo recto para adaptarse a las limitaciones de espacio y enrutamiento.

Los diseñadores también deben tener en cuenta el radio de curvatura mínimo al seleccionar un ensamble. Debido a su compleja construcción, los cables de RF suelen ser bastante rígidos. Para situaciones que requieren giros cerrados, busque soluciones como los conjuntos flexibles de microondas de Molex (Figura 4). Estos cables están diseñados específicamente para un radio de curvatura estático menor.

Figura 4: Muestra de cables de RF con un pequeño radio de curvatura estático. (Fuente de la imagen: Molex)

Las temperaturas extremas también pueden ser un problema, sobre todo en aplicaciones exteriores como las del sector de las telecomunicaciones. Para estas aplicaciones, las cubiertas termoplásticas habituales en los arneses de cables de RF no son adecuadas. En su lugar, se necesitan materiales más duraderos. Por ejemplo, los conjuntos de microondas flexibles mencionados anteriormente utilizan el material de etileno propileno fluorado (FEP) Temp-Flex para la cubierta, que es un material resistente similar al teflón.

Las vibraciones y los choques pueden comprometer un diseño, sobre todo en aplicaciones como la aviación. Para garantizar un funcionamiento fiable, los arneses de cables de RF utilizados deben tener conexiones extraordinariamente seguras. Un buen ejemplo es el conjunto de cables 0732306110 de Molex, que utiliza el mecanismo de bloqueo de conectores MHF patentado por la empresa (Figura 5).

Figura 5: El sistema de conectores MHF de Molex utiliza un mecanismo de bloqueo patentado para garantizar una conexión segura. (Fuente de la imagen: Molex)

El mantenimiento debe considerarse parte del proceso de diseño. Es importante tener en cuenta el tiempo medio entre fallas (Tiempo medio entre fallas) de los arneses de cables y estudiar cómo organizar un diseño que facilite el mantenimiento y la reparación con un acceso razonable a los subconjuntos y conexiones que puedan necesitar más cuidados.

Los diseñadores también deberían considerar la posibilidad de crear programas de inspección para el mantenimiento normal y listas de comprobación de usuario para detectar señales de que un conjunto de cables podría necesitar reparación o sustitución, a fin de gestionar proactivamente las complicaciones. Entre los pasos de mantenimiento más comunes se incluyen la comprobación del desgaste de los ensamblajes, así como la limpieza de cables y conectores para eliminar los contaminantes que podrían penetrar en las conexiones y degradar el rendimiento.

Por último, es importante evaluar al fabricante del ensamble de cables. Los criterios incluyen certificaciones apropiadas, experiencia en la producción de los ensamblajes pertinentes, suficientes opciones de productos para apoyar la flexibilidad del diseño y procesos de garantía de calidad para evitar problemas de rendimiento. Por ejemplo, Molex ha sido uno de los principales desarrolladores de tecnologías de cables y conectores, con una innovación respaldada por más de 8100 patentes y una sólida reputación de calidad y asistencia técnica, incluida una herramienta de creación de cables a medida.

Conclusión:

Seleccionar el ensamble de cables de RF adecuado es todo un reto, ya que requiere conocer y considerar cuidadosamente factores como la compatibilidad de frecuencias, el apantallamiento, las condiciones ambientales, las limitaciones de espacio y el mantenimiento. Como se ha demostrado, colaborar con un fabricante experimentado que aporte experiencia, garantía de calidad e innovación puede ser la clave para superar estos retos, sobre todo para los ingenieros y diseñadores que se inician en la RF. Un socio de este tipo puede guiar el proceso de selección, instalación y mantenimiento de estos cables para garantizar que los dispositivos y sistemas funcionen de forma fiable al máximo rendimiento.