Cómo seleccionar, usar y mantener conectores coaxiales para aplicaciones de RF

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los circuitos de radiofrecuencia (RF) se están proliferando tanto en las comunicaciones por cable como en las inalámbricas, incluyendo Wi-Fi y varias tecnologías inalámbricas que se utilizan para la Internet de las cosas (IoT). Estas señales de alta frecuencia deben distribuirse entre sistemas, componentes de circuitos y submontajes con pérdida mínima o radiación de señal falsa.

Si bien este es la función tradicional de los cables y conectores coaxiales de RF, los diseñadores con presión de tiempo, costo y confiabilidad deben asegurarse de la rápida selección de un conector de RF óptimo y de su correcta aplicación para obtener el máximo rendimiento y una mayor vida útil.

Este artículo verá los conectores de RF desde la perspectiva de parámetros esenciales como el tamaño, el rango de frecuencia, la pérdida y la durabilidad para ayudar a los diseñadores a adaptar su conector a su aplicación de RF. Además, presentará soluciones adecuadas con información útil sobre cómo aplicarlas y mantenerlas.

Conectores coaxiales de RF

Los conectores y cables coaxiales de RF proporcionan radioenlaces clave en las comunicaciones, transmisión y dispositivos inalámbricos, así como en el uso de pruebas y mediciones. Proporcionan trayectos de baja pérdida entre sistemas de RF, componentes, submontajes y dispositivos que utilizan cable coaxial o líneas de transmisión stripline. La estructura coaxial básica consiste en un conductor central rodeado de una capa dieléctrica aislante concéntrica. A su vez, está encerrado por una carcasa conductora cilíndrica. Las dimensiones de los elementos del cable se controlan con precisión para proporcionar una dimensión y una separación constantes del conductor, que son necesarios para que funcione de manera eficiente como una línea de transmisión. Los conectores de RF proporcionan conexiones para unir cables coaxiales y líneas de transmisión stripline a otros componentes o submontajes. Extienden la estructura coaxial al agregar conductores interconectados junto con un mecanismo de bloqueo, mientras se mantiene una impedancia eléctrica constante. En la Figura 1, se muestra un par de acoplamiento de elementos conectores de subminiatura tipo A (SMA) de Amphenol RF.

Imagen del par de conectores Amphenol RF SMA

Figura 1: El par de conectores SMA es un ejemplo de un conector coaxial y la imagen muestra el conductor interno de acoplamiento, la capa dieléctrica y el conductor externo de bloqueo. (Fuente de la imagen: Amphenol RF)

La imagen de la izquierda es la mitad del macho o clavija de conexión. La imagen de la derecha muestra la mitad hembra, del jack o del receptáculo del par de conectores. En general, la clavija de conexión tendrá un conductor central sobresaliente y roscas internas de bloqueo en el conductor externo. El receptáculo tiene un conductor interno empotrado y roscas de bloqueo externas. Cabe señalar que algunos tipos de conectores de “polaridad inversa” tendrán roscas de bloqueo invertidos, con roscas externas en el componente macho y roscas internas en el componente hembra. Otros mecanismos de bloqueo pueden incluir cierre de giro, conexión de bayoneta o anillos de botón de cerrado automático.

La mayoría de los conectores coaxiales, como este par de conectores SMA, están “sexados” y tienen diferentes estructuras en cada mitad. Hay algunos conectores que tienen estructuras idénticas en cada lado de la unión. Estos son en su mayoría conectores de alta precisión destinados a aplicaciones de laboratorio.

Tipos de conectores coaxiales

Si bien existe una gran cantidad de conectores de RF, se diferencian por una serie de parámetros clave. Estas especificaciones incluyen tamaño físico, impedancia, ROE, tipo de acoplamiento y ancho de banda o rango de frecuencia (Tabla 1).

Tabla 1

Tabla 1: Tabla de resumen de las especificaciones de conectores coaxiales de uso común. (Origen de datos: Digi-Key Electronics)

Ancho de banda del conector

La especificación clave para un conector coaxial es su ancho de banda. Este describe la frecuencia más alta a la que se puede utilizar. La frecuencia máxima utilizable de un conector es una función del diámetro de la carcasa externa y del material utilizado como dieléctrico. Cuanto menor sea el diámetro de la carcasa, mayor será la frecuencia máxima utilizable. Del mismo modo, el uso del aire como dieléctrico ofrece un rendimiento de mayor frecuencia en relación con otros dieléctricos. Como resultado, los conectores de mayor ancho de banda utilizan el aire como dieléctrico.

Impedancia del conector

Para garantizar la máxima transferencia de potencia y reducir la pérdida de potencia debido a los reflejos, la impedancia característica del conector debe coincidir con la fuente y la carga. La mayoría de los conectores para aplicaciones generales de RF están diseñados para presentar una impedancia de 50 W; mientras que los conectores de 75 W están disponibles para aplicaciones relacionadas con video.

VSWR

La relación de onda estacionaria (VSWR) de voltaje es una medida de la impedancia efectiva del conector acoplado. Cuanto más alto sea VSWR, se refleja más potencia desde el conector debido a desajustes de impedancia. Tenga en cuenta que VSWR es una función de la frecuencia y que los valores de VSWR del conector solo deben compararse con la misma frecuencia.

Mecanismo de acoplamiento

La columna de acoplamiento enumera el tipo de mecanismo de bloqueo mecánico empleado. Esto es de suma importante en aplicaciones donde el conector debe estar sujeto a vibraciones. Normalmente, el acoplamiento es una compensación entre la facilidad de conexión y el bloqueo seguro. El par de conectores SMA que se muestra en la Figura 1 es un ejemplo de un acoplamiento roscado. En la Figura 2, se ilustran ejemplos de la bayoneta y el acoplamiento a presión, utilizando el tipo de conector BNC y SMP, respectivamente.

Imagen de bayoneta y acoplamientos a presión

Figura 2: Ejemplos de bayoneta y acoplamientos a presión El método de acoplamiento es importante en aplicaciones donde se espera vibración y, a menudo, es una compensación entre la facilidad de uso y el bloqueo seguro. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Tamaño y durabilidad del conector.

Dada la tendencia hacia la miniaturización, el tamaño cumple una función importante en la selección de un conector. La Tabla 2 muestra nuevamente las clases de tamaño de los conectores listados. Existe una compensación entre el tamaño y la vida útil del conector. Los conectores más pequeños tienden disponer de menos ciclos de acoplamiento disponibles de conexión/desconexión. Si es posible que el conector N más grande tenga una duración de más de 500 ciclos de acoplamiento, la durabilidad del conector U.FL en miniatura se limita a 30 ciclos de acoplamiento. La vida útil de cada conector varía según el fabricante, y se debe consultar sus especificaciones si la vida útil es un parámetro importante.

Los conectores coaxiales utilizados en aplicaciones como instrumentos de prueba y medición, donde son típicos muchos ciclos de acoplamiento, generalmente están protegidos por el uso de “protectores de conectores”. Estos adaptadores de fácil reemplazo se acoplan con los conectores del instrumento y presentan un cuerpo de conector desechable para múltiples usos.

Clase de conector y especificaciones de la industria

Los conectores se categorizan en clases diferentes. En la Tabla 2, los conectores de precisión, como los conectores de 1 mm a 2.92 mm y N, se clasifican según el IEEE-STD-287. Estos conectores tienen tolerancias dimensionales más precisas dictadas por su variedad de aplicaciones de ancho de banda. Los conectores más comunes se clasifican según MIL-STD-348 o según uno de los estándares europeos como CECC 22220. Las tolerancias en estos conectores son más flexibles, por lo que existe la oportunidad de ahorrar costos.

Compatibilidad de acoplamiento

La clase de conectores se relaciona con la capacidad de acoplar conectores de varias familias. La Tabla 2 enumera una serie de posibles acoplamientos de conectores intercambiables. Los conectores de 1.85 mm y 2.4 mm son intercambiables, al igual que los conectores de 2.92 mm y 3.5 mm. Los cuerpos de conector macho de 2.92 mm y 3.5 mm pueden acoplarse con conectores hembra SMA, con una reducción en el ancho de banda total. Debido a la diferencia en su clase de tolerancia, no es una buena práctica intentar acoplar un SMA macho con un conector hembra de 2.92 mm o 3.5 mm. Las tolerancias mecánicas más amplias del SMA pueden dañar las clavijas del receptáculo de los conectores de precisión.

Potencia de salida de conector

Los fabricantes no califican la disipación de potencia de sus conectores porque dicha especificación depende mucho de la aplicación. Esta varía según la frecuencia, el sistema VSWR, la temperatura, la altitud y las impedancias de carga. En general, el manejo de la potencia varía directamente con el tamaño del conector y la capacidad de disipación de calor. La disipación máxima de potencia disminuye con el aumento de la frecuencia.

El conector con la mejor capacidad de manejo de potencia es el conector N, que puede manejar 300 y 400 vatios (W). Los conectores BNC y SMA seguirían en orden. Los conectores de precisión están limitados a 10s de vatios. Si se requiere una operación de alta potencia nuevamente, es importante ponerse en contacto con el fabricante para obtener especificaciones de disipación de potencia más precisas.

Uso de conector

Antes de usar un conector, es importante inspeccionarlo para detectar daños como partículas metálicas, conductores centrales doblados o carcasas externas aplastadas o deformadas (Figura 3). Cualquier daño debe repararse; de lo contrario, el conector dañado debe reemplazarse. Los conectores deben estar limpios sin suciedad acumulada u otros contaminantes. Los cuerpos de los conectores deben acoplarse sin problemas, sin atascarse ni interferir. No fuerce el acoplamiento del conector; si ocurre un problema, vuelva a inspeccionar el conector para determinar la fuente.

Al acoplar un conector roscado, gire solo la carcasa exterior y no el cuerpo o cable del conector. Al girar el cuerpo del conector, puede dañar los conductores centrales. Una vez que la férula externa se ajuste a mano, use un par de torsión calibrado para alcanzar el par de bloqueo especificado según las instrucciones del fabricante.

Imagen del conector SMA con suciedad y limaduras de metal, y después de la limpieza.

Figura 3: (izquierda) Un ejemplo de un conector SMA con suciedad y limaduras de metal acumuladas en el dieléctrico, (derecha) el mismo conector después de haber sido limpiado con un algodón y alcohol isopropílico. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Mantenimiento del conector

Los conectores deben mantenerse limpios. La mejor manera de asegurar esto es utilizar tapas protectoras en los conectores cuando no están en uso. Si un conector está contaminado con suciedad, debe limpiarse. Los conectores con dieléctricos sólidos pueden limpiarse con un algodón sin pelusa humedecido en alcohol isopropílico. Tenga cuidado para evitar doblar las clavijas del conductor central. También es una buena práctica limpiar las roscas, tanto internos como externos en los conectores roscados. No utilice un hisopo en los conectores que utilizan dieléctrico de aire, ya que las bolitas dieléctricas que sostienen los elementos en su lugar pueden dañarse con solventes. Se pueden limpiar con aire comprimido seco.

Selección de conectores coaxiales

La selección de un conector coaxial comienza con el ancho de banda que se requiere para manejar las señales que se están utilizando, seguido de las consideraciones de tamaño y configuración mecánica (clavija de conexión, receptáculo, soldadura, montaje en panel, etc.). Por ejemplo, considere el conector de salida para un generador de señal de 1 GHz. Dado que se trata de una fuente de señal de prueba y medición, el conector BNC es una opción común. El ancho de banda del BNC es superior a 1 GHz y está disponible como un receptáculo montado en panel. El receptáculo BNC de Amphenol RF, modelo 31-221-RFX, es una buena opción.

Al seleccionar un conector para una señal de frecuencia superior a 10 GHz, considere un conector SMA como el Amphenol SV Microwave SF2950-6062, o un conector de precisión de 2.92 mm como el Amphenol SV Microwave SF1521-60013. Esta elección podría estar regulada por la compensación entre el ancho de banda y el costo. El conector de 2.9 mm tiene más del doble del ancho de banda del SMA, pero esa ventaja de ancho de banda tiene un costo casi tres veces mayor.

Si el tamaño es la especificación que rige, tenga en cuenta la durabilidad del conector. Por ejemplo, un jack Molex LLC modelo MMCX modelo 0734152063 tiene una clasificación de 500 ciclos de acoplamiento. El U.FL-R-SMT(10) de Hirose Electric Co.es más pequeño, pero solo puede sostener 30 ciclos de acoplamiento. También puede haber un costo diferencial significativo.

Conclusión

Este artículo ha revisado la gama de conectores coaxiales de RF que resumen sus atributos principales. Representa un buen punto de partida para los diseñadores al momento de seleccionar un conector adecuado para su diseño. Como se muestra, una revisión cuidadosa de los requisitos de ingeniería es importante al seleccionar un conector coaxial de RF aparentemente simple. Se recomienda consultar las hojas de datos del proveedor para revisar información más detallada.

 

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Información sobre el autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

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