Optimización de diseños de RF para su funcionamiento en entornos extremos

En un mundo cada vez más dependiente de la conectividad inalámbrica, los diseñadores de sistemas para aplicaciones como GPS marino, IoT industrial, agricultura inteligente y vehículos aéreos no tripulados necesitan componentes de RF que puedan funcionar de forma fiable en condiciones ambientales extremas. Sus retos incluyen vibraciones, polvo, alta humedad, exposición al agua u otros fluidos y niebla salina. Aunque el sistema debe estar diseñado para soportar estas duras condiciones, una preocupación clave es la interconexión de RF, donde una conexión coaxial transmite señales de RF entre dispositivos o entre un dispositivo y una antena. Los diseñadores tienen que estar seguros de que los conectores y cables que utilizan se adaptan bien a la tarea y, al mismo tiempo, cumplen los requisitos cada vez mayores de rendimiento y densidad de conexiones.

Este artículo analiza brevemente el reto de diseñar para entornos extremos antes de presentar los adaptadores de RF, conectores y arneses de cables de Amphenol RF. Muestra cómo estos componentes pueden ayudar a proteger contra la humedad, el polvo, las vibraciones y la corrosión, sellando los gabinetes y ofreciendo al mismo tiempo un rendimiento superior de RF en cuerpos de conectores compactos aptos para embalajes de alta densidad.

Entornos extremos

Desde la planta de producción hasta las plataformas petrolíferas, el Internet de las cosas industrial (IIoT) es un ejemplo de aplicación que utiliza dispositivos de radiofrecuencia en un entorno que puede incluir alta humedad, vapor, líquidos pulverizados o salpicados, polvo o productos químicos corrosivos como el agua salada (Figura 1).

Figura 1: Diagrama conceptual de un sistema IIoT con sensores remotos inalámbricos y cableados que se comunican con una puerta de enlace de borde; se utilizan conectores de RF en todo el sistema. (Fuente de la imagen: Art Pini)

IIoT utiliza sensores inteligentes, actuadores, robots y dispositivos similares para mejorar los procesos de fabricación. Estos dispositivos están conectados en red y permiten recopilar, intercambiar, analizar y controlar datos. Compartir datos de múltiples máquinas y sistemas ayuda a que los procesos industriales sean más eficientes y fiables.

Si se diseñan dispositivos de este tipo, hay que tener en cuenta el entorno. Los entornos extremos exigen que el dispositivo esté sellado, y cualquier puerto debe ser resistente a la corrosión y a prueba de fugas. Los gabinetes/recintos metálicos requieren antenas externas. También se necesitan conectores para sensores externos al dispositivo e interconexiones de señales con otros dispositivos. Los conectores coaxiales para antenas o cables de señal deben sellarse utilizando sus receptáculos y juntas para cumplir estos requisitos de tolerancia a la exposición. La norma industrial IEC 60529 utiliza clasificaciones de protección de ingreso (IP) para definir el grado de protección que proporciona cualquier conector. La clasificación IP consta de las letras IP seguidas de un número de dos cifras. La primera cifra indica el grado de protección contra la entrada de polvo y partículas sólidas. La segunda cifra indica el grado de protección contra la penetración de agua. Las definiciones del grado de protección IP varían desde la ausencia de protección hasta la protección total, indicando los números más altos una mayor protección (Figura 2).

Figura 2: Grados de protección contra la entrada de polvo y agua según IEC 60529. (Fuente de la imagen: Amphenol RF)

Los conectores aptos para una exposición ambiental extrema deben tener un grado de protección IP de 67 o 68. La clasificación IP67 indica un sellado hermético al polvo y protección contra el agua, incluida la inmersión total durante 30 minutos a una profundidad de hasta 1 metro.

Conectores coaxiales con clasificación IP67

Amphenol RF ofrece una amplia variedad de conectores coaxiales SMA, BNC y TNC con clasificación IP estancos al polvo y al agua. El modelo 901-10746-EE es un ejemplo de jack SMA para cable RG-58 destinado a montaje en mamparo, y está clasificado IP67 (Figura 3).

Figura 3: El jack RF 901-10746-EE está clasificado como IP67, lo que significa que es impermeable, estanco al polvo y resistente a la corrosión por agua salada. (Fuente de la imagen: Amphenol RF)

Las características eléctricas de este conector hembra SMA incluyen una impedancia nominal de 50 ohmios (Ω) para cable coaxial RG-58. Opera en una gama de frecuencias de CC a 6 gigahercios (GHz) con una relación de ondas estacionarias de voltaje (VSWR) máxima de 1.30:1, lo que equivale a una pérdida de retorno de -18 decibelios (dB), y tiene una capacidad de ruptura dieléctrica de 1000 voltios RMS (Vrms). Su rango de temperatura de funcionamiento es de -65 °C a +165 °C. El proceso de ensamble comienza con la soldadura del conductor central al pin/clavija del conector. El pin y el cable se introducen en el conector con la trenza sobre el moleteado. A continuación, se engarza el casquillo sobre la trenza. La junta tórica sella el cuerpo del conector al panel de montaje.

El cuerpo del conector es de latón, el casquillo es de cobre y ambos tienen un chapado de aleación de estaño y níquel resistente a la corrosión. El revestimiento cumple la norma MIL-STD-202 método 101 de niebla salina para una solución salina al 5% repetida durante 720 horas. Tras la exposición a la niebla salina, se verifica la integridad del chapado y se vuelven a comprobar las prestaciones de RF del conector, incluidas la resistencia de contacto y la pérdida de retorno.

El contacto del conductor central es de berilio-cobre chapado en oro y está insertado en un dieléctrico de teflón. Cumple los requisitos IP67 en estado no acoplado cuando se ensambla con el cable y el casquillo.

El conector se monta en un panel con herrajes de acero inoxidable y se sella con una junta de caucho de silicona para garantizar su integridad física y la conformidad con IP67.

La clavija de conexión SMA es la 901-9876-RFX-EE de Amphenol RF. Esta clavija de conexión SMA en línea, montada sobre cable, tiene la misma composición de materiales y el mismo chapado que el jack de mamparo y funciona en el mismo rango de temperaturas. Se acopla al jack mediante un casquillo roscado sobre el cuerpo roscado del jack. Al igual que la 901-10746-EE, la clavija tiene una clasificación IP67 y está diseñada para funcionar con cables RG-58. Su gama de frecuencias de funcionamiento va de CC a 12.4 GHz.

Estos conectores RF para entornos extremos también están disponibles en los tipos BNC y TNC. Un conector TNC es una versión roscada de un conector BNC. Los conectores roscados, cuando se aprietan a su par de torsión especificado, son resistentes a las vibraciones. El 031-6501-EE (Figura 4, izquierda) es una clavija de ángulo recto TNC que utiliza los mismos materiales y cumple las mismas normas IP67 y de resistencia a la corrosión que los conectores SMA. Su temperatura de funcionamiento oscila entre -40 °C y 85 °C. Eléctricamente, tiene una impedancia característica de 50 Ω y un rango de frecuencias de funcionamiento de hasta 6 GHz. Los conectores en ángulo recto eliminan la necesidad de doblar el cable, lo que minimiza la posibilidad de dañar el cable coaxial, al tiempo que ahorra espacio en los pequeños gabinetes utilizados en IIoT y sistemas similares. El 031-6501-EE puede combinarse con un adaptador de mamparo, como el AD-TNCJTNCJ-EE (Figura 4, derecha).

Figura 4: La clavija TNC en ángulo recto 031-6501-EE y el adaptador de mamparo TNC AD-TNCJTNCJ-EE permiten realizar giros cerrados sin doblar los cables y ahorrar espacio en gabinetes IIoT compactos. (Fuente de la imagen: Amphenol RF)

El AD-TNCJTNCJ-EE tiene la clasificación IP68, es resistente a la corrosión y tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -65 °C a +165 °C. Su impedancia característica es de 50 Ω y funciona hasta 18 GHz. Su VSWR es de 1.2:1 (equivalente a una pérdida de retorno de -21 dB) para frecuencias entre 0 y 11 GHz, y de 1.3:1 (equivalente a una pérdida de retorno de -18 dB) para frecuencias entre 11 y 18 GHz. Los adaptadores de mamparo permiten desconectar los cables de un panel o puerta de montaje para poder retirarlos fácilmente para su mantenimiento.

Los conectores BNC son como las unidades TNC y difieren principalmente en el mecanismo de bloqueo. Un BNC es un conector de conexión/desconexión rápida que utiliza dos terminales de bayoneta en el lado del jack que encajan en las ranuras del ensamblaje del jack, uniéndolos con un giro de un cuarto de vuelta. También ofrecen protección contra la penetración IP67 y resistencia a la corrosión por niebla salina.

La clavija de conexión BNC 031-6924-EE (Figura 5, izquierda) tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +85 °C. Su impedancia característica de 50 Ω es compatible con el cable RG-58. Tiene una relación VSWR de 1.30:1 (equivalente a una pérdida de retorno de -18 dB) y una gama de frecuencias de CC a 6 GHz.

El receptáculo de acoplamiento AD-BNCJBNCJ-EE (Figura 5, derecha) es un adaptador de jack a jack pasante que también es un conector de 50 Ω con una frecuencia máxima de 12 GHz. Su VSWR es de 1.30:1 (equivalente a una pérdida de retorno de -18 dB) de CC a 4 GHz, e inferior a 1.45:1 (equivalente a una pérdida de retorno de -15 dB) de 4 a 12 GHz. Su rango de temperatura de funcionamiento es de -40°C a +85°C.

Figura 5: Los componentes del conector de exposición extrema BNC se utilizan para una conexión/desconexión rápida. (Fuente de la imagen: Amphenol RF)

Conclusión:

Al diseñar dispositivos inalámbricos, los diseñadores deben tener en cuenta los requisitos físicos y eléctricos de la aplicación para garantizar la funcionalidad y longevidad del producto. Los conectores coaxiales de RF utilizados en los sistemas inalámbricos tienen la tarea principal de mantener la integridad de la señal independientemente del entorno circundante. Para ello, es esencial seleccionar conectores y adaptadores de alta fiabilidad que resistan las vibraciones, la intrusión de líquidos, el polvo y la corrosión. Los conectores de Amphenol RF de exposición extrema son ideales para diseños destinados a funcionar en entornos severos.