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Comprensión y elección de conectores coaxiales y conjuntos de cables en la gama de GHz

Por Bill Schweber

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los conectores de radiofrecuencia (RF) y sus conjuntos de cables coaxiales completados proporcionan vías de señal esenciales entre las placas de circuitos, los subconjuntos y los chasis. Un conector adecuado proporcionará al menos el rendimiento eléctrico y la resistencia mecánica mínimos requeridos. Sin embargo, las familias de conectores de RF que han servido durante muchos años, incluido el conector BNC con cierre de bayoneta, ya no son adecuadas debido a su volumen físico y sus límites de rendimiento.

Para hacer frente a los numerosos retos de los diseños actuales, los ingenieros pueden elegir entre muchos tipos específicos disponibles en varias familias principales, cada una de las cuales ofrece alguna combinación de mayor ancho de banda, menos volumen y el uso de cables coaxiales más finos. Estos conectores están disponibles en una amplia variedad de estilos de terminación de placas de circuito impreso, así como en tipos de terminación de cables para satisfacer las numerosas clases de prioridades de instalación física. Por lo tanto, los diseñadores deben seleccionar primero la familia de conectores adecuada para satisfacer los requisitos de diseño y, a continuación, el estilo dentro de esa familia.

En este artículo se analizan cinco familias de conectores de RF de la gama de los gigahercios (GHz), muy utilizados. También se examinará la cuestión estrechamente relacionada de los conjuntos de cables completos terminados con el conector elegido, utilizando componentes de las distintas familias de Würth Elektronik.

Los fundamentos de los conectores de RF

Es importante aclarar la terminología relacionada con los conectores. Un "conector" es la terminación metálica que puede acoplarse y desacoplarse según sea necesario, mientras que el "cable" es el hilo coaxial formado por un conductor de cobre interior, un dieléctrico espaciado, una pantalla exterior y un aislamiento al que se une el conector. Un "conjunto de cables" es la combinación de un cable con un conector en uno o ambos extremos. Sin embargo, el término "cable" se utiliza a menudo en lugar de "conjunto de cables" en una conversación informal, y el significado real suele estar claro por el contexto. En este artículo utilizaremos estos términos en su sentido estricto.

Aunque los conectores son componentes pasivos y no proporcionan ningún tipo de procesamiento o mejora de la señal, son elementos esenciales en casi cualquier diseño de producto. El conector "ideal" ofrece atributos mecánicos críticos, como un cómodo acoplamiento y desacoplamiento, integridad mecánica y eléctrica, y debe ser eléctricamente invisible, sin resistencia óhmica de CC ni discontinuidades de impedancia de RF. Los retos del diseño, la fabricación y el uso de conectores aumentan con la frecuencia de funcionamiento. A medida que la frecuencia de funcionamiento requerida se extiende en el dominio de la RF, en el rango de los gigahercios (GHz) y por encima de ellos, su construcción mecánica se vuelve necesariamente más precisa, con muchos atributos y parámetros de rendimiento críticos.

Los conectores clásicos, como el BNC (Bayonet Neil-Concelman), que se ofrece en versiones de 50 Ω y 75 Ω (esta última para video y TV), se han utilizado ampliamente desde los años 50 y siguen en uso (Figura 1). Este conector de bloqueo cuenta con una acción de conexión/desconexión rápida de un tercio de vuelta mediante un sistema de "bayoneta". Aunque la respuesta en frecuencia está formalmente clasificada hasta 4 GHz, las pérdidas del conector aumentan hasta niveles a menudo inaceptables a frecuencias más altas. Físicamente, no encaja bien en los actuales diseños compactos y densos debido a su tamaño relativamente grande y al gran radio de curvatura mínimo de un conjunto de cables completo.

La imagen del conector BNC incluye un cierre de cuerpo de bayonetaFigura 1: El conector BNC incluye un cierre de cuerpo de bayoneta y se ha utilizado ampliamente desde su desarrollo a principios de los años 50, pero no es un buen ajuste eléctrico o mecánico para muchas de las aplicaciones actuales de alta frecuencia y con limitaciones de espacio. La clavija macho suele utilizarse con los conjuntos de cables (izquierda); la clavija hembra (derecha), en los paneles de instrumentos. (Fuente de la imagen: Wikipedia; Pinterest)

Nuevas familias para nuevas aplicaciones

Existen muchas familias de conectores estándar de la industria que son más eficaces para aplicaciones de mayor frecuencia y más compactas. Entre las más populares están las familias SMA, SMB, SMP, MMX y MMCX, todas con la impedancia RF estándar de 50 Ω. Cada uno ofrece una combinación diferente de características eléctricas y mecánicas. A diferencia del diámetro de 17 milímetros (mm) del conector BNC, estos conectores tienen un diámetro mucho menor, del orden de 5 mm.

En este artículo se analizará un único miembro conector de cada una de estas familias. Sin embargo, dentro de cada familia hay muchos miembros con especificaciones eléctricas casi idénticas, pero con configuraciones y disposiciones mecánicas muy diferentes. Entre ellas se encuentran las versiones de placa de circuito impreso con un cuerpo en ángulo recto o un cuerpo recto, y con montaje en superficie, agujero pasante o terminación de lanzamiento final; los tipos de mamparo montados en la parte trasera; y las versiones montadas en panel con conexión de copa de soldadura, lengüeta plana o poste redondo. También hay diferentes disposiciones para los conectores de acoplamiento que van en el extremo del cable, como variaciones rectas y en ángulo recto.

Tener tantas opciones dentro de un tipo de conector determinado es bueno para los diseñadores, ya que aumenta la probabilidad de que haya uno disponible en el mercado que tenga un factor de forma específico que se adapte bien al diseño y las limitaciones del producto. Esto significa que apenas habrá que modificar las prioridades del diseño mecánico del producto. Ahora, una mirada más cercana a estas cinco familias:

•SMA: Los conectores coaxiales subminiatura de la serie SMA están diseñados con tecnología de acoplamiento roscado para garantizar una gran estabilidad mecánica frente a vibraciones intensas (Figura 2). El contacto central cautivo del conector y el aislante aumentan la fuerza axial y el par de torsión. El grueso chapado en oro del contacto central contribuye a mejorar el rendimiento eléctrico y a realizar hasta 500 ciclos de acoplamiento.

Imagen de los conectores subminiatura de la serie SMA

Figura 2: Los conectores subminiatura de la serie SMA utilizan un acoplamiento roscado para mejorar la integridad mecánica frente a las vibraciones intensas. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Un buen ejemplo de este tipo de conector es el 60312242114510 de Würth Elektronik, un conector SMA de CC a 10 GHz con toma hembra (Figura 3). Está diseñado para el uso del borde de la tabla y la orientación del lanzamiento final. Este conector para soldar de montaje en panel también viene con una tuerca y una arandela de seguridad en la parte delantera para facilitar la fijación en el mamparo (panel) para una mayor rigidez en el producto final.

Imagen del conector SMA 60312242114510 de CC a 10 GHz de Würth ElektronikFigura 3: El conector SMA 60312242114510 de CC a 10 GHz con toma hembra incluye una tuerca en el lado frontal y la arandela de seguridad asociada para una mayor integridad mecánica cuando se monta a través de un panel o mamparo (todas las dimensiones en milímetros). (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Las especificaciones clave de RF incluyen una relación de ondas estacionarias de tensión (VSWR) inferior a 1.2 y una pérdida de inserción (IL) de menos de 0.14 decibelios (dB) de CC a 12.4 GHz, con las correspondientes cifras de VSWR e IL de 1.4 y 0.2 dB de 12.4 a 18 GHz.

•SMB: Los conectores de la serie SMB están diseñados para el acoplamiento a presión con capacidad de banda ancha desde CC hasta 4 GHz. Son más pequeños que los conectores de la serie SMA y, por tanto, son muy adecuados para la miniaturización de los circuitos. Entre los conectores SMB disponibles se encuentran los receptáculos de placa de circuito impreso para montaje en superficie y a través de orificios, así como los conectores de tarjetas y cables para enchufes y tomas de corriente (Figura 4).

Imagen de los conectores SMB son dispositivos a presión que son más pequeños que los conectores SMAFigura 4: Los conectores SMB son dispositivos a presión más pequeños que los conectores SMA y no tienen rosca; también están disponibles en diversas configuraciones. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Un ejemplo de conector SMB es el 61611002121501, una clavija macho, de ángulo recto, con orificio pasante y conector para soldar, con una VSWR de 1.5 y una pérdida de inserción inferior a 0.2 dB (Figura 5). Al igual que el dispositivo SMA, también está clasificado para 500 ciclos de acoplamiento.

Imagen del conector SMB 61611002121501 de Würth Elektronik que es una unidad de ángulo recto a presiónFigura 5: El conector SMB 61611002121501 es una unidad de ángulo recto a presión diseñada para la fijación de placas con agujeros pasantes y la soldadura, que es más pequeña que la unidad SMA, pero tiene especificaciones comparables. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

•Serie SMP: Estos conectores en miniatura con características de deslizamiento y encaje pueden utilizarse en aplicaciones de hasta 40 GHz. Están disponibles con tres tipos de interfaz: "abolladura" completa con la máxima retención para una alta resistencia a las vibraciones (100 ciclos); abolladura limitada con una retención media a baja (500 ciclos); y agujero liso (1000 ciclos) con la menor retención conseguida mediante contactos deslizantes para sistemas y aplicaciones modulares (Figura 6).

La imagen de los conectores de la serie SMP ofrece una variedad de grados de retenciónFigura 6: Los conectores de la serie SMP ofrecen una variedad de índices de retención, incluyendo la abolladura limitada para una retención media a baja (izquierda) y un índice de 500 ciclos; y el calibre liso (derecha) con la menor retención pero el doble de ciclos. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Uno de los conectores de esta serie es el 60114202122305, un conector de tarjeta de borde de montaje en superficie con una pata de soldadura extendida para placas de circuito impreso con un grosor máximo de 1.2 mm (Figura 7). Está especificado para tener una VSWR de 1.5 y una pérdida de inserción de 0.42 dB de CC a 12 GHz.

Imagen del conector de tarjeta de borde con orificio liso 60114202122305 de Würth ElektronikFigura 7: El 60114202122305 es un conector de tarjeta de borde con agujero liso de la serie SMP que está clasificado para 12 GHz. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

•Serie MCX: Los conectores de la serie MCX (Micro Coaxial) cuentan con un mecanismo de acoplamiento a presión para una conexión rápida y cómoda y están pensados para funcionar de CC a 6 GHz (Figura 8). Estos conectores son compatibles con la norma IEC 61169-36, "Conectores de radiofrecuencia - Parte 36: Conectores de f.r. en microminiatura con acoplamiento a presión - Impedancia característica 50 Ω (Tipo MCX)".

Imagen de la serie de conectores MCX de Würth Elektronik que es una familia de conectores a presión aún más pequeñaFigura 8: La serie de conectores MCX es una familia de conectores a presión aún más pequeña y compatible con la norma IEC 61169-36. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El 60612202111308 es un enchufe de montaje en superficie de la serie MCX, adecuado para placas de hasta 1.6 mm de grosor. Tiene una VSWR de 1.3 y una pérdida de inserción de 0.25 dB en ese rango y está clasificado para 500 ciclos.

Imagen de la serie MCX 60612202111308 de Würth Elektronik de tomas de lanzamiento de borde con montaje en superficieFigura 9: El toma de lanzamiento de borde de montaje superficial de la serie MCX 60612202111308 tiene una pérdida de inserción de sólo 0.25 dB a 6 GHz. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

•Serie MMCX: Estos conectores son aproximadamente un 30% más pequeños en comparación con los conectores MCX y son adecuados para aplicaciones con requisitos de diseño ultra pequeños (Figura 10). Disponen de un mecanismo de acoplamiento a presión para una conexión rápida y sencilla y también cumplen la norma IEC 61169-36.

Imagen de la pequeña serie MMCX de Würth ElektronikFigura 10: Los conectores de la serie MMCX son aproximadamente un 30% más pequeños que los de la serie MCX y presentan un rendimiento RF comparable. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Como ejemplo, el enchufe MMCX 66046011210320 es un conector de pines macho, "colgante" (en línea), crimpado en la familia MMCX (Figura 11). Este conector de 6 GHz funciona con cables coaxiales RG174, RG316 y RG188, y presenta una VSWR de 1.3 y una pérdida de inserción de 0.3 dB.

Imagen del enchufe MMCX 66046011210320 de Würth ElektronikFigura 11: El enchufe MMCX 66046011210320 está diseñado para ser engarzado en un cable como los tipos coaxiales RG174, RG316 y RG188. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Los conectores especiales y los adaptadores completan las familias.

Dada la amplia gama de conectores que se utilizan, es inevitable que se necesiten adaptadores que permitan la interconexión entre una familia y otra. Würth Elektronik ofrece varias series completas de adaptadores que permiten pasar de un tipo y género de conector a otro, como por ejemplo de clavijas y conectores SMA a las otras series de clavijas y conectores (Figura 12).

Imagen de muchos adaptadores de enchufe y clavija SMA disponibles (haga clic para ampliar)Figura 12: Se muestran los numerosos adaptadores de enchufe y clavija SMA disponibles que proporcionan una transición perfecta a los conectores de la familia SMB, MCX y MMCX de varios tipos. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Hay otro tipo de conector especial que puede confundir a los diseñadores al principio: el conector de polaridad inversa (RP). La configuración estándar de los conectores es tener un contacto central macho (clavija) en el enchufe, y el correspondiente hembra (receptáculo) en la clavija. Pero en Estados Unidos, la normativa de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) obliga a invertir la "polaridad" de género en algunos casos singulares.

La situación se remonta a varias décadas atrás, cuando se introdujeron los routers Wi-Fi inalámbricos para uso de los consumidores. Se diseñaron para un alcance limitado utilizando una pequeña antena con un conector en su base que se atornillaba directamente a la conexión de la antena de la unidad Wi-Fi, y por tanto sin posibilidad de reubicarla. Sin embargo, a la FCC le preocupa que los usuarios finales intenten aumentar el alcance del dispositivo con amplificadores adicionales y/o antenas externas, causando interferencias en la banda Wi-Fi. Su "solución" fue intentar impedir la fácil conexión de estos complementos obligando a utilizar conectores RP en estos dispositivos inalámbricos (que a menudo utilizaban conectores SMA) para hacerlos incompatibles con los complementos estándar (Figura 13).

Imagen de los conectores RP SMA y jackFigura 13: Los conectores SMA de RP tienen el género del conductor central opuesto al de los conectores SMA convencionales; (de izquierda a derecha) conector SMA macho estándar, conector SMA hembra estándar, conector RP-SMA hembra, conector RP-SMA macho. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

Sin embargo, en poco tiempo, los conjuntos de cables terminados con pares de conectores RP se generalizaron y se convirtieron en complementos estándar para dispositivos como las antenas Wi-Fi externas y reubicables (Figura 14).

Imagen de la antena Wi-Fi externaFigura 14: Esta antena Wi-Fi externa puede moverse para encontrar una ubicación óptima y es compatible con la interfaz de antena del router Wi-Fi gracias a su conector RP-SMA. (Fuente de la imagen: Amazon)

Imagen de los conectores de polaridad inversa (RP)Figura 15: Los conectores de polaridad inversa (RP) están disponibles en una gama de estilos de placas de circuitos, así como en configuraciones de terminación de cables. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Un conector de jack RP-SMA disponible es el de montaje en panel, con soldadura de agujero pasante 63012042124504 (Figura 16). Este conector presenta una VSWR de 1.2 de CC a 12.4 GHz, y de 1.4 de 12.4 a 18 GHz, mientras que la pérdida de inserción en esos dos rangos es de 0.14 dB y 0.2 dB, respectivamente.

Imagen de 63012042124504 de Würth Elektronik que es un conector SMA de polaridad inversaFigura 16: El 63012042124504 es un conector SMA de polaridad inversa diseñado para el montaje en agujero pasante y la soldadura. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Los cables y conjuntos completan las conexiones

Los conectores por sí solos son solo una parte del escenario de la ruta de la señal de RF; sus clavijas suelen acoplarse a cables coaxiales estándar como RG174, RG316 y RG188, entre otros. Aunque todos son cables de 50 Ω para trabajos de RF (hay cables y conectores de 75 Ω para sistemas de video), difieren en el rango de frecuencias, la atenuación, el diámetro, el tipo de dieléctrico, las características de fase, el manejo de la potencia, el radio mínimo de curvatura, el revestimiento externo y otros atributos mecánicos y eléctricos (figura 17).

Gráfico de la atenuación en función de la frecuencia para algunos cables coaxiales estándar comunesFigura 17: Los diseñadores pueden elegir entre una amplia gama de cables coaxiales de 50 Ω, que difieren en muchas características eléctricas y mecánicas. Se muestra la atenuación en función de la frecuencia -una especificación importante- de algunos cables coaxiales estándar comunes. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Los diseñadores también deben decidir si fabrican sus propios conjuntos de cables coaxiales o los compran ya fabricados: la clásica cuestión de "hacer o comprar". Es posible terminar estos cables coaxiales con los conectores seleccionados según sea necesario -la opción de "hacer"- pero hacerlo es un desafío que requiere habilidad, práctica, tiempo, herramientas de engaste adecuadas y otras herramientas en muchos casos.

Además, estos conjuntos de cables terminados necesitan algo más que una simple prueba de continuidad; también hay que comprobar los factores de rendimiento de RF, como el ancho de banda y la planicidad, las discontinuidades de impedancia, las pérdidas y el desplazamiento de fase, por citar solo algunos factores. Estas pruebas eléctricas llevan tiempo y requieren equipos de medición sofisticados, y los conjuntos necesitan una robustez mecánica añadida a través de un alivio de tensión.

Afortunadamente, los conjuntos de cables están disponibles en muchas longitudes como artículos estándar y en stock para los tipos de cables y conectores más comunes. También están disponibles en longitudes y pares de conectores personalizados con plazos de entrega bastante cortos. Considere, por ejemplo, el Würth 65503503530505, un conjunto de cable de 12 pulgadas/305 mm con un enchufe macho SMA recto en cada extremo, utilizando cable coaxial RG-316 (0.102 pulgadas/2.59 mm de diámetro exterior), con tubo termorretráctil añadido sobre las uniones del conector/cable para aliviar la tensión y la resistencia (Figura 18).

Imagen de 65503503530505 de Würth Elektronik que es un conjunto de cables coaxiales estándar de 12 pulgadasFigura 18: El 65503503530505 es un conjunto de cable coaxial estándar de 12 pulgadas que utiliza cable RG-316 con conectores macho SMA rectos en cada extremo; observe el alivio de tensión entre el conector y el cable. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

La hoja de datos de este conjunto de cables incluye amplios detalles mecánicos y de materiales y dimensiones, así como especificaciones garantizadas de VSWR (1.3) y pérdida de inserción (1.2 dB) desde CC hasta 6 GHz. También hay un gráfico que muestra la atenuación en función de la frecuencia por 100 pies, para que los usuarios puedan determinar rápidamente la atenuación para esta longitud o cualquier estilo de montaje de cable elegido (Figura 19).

Imagen de la atenuación en función de la frecuencia para el conjunto de cables 65503503530505 de Würth ElektronikFigura 19: Se muestra la atenuación en función de la frecuencia para el conjunto de cables 65503503530505. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

La amplia gama de conjuntos de cables suministrados por los proveedores no se limita a tener el mismo tipo de conector en cada extremo, sino que también puede abordar directamente los problemas de interconexión y transición. Por ejemplo, el 65530260515303 es un conjunto de cable corto (6 pulgadas/152 mm) que utiliza un cable RG-174 con un conector macho RP-SMA en un extremo y un conector macho MMCX recto en el otro (Figura 20).

Imagen del conjunto 65530260515303 de Würth Elektronik utiliza cable RG-174Figura 20: Los conjuntos de cables también pueden utilizarse como transiciones entre diferentes familias de conectores; el conjunto 65530260515303, por ejemplo, utiliza cable RG-174 y tiene un conector macho RP-SMA en un extremo y un conector macho MMCX recto en el otro. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Hay una cosa más a tener en cuenta con estos conectores y sus conjuntos de cables: son pequeños y a veces son difíciles de manejar cuando se aprieta o afloja su cuerpo roscado. Al mismo tiempo, necesitan un par de apriete determinado: si el par de apriete es demasiado bajo, puede que no hagan un contacto fiable; si es demasiado, sus roscas pueden sufrir tensiones y deformarse, lo que hace que se reduzca su número de ciclos de acoplamiento/desacoplamiento. Por este motivo, Würth Elektronik ofrece la WR-Tool 6006330101, una pequeña llave dinamométrica para todos los conectores WR-SMA (Figura 21).

Imagen de 6006330101 WR-Tool de Würth Elektronik que asegura el cuerpo roscado del conector SMAFigura 21: La herramienta 6006330101 WR-Tool garantiza que el cuerpo roscado del conector SMA se apriete de forma adecuada y constante, lo que suele ser un reto dado el pequeño tamaño del cuerpo SMA. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El uso de esta herramienta garantiza que el par de apriete del conector aplicado está en el nivel especificado, asegurando así un acoplamiento correcto de los contactos, maximizando la fiabilidad y el rendimiento constante.

Conclusión:

Los diseñadores de circuitos y sistemas de RF con frecuencias que se extienden hasta el rango de los gigahercios tienen la posibilidad de elegir conectores con diferentes tamaños, estilos de cuerpo, disposiciones de género y otros parámetros críticos. Si se selecciona un conector con las especificaciones eléctricas y mecánicas adecuadas y se aprieta correctamente, se reducen al mínimo las dificultades para garantizar unas vías de señal fiables, consistentes y con pocas pérdidas entre los circuitos, subcircuitos y sistemas.

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Información sobre el autor

Bill Schweber

Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.

En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.

Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.

Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.

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