Rádiókészülékek optimalizálása szélsőséges környezeti viszonyok közötti működésre

Egy olyan világban, amely egyre inkább függ a vezeték nélküli kapcsolattartástól, az olyan felhasználási területekre, mint a tengerészeti GPS, az ipari dolgok internete (IIoT, Industrial Internet of Things), az intelligens mezőgazdaság és a pilóta nélküli légi járművek, a rendszerek tervezőinek olyan rádiófrekvenciás alkatrészekre van szükségük, amelyek szélsőséges környezeti viszonyok között is megbízhatóan működnek. Megoldandó problémát jelent többek közt a rezgés, a por, a magas páratartalom, a víznek vagy más folyadékoknak és a sós permetnek való kitettség. Miközben a rendszert úgy kell megtervezni, hogy ellenálljon ezeknek a zord körülményeknek, az egyik fő szempont a rádiós összeköttetés, ahol egy koaxiális csatlakozó továbbítja a rádiófrekvenciás jeleket az eszközök között, illetve az eszköz és az antenna között. A tervezőknek biztosaknak kell lenniük abban, hogy az általuk használt csatlakozók és kábelek megfelelőek az adott feladatra, miközben megfelelnek a növekvő teljesítmény és csatlakozósűrűség jelentette követelményeknek is.

Ez a cikk röviden tárgyalja a szélsőséges környezetekre való tervezés jelentette feladatokat, majd bemutatja az Amphenol RF néhány rádiófrekvenciás adapterét, csatlakozóját és kábelszerelvényét. Ismerteti azt is, hogyan segíthetnek ezek az alkatrészek a nedvesség, a por, a rezgések és a korrózió elleni védelemben és a burkolatok tömítésében, miközben kiváló rádiófrekvenciás teljesítményt nyújtanak a nagy alkatrész-sűrűségű tokozásra alkalmas kis méretű csatlakozóházakban.

Szélsőséges környezetek

Az ipari dolgok internete – a gyáraktól az olajfúrótornyokig – jól példázza azokat a felhasználási területeket, ahol rádiós eszközöket használnak olyan környezetben, ahol magas a páratartalom, valamint gőz, permetező vagy fröccsenő folyadékok és por vagy maró hatású vegyi anyagok, például sós víz vannak jelen (1. ábra).

1. ábra: Egy peremhálózati átjáró útján kommunikáló távoli vezeték nélküli és vezetékes érzékelőket tartalmazó, az ipari dolgok internetére kapcsolódó rendszer elvi vázlata. A rendszer sok helyen rádiófrekvenciás csatlakozókat használ (ábra: Art Pini)

Az ipari dolgok internete okosérzékelőket, működtetőelemeket, robotokat és hasonló eszközöket használ a gyártási folyamatok javítására. Ezek az eszközök hálózatba vannak kötve, és adatgyűjtést, adatcserét, elemzést és vezérlést tesznek lehetővé. A több gépből és rendszerből származó adatok megosztása segíti az ipari folyamatok hatékonyabbá és megbízhatóbbá tételét.

Az ilyen eszközök tervezésekor figyelembe kell venni a környezetet. A szélsőséges környezetek megkövetelik, hogy az eszköz tömített legyen, és az esetleges csatlakozóknak korrózióállóaknak és szivárgásmentes tömítésűeknek kell lenniük. A fémházak esetében külső antennákra van szükség. Emellett szükség van csatlakozókra is az eszközön kívüli érzékelők csatlakoztatásához és a más eszközökkel való jelösszeköttetésekhez. Az antennák és jelkábelek koaxiális csatlakozóit a házuk és tömítések segítségével le kell zárni, hogy megfeleljenek ezeknek a környezetállósági követelményeknek. Az IEC 60529 ágazati szabvány a behatolásvédelmi (IP) minősítéseket használja az adott csatlakozó által nyújtott védelem mértékének jelölésére. Az IP-besorolások az IP betűpárból és egy kétjegyű számból állnak. Az első számjegy a por és a szilárd részecskék, míg a második számjegy a víz behatolása elleni védelem mértékét jelzi. Az IP-besorolások a védettség hiányától a teljes védettségig terjednek. A magasabb számok nagyobb védettséget jeleznek (2. ábra).

2. ábra: A por és a víz behatolása elleni védettségi besorolások az IEC 60529 szabvány szerint (ábra: Amphenol RF)

A szélsőséges környezeti hatásoknak kitett csatlakozóknak IP67-es vagy IP68-as IP-besorolásúaknak kell lenniük. Az IP67-es besorolás porvédett tömítést és vízbehatolás elleni védelmet jelent, beleértve a 30 perces teljes vízbe merülést is 1 méter mélységig.

IP67-es besorolású koaxiális csatlakozók

Az Amphenol RF porvédett és vízálló IP-besorolású SMA, BNC és TNC típusú koaxiális csatlakozók széles választékát kínálja. A 901-10746-EE jelű csatlakozó például egy RG-58-as kábelhez való, IP67-es védettségű válaszfali SMA aljzat (3. ábra).

3. ábra: Az RF 901-10746-EE jelű válaszfali aljzat IP67-es besorolású, ami azt jelenti, hogy vízálló és porvédett, valamint a sós vízzel szemben korrózióálló (ábra: Amphenol RF)

Ennek az SMA aljzatnak a villamos jellemzői közé tartozik az RG-58 koaxiális kábel használatához szükséges 50 Ω névleges impedancia. Az aljzat egyenáramtól 6 GHz-ig terjedő frekvenciatartományban használható, a legnagyobb feszültség-állóhullám-aránya (VSWR, voltage standing wave ratio) 1,30:1, ami –18 dB visszaverődési csillapításnak felel meg, az aljzat dielektromos átütési feszültsége pedig 1000 Vrms. Az üzemi hőmérséklet-tartománya tág: –65 °C – 125 °C. Az összeszerelési folyamat a középső vezetőnek a csatlakozó érintkezőtüskéjéhez forrasztásával kezdődik. A tüskét és a kábelt úgy kell behelyezni az aljzat testébe, hogy az árnyékolófonat a bütyök fölé kerüljön. Ezután a befogógyűrűt rá kell préselni az árnyékolófonatra. Az aljzat háza és a szerelőpanel közti tömítésre az O-gyűrűs tömítés szolgál.

Az aljzat háza sárgarézből, a befogógyűrű vörösrézből készült, és mindkettő korrózióálló ón-nikkel ötvözet alkotta bevonattal van ellátva. A bevonat megfelel a MIL-STD-202 szabvány 101-es módszere szerinti, a sósvíz-permetre vonatkozó előírásoknak, ami 5%-os sóoldattal 720 órán keresztül való ismétlődő permetezés hatásának való ellenállást követel meg. A sósvíz-permetnek való kitettség után megvizsgálják a bevonat épségét, és újra ellenőrzik az aljzat rádiófrekvenciás teljesítményét, beleértve az érintkezési ellenállást és a visszaverődési csillapítást.

A középső vezető érintkező berillium-réz ötvözetből készült, aranyozva van, és teflon szigetelőanyagba van helyezve. A kábellel és a befogógyűrűvel összeszerelve, de még nem csatlakoztatva megfelel az IP67-es védettségi besorolásra vonatkozó követelményeknek.

Az aljzatot rozsdamentes acélból készült rögzítőelemekkel szerelik a panelre, és szilikongumi tömítéssel zárják le, hogy garantálják a fizikai épségét és az IP67-es besorolásnak való megfelelést.

Az aljzathoz illeszkedő SMA dugó az Amphenol RF 901-9876-RFX-EE jelű. Ez a kábelre szerelt SMA dugó ugyanolyan anyag-összetételű és bevonatú, mint a válaszfali csatlakozó, és ugyanabban a hőmérséklet-tartományban használható. Az aljzathoz annak háza fölött, egy menetes gyűrűvel csatlakozik. A 901-10746-EE jelű aljzathoz hasonlóan a dugó is IP67-es védettségű, és RG-58-as kábellel való használatra készült. Üzemi frekvenciatartománya az egyenáramtól 12,4 GHz-ig terjed.

Ezek a szélsőséges környezetbe szánt rádiófrekvenciás csatlakozók BNC és TNC változatban is kaphatóak. A TNC csatlakozó a BNC csatlakozó menetes változata. A menetes csatlakozók a megadott nyomatékkal meghúzva rezgésállóak. A 031-6501-EE (4. ábra, balra) egy derékszögű TNC dugó, amely ugyanazokból az anyagokból készül, ugyanúgy IP67-es védettségű, és ugyanazoknak a korrózióállósági szabványoknak felel meg, mint az SMA csatlakozók. A névleges üzemi hőmérséklet-tartománya –40 °C – 85 °C. Villamos szempontból a jellemző impedanciája 50 Ω, és egyenáramtól 6 GHz-ig terjedő üzemi frekvenciatartományban használható. A derékszögű csatlakozók szükségtelenné teszik a kábelhajlításokat, így minimálisra csökkentik a koaxiális kábel sérülésének veszélyét, és egyúttal helyet is takarítanak meg az ipari dolgok internetére kapcsolódó és más hasonló rendszerekben használt kisméretű burkolatokban. A 031-6501-EE dugók hozzájuk való, például az AD-TNCJTNCJ-EE jelű válaszfali adapterhez (4. ábra, jobbra) illeszthetőek.

4. ábra: Az 031-6501-EE derékszögű TNC dugó és az AD-TNCJTNCJ-EE TNC válaszfali adapter lehetővé teszi a kábelvezetési irány kis helyigényű megváltoztatását a kábelek hajlítása nélkül, miközben helyet takarít meg az az ipari dolgok internetére kapcsolódó eszközök kis méretű burkolataiban (ábra: Amphenol RF)

Az AD-TNCJTNCJ-EE válaszfali adapter IP68-as védettségű, korrózióálló, és –65 °C és +165 °C közötti az üzemi hőmérséklet-tartománya. Jellemző impedanciája 50 Ω, és 18 GHz-ig használható. A feszültség-állóhullám-aránya (VSWR) 1,2:1 (ami –21 dB visszaverődési csillapításnak felel meg) a 0 és 11 GHz közötti, illetve 1,3:1 (ami –18 dB visszaverődési csillapításnak felel meg) a 11 GHz és 18 GHz közötti frekvenciákon. A válaszfali adapterek lehetővé teszik a kábelek leválasztását a szerelőpanelről vagy ajtóról, hogy szervizelés céljából könnyen el lehessen távolítani a kábelt.

A BNC csatlakozók nagyon hasonlóak a TNC csatlakozókhoz, elsősorban a reteszelési mechanizmusukban különböznek azoktól. A BNC egy gyorscsatlakozó. Az aljzat két oldalán egy-egy bajonettfül található, amelyek a dugón lévő nyílásokba illeszkednek, és a csatlakozó két felét negyedfordulatos elfordítással lehet rögzíteni. IP67-es védettséget és sós vízpermettel szembeni korrózióállóságot is kínálnak.

A 031-6924-EE BNC dugó (5. ábra, balra) üzemi hőmérséklet-tartománya –40 °C – +85 °C. Az 50 Ω jellemző impedancia alkalmassá teszi az RG-58 kábellel való használatra. A feszültség-állóhullám-aránya 1,30:1 (ami –18 dB visszaverődési csillapításnak felel meg), frekvenciatartománya pedig az egyenáramtól 6 GHz-ig terjed.

Az AD-BNCJBNCJJ-EE csatlakozóaljzat (5. ábra, jobbra) egy mindkét oldalán aljzat kialakítású válaszfali adapter. Az impedanciája szintén 50 Ω, és egyenáramtól 12 GHz-ig használható. A feszültség-állóhullám-aránya egyenáramtól 4 GHz-ig 1,30:1 (ami –18 dB visszaverődési csillapításnak felel meg), 4–12 GHz között pedig kevesebb mint 1,45:1 (ami –15 dB visszaverődési csillapításnak felel meg). Üzemi hőmérséklet-tartománya –40 °C – +85 °C.

5. ábra: A szélsőséges környezeti viszonyokra tervezett BNC csatlakozók gyorscsatlakozók, azaz gyors csatlakoztatást és leválasztást tesznek lehetővé (ábra: Amphenol RF)

Összegzés

A vezeték nélküli eszközök tervezésekor a tervezőknek a termék működőképességének és hosszú élettartamának szavatolása érdekében figyelembe kell venniük a felhasználási területek által megkívánt fizikai és villamos követelményeket. A vezeték nélküli rendszerekben használt koaxiális rádiófrekvenciás csatlakozók elsődleges feladata a jelépség megőrzése, a környezettől függetlenül. Ehhez elengedhetetlen olyan nagy megbízhatóságú csatlakozók és adapterek használata, amelyek ellenállnak a rezgéseknek, a folyadékok és a por behatolásának és a korróziónak. Az Amphenol RF szélsőséges környezeti viszonyokra tervezett csatlakozói ideálisak a zord környezetben való használatra szánt berendezésekbe.