Alapvető tudnivalók a koaxiális adapterekről ezen nagyon hasznos alkatrészek jobb kihasználása érdekében

A nagyfrekvenciás elektromos jelek továbbítására vagy vételére szolgáló elektronikus műszerberendezések felhasználói számára a koaxiális csatlakozók egyáltalán nem idegenek, mivel azokat gyakran használják. Olyannyira, hogy az ilyen csatlakozási módszer szinte magától értetődő – de csupán addig, amíg egyszer el nem jön az ideje annak, hogy több műszert kell összekapcsolni, vagy a koaxiális kábelek hosszabbítására van szükség. Ekkor a tervezőknek vagy a berendezések használóinak adapterekhez kell nyúlniuk, de mielőtt ezt megtennék, alaposan meg kell ismerkedniük az egyes adaptertípusok használatával járó következményekkel, és azok műszaki jellemzőivel.

Nem véletlen, hogy sokféle adapter létezik a világon. A T-elágazókkal egyetlen jelforrás köthető össze több műszerrel, míg az átvezető csatlakozókkal a koaxiális kábelek toldhatók. Ezután létezek DC blokkolók, előfeszített T-elágazók, impedancia illesztők, túlfeszültség-levezetők és lezárók, amelyek mindegyikét gyakran használják, de néha működésük teljes ismerete nélkül. Ezeknek az adaptereknek a helyes használatához alapvető ismeretekkel kell rendelkezni az átviteli vonalakról, és körültekintően kell kiválasztani őket használatuk előtt.

Ez a cikk az átviteli vonalakat (jelvivő vezetékeket) tárgyalja röviden. Ezután bemutat különféle koaxiális adaptereket, leírja működésüket és ismerteti legelőnyösebb alkalmazásaikat. Mindezt az Amphenol RF, az Amphenol-hoz tartozó Times Microwave Systems és a Crystek Corporation gyártóktól származó valós példákon keresztül.

Mik az átviteli vonalak?

Az átviteli vonalak (vagy jelvivő vezetékek) a jelforrást kapcsolják össze a terheléssel koaxiális kábelek, lapos vezetékek, mikroszalagok vagy más formában. Miden átviteli vonal rendelkezik egy saját jellemző impedanciával, amely az áramvezetők fizikai méreteitől, az egymás közötti távolságuktól és az áramvezetők egymástól való elszigetelésére használt dielektromos anyagtól függ. A koaxiális kábelek jellemző impedanciája általános rádiófrekvenciás alkalmazásoknál általában 50 ohm, míg videojel átvitelnél ez 75 ohm.

Ahhoz, hogy az energiának a forrásból a terheléshez történő továbbításakor a maximális hatékonyság biztosítva legyen, a forrás, az átviteli vonal és a terhelés impedanciájának azonosnak kell lennie. Ha az impedanciák eltérnek, akkor némi energiavisszaverődés lép fel az illesztettlen impedanciás csatlakozásnál. Ha például a terhelés impedanciája nem egyezik a forrás és a távvezeték impedanciájával, akkor az energia a terheléstől visszaverődik a forrás felé (1. ábra).

1. ábra Illesztettlen terhelésű koaxiális vonal esetén az energia visszaverődik a terheléstől a forrás felé, állandó hullámokat hozva létre az átviteli vonalon belül. (Kép: DigiKey)

A beérkező és a visszavert hullámok kölcsönhatásba kerülésével állandó hullámok keletkezenek az átviteli vonalon, periodikusan változó amplitúdóval a vezeték hosszanti irányában. Az állóhullámok mérési hibákat okoznak, és károsíthatják az alkatrészeket. A forrás, a távvezeték és a terhelés impedanciáinak egyeztetése megakadályozza az állóhullámok kialakulását, és ezáltal biztosítja a lehető leghatékonyabb energiaátvitelt a forrástól a terhelésig.

Az impedanciaillesztési követelmények miatt mindig fontos megfelelő adaptert használni, de egy újonc tervező számára hamarosan nyilvánvalóvá válik, hogy sokféle adapter létezik, és gyakran olyan funkciókkal is rendelkeznek, amelyek túlmutatnak csupán egy alapvető kapcsolat kialakításán.

T-elosztók

Vegyünk példaként egy egyszerű műszerberendezést, amely egyetlen forrásból, egy oszcilloszkópból és egy spektrumanalizátorból áll (2. ábra).

2. ábra Ebben a példában a három műszer T-elosztóval történő összekapcsolásához meg kell változtatni az oszcilloszkóp bemeneti impedanciáját, az impedancia-illesztettlenség elkerüléséhez a jelforrásnál. (Kép: DigiKey)

A jelforrás kimeneti impedanciája 50 Ω, és 50 Ω-os terheléshez való csatlakoztatásra tervezték. Ha egy T-elosztót használnak az oszcilloszkóp és a spektrumanalizátor összekapcsolására, és ha mindkettő 50 Ω-os bemeneti impedanciára van állítva, a jelforrás 25 Ω-os terhelést fog látni, kimenete csökkeni fog és emiatt állandó hullámok fognak keletkezni a kábelekben. A titok itt az, hogy a koaxiális vonal közepén található műszert nagy bemeneti impedanciára, míg a koaxiális vonal túlsó végén lévő műszert 50 Ω-os bemeneti impedanciára kell állítani, az ábrának megfelelően. A jelforrás így 50 Ω-os terhelést fog látni, és minden rendben lesz.

Az Amphenol RF 112461 jelű terméke (3. ábra) egy BNC T-elosztó, egy BNC dugóval, két BNC aljzattal és 4 GHz-es sávszélességgel. A példánkban bemutatott elrendezésben 4 GHz alatti sávszélességű műszereknél használható.

3. ábra Az Amphenol 112461 BNC T-elágazójának névleges üzemi sávszélessége 4 GHz. A 2. ábrán bemutatott példában a dugó az oszcilloszkóp bemenetéhez csatlakozik, a koaxiális kábelek pedig a BNC aljzatoktól a jelforráshoz és a spektrumanalizátorhoz. (Kép: Amphenol RF)

Az, hogy milyen típusú T-elágazót kell választani, függ a műszereken lévő csatlakozóktól valamint az adott műszerek névleges sávszélesség-tartományától. Koaxiális adapterek, mint például a T-elágazók, 40 GHz-es sávszélesség felett általában már nincsennek, mivel az ilyen frekvenciákon az adapterekben keletkező jelveszteségek kezelése problematikussá válik. Alább a műszereknél gyakran használt azon koaxiális csatlakozóknak a listája található, amelyekhez általában rendelkezésre állnak adapterek, legfontosabb műszaki paramétereiknek feltüntetésével (1. táblázat).

1. táblázat Gyakran használt koaxiális csatlakozótípusok, amelyekhez adapterek elérhetők. 40 GHz felett az adaptereknél olyan veszteségek lépnek fel, amelyek miatt használhatatlanná válnak. (Táblázat: DigiKey)

Adapterek eltérő típusú csatlakozókhoz

Mivel többfajta csatlakozó létezik, szükséges, hogy az egyik típusú csatlakozó egy másik típusúhoz idomítható legyen. Tegyük fel például, hogy egy oszcilloszkóp vagy spektrumanalizátor bemeneti BNC csatlakozójához egy SMA kábelt kell illeszteni. Ilyen esetekre az Amphenol RF 242103 jelű terméke rendelkezik egy BNC dugóval a műszerhez való csatlakozáshoz, valamint egy SMA aljzattal, amely az SMA kábel befogadására képes (4. ábra).

4. ábra A BNC-SMA adapterek egy BNC-aljzat és SMA-dugó közé illeszthetők, amire akkor lehet szükség, ha egy SMA-kábelt kell csatlakoztatni egy műszeren lévő bemenethez. (Kép: Amphenol RF)

A berendezések felhasználóinak szem előtt kell tartaniuk, hogy adapterek használatakor az összekötőelem sávszélessége a két különböző típusú csatlakozó közül az alacsonyabbnak megfelelőre csökken. A BNC-SMA adapter esetében annak sávszélessége 4 GHz, amely a BNC típus műszaki jellemzője.

Vannak olyan adapterek is, amelyekkel az impedancia 50-ről 75 Ω-ra módosítható, és fordítva.

Átvezető adapterek

Kábelek meghosszabbításakor vagy egy kábelnek panelen/lemezen keresztüli átvezetésekor egyenes átvezető adaptereket kell használni. Ezek rendelkezésre állnak az 1. táblázatban bemutatott típusú csatlakozókhoz. Példa erre az Amphenol RF 132170 jelű, két SMA aljzattal rendelkező átvezető adaptere, amelyekhez egy válaszfal vagy panel két oldaláról SMA dugókkal rendelkező kábelek csatlakoztathatók (5. ábra).

5. ábra Példa egy panelre szerelhető átvezető SMA csatlakozóra, amelyen keresztül koaxiális kapcsolat alakítható ki. (Kép: Amphenol RF)

Az átvezető csatlakozók aljzat-aljzat, dugó-dugó, valamint ritkábban dugó-aljzat típusokra konfigurálhatók.

Lezáró csatlakozók (terminátorok)

Több nagyimpedanciás bemenetű műszer és egy 50 Ω-os forrás sorba kapcsolásakor a kapcsolatot 50 Ω-os impedanciával zárni kell (6. ábra).

6. ábra Több nagyimpedanciás bemenetű eszköznek egy 50 Ω-os forrásra való kapcsolásakor egy 50 Ω-os külső lezáró csatlakozóra van szükség, hogy megakadályozza a visszaverődést a koaxiális vezetékekben. (Kép: DigiKey)

Az Amphenol RF 202120 jelű 50 Ω-os lezáró csatlakozója egy BNC aljzatként konfigurált koaxiális terminátor (7. ábra).

7. ábra Az Amphenol RF 202120 egy BNC aljzatként konfigurált 50 Ω-os lezáró csatlakozó. (Kép: Amphenol RF)

A BNC aljzat a koaxiális kábelek közvetlen befogadására képes. BNC dugók formájában léteznek olyan lezáró csatlakozók is, amelyek BNC aljzatokkal párosíthatók. Ezek akkor hasznosak, ha egy műszert közvetlenül az előlapján kell lezárni. Míg az oszcilloszkópok többsége rendelkezik nagy impedanciájú és 50 Ω-os bemenetekkel is, az 50 Ω-os bemenetek feszültségkorlátja általában 5 V. Ezenkívül az oszcilloszkópok 50 Ω-os bemeneteinél a teljesítmény legfeljebb 0,5 W lehet. A 202120 névleges teljesítménye 1 watt, és még 7 volt feletti feszültségen is használható.

Lezáró csatlakozók egyéb impedanciákhoz is elérhetők. Például 75 Ω-os terminátorokat szoktak használni a televíziós és videós alkalmazásokban. Hálózatanalizátorok kalibrálásakor nulla Ω-os vagy rövidzárlatos lezárókat használnak.

DC blokkolók és előfeszített T-elágazók

A DC blokkolók olyan koaxiális adapterek, amelyek az egyenáramú jeleket blokkolják, engedélyezik viszont az RF jelek átjutását. Az érzékeny rádiófrekvenciás alkatrészeket védik az egyenáramtól, amelyet egy kondenzátor blokkol. Három típusú DC blokkoló létezik:

• A belső DC blokkolókban egyetlen kondenzátor van sorba kötve a koaxiális kábel belső vagy középső áramvezetőjével.
• A külső DC blokkolókban a kondenzátor a koaxiális kábel árnyékoló áramvezetőjével van sorba kötve.
• A belső/külső DC blokkolókban a belső és a külső áramvezetővel egyaránt van sorba kötve egy kondenzátor.

Mindegyik típusú DC blokkolót egy adott jellemző impedanciára terveznek, ez általában 50 vagy 75 Ω. A Crystek Corporation CBLK-300-3 jelű terméke egy 50 Ω-os belső áramvezetős DC blokkoló, amely átengedi a 300 kHz és 3 GHz közötti frekvenciájú jeleket, de 16 V-ig blokkolja a DC jeleket. Alacsony beillesztési és reflexiós veszteségekkel jellemezhető a névleges üzemi frekvenciatartományán belül (8. ábra).

8. ábra A Crystek CBLK-300-3 blokkolja az egyenáramú jeleket, de átengedi a 300 kHz-től 3 GHz-ig terjedő jeleket. (Kép: Crystek Corporation)

Előfeszített T-elágazó

Az előfeszített T-elágazók a DC blokkolók rokonai. Ezek három csatlakozós adapterek, ahol az egyik csatlakozóra egyenáram van vezetve. Egy második csatlakozón az egyenáramú előfeszítés kombinálódik egy leválasztott RF csatlakozóból érkező RF jellel (9. ábra).

9. ábra Az előfeszített T-elágazónak három csatlakozója van: az egyik az előfeszítő DC feszültség számára, a másik egy leválasztott RF csatlakozó, míg a harmadikon az RF jel kombinálódik a DC előfeszítéssel. (Kép: Crystek Corporation)

Az előfeszített T-elágazókat távoli elektronikai elemek – például egy egyenárammal táplált antennára szerelt kis zajú erősítő (LNA) – áramellátásának biztosítására használják, miközben biztosítva van egy egyenáramtól mentesített csatlakozó, RF vevő csatlakoztatásához. Az előfeszítő egyenfeszültség egy sorba kapcsolt tekercsen keresztül érkezik, amely megakadályozza az RF jeleknek az egyenáramú forrásra kerülését. Úgy mint a DC blokkolóknál, az RF csatlakozó is egy sorba kapcsolt kondenzátorral van elválasztva az egyenáramú bemenettől. A kombinált (RF+DC) csatlakozó egyaránt átengedi az RF és DC komponenseket is.

A Crystek Corporation BTEE-01-50-6000 jelű eleme egy előfeszített T-elágazó, 50 MHz és 6 GHz közötti RF sávszélességgel, SMA aljzatokkal. Az RF csatlakozó maximum 2 wattos teljesítményszintű RF jelek kezelésére képes, a DC csatlakozóra pedig maximálisan 16 V egyenfeszültség vezethető. Az előfeszített T-elágazó beiktatási vesztesége 0,5 dB 2 GHz-en. Működés közben a kis zajú erősítő és az antenna az RF+DC csatlakozóhoz csatlakozik. Az egyenáramú tápforrás a DC csatlakozóra, a vevő pedig az RF csatlakozóra van vezetve.

Vonalszűrők

További hasznos koaxiális adapterek a vonalszűrők. Aluláteresztő-, felüláteresztő- és sávszűrők létezek BNC vagy SMA típusú csatlakozókhoz. Ezeket a kábelen továbbított jel spektrumának szabályozására használják. Egy analóg-digitális átalakító (ADC) effektív bitszámának mérésére például egy aluláteresztő szűrőt kell elhelyezni a jelgenerátor és az ADC között. A szűrő elnyomja a generátor felharmonikusait, jelentősen javítva ezáltal a mérési pontosságot, így olcsóbb jelgenerátorok is használhatók.

Jó példa egy ilyen eszközre a Crystek CLPFL-0100 jelű, hetedfokú, 100 MHz-es aluláteresztő szűrője, melynek vágási frekvenciája 100 MHz (10. ábra).

10. ábra A CLPFL-0100 egy hetedfokú, 100 MHz-es aluláteresztő szűrő, amely sorba kapcsolható egy SMA-kábellel. (Kép: Crystek Corporation)

Egy 100 MHz-es bemeneti jel második felharmonikusát 30 dB-lel, a magasabb felharmonikust pedig több, mint 60 dB-lel elnyomja. Ha a fenti példában szereplő jelgenerátor specifikált harmonikus torzítása -66 dB, akkor a szűrő azt -96 dB alá csökkenti.

Túlfeszültség-levezetők

A túlfeszültség-levezetők (vagy más elnevezéssel lökőáramvédők) az érzékeny elektronikát védik az átmeneti túlfeszültségektől, például a villámcsapástól. Ez megvalósítható elválasztó szikraközök, gázkisüléses csövek vagy diódák segítségével, amelyeknél dielektromos átütés következik be, hogy az elektromos túlfeszültségeket a földbe vezessék, mielőtt azok károsíthatnák a védett eszközöket.

Az Amphenol Time Microwave Systems LP-GTR-NFF jelű eleme egy N típusú csatlakozós, soros túlfeszültség-levezető, amelyben egy cserélhető gázkisüléses cső található. A cső átüt ±90 V/20 A feletti egyenfeszültség esetén, és legfeljebb 50 wattos túlfeszültségek kezelésére képes. Sorosan csatlakoztatják, sávszélessége 3 GHz-ig terjed, 0,1 dB beiktatási veszteséggel 1 GHz-ig, és 0,2 dB veszteséggel 3 GHz-ig (11. ábra).

11. ábra Az Amphenol Times Microwave Systems LP-GTR-NFF jelű túlfeszültség-levezetője egy soros N csatlakozó, amelyet koaxiális vezetékek védelmére használnak legfeljebb 50 wattos tranziens túlfeszültségektől. (Kép: Amphenol Times Microwave Systems)

A túlfeszültség-levezetőket általában olyan L-konzolokra szerelik, amelyek nagyméretű, alacsony induktivitású áramvezetőkkel elektromosan és mechanikusan egy alacsony impedanciájú föld potenciálra vannak kapcsolva. Fontos megjegyezni, hogy a földkapcsolat minősége befolyásolja, hogy túlfeszültség-levezető mennyire jól tud teljesíteni éles helyzetekben.

Soros csillapítók

A csillapítók a jelek teljesítményszintjét csökkentik, anélkül, hogy torzítanák azok hullámformáját. A koaxiális soros változatok fix csillapítást nyújtanak, és számos különböző típusú csatlakozó áll rendelkezésre, különféle dugó- és aljzatkonfigurációkkal.

A Crystek Corporation CATTEN-03R0-BNC jelű eleme egy 3 dB-es, 50 Ω-os, BNC csillapító, 0 és 1 GHz közötti sávszélességgel, 2 W névleges teljesítménnyel (12. ábra). Az ezen a termékcsaládon belül kapható, 1 és 20 dB közötti csillapítású tizenhárom különböző típus egyike,

12. ábra A Crystek CATTEN-03RO-BNC egy soros koaxiális 3 dB-es BNC csillapító, 0-1 GHz közötti sávszélességgel. (Kép: Crystek Corporation)

A soros csillapítók nyilvánvaló feladata a jelek teljesítményszintjének csökkentése, kevésbé nyilvánvaló viszont, hogy a sorosan csatlakoztatott eszközök impedanciáinak elválasztására, valamint az impedancia-illesztettlenségek és a nem kívánt visszaverődések csökkentésére is használhatók.

Tegyük fel, hogy például egy megfelelően illesztett 3 dB-es csillapítót helyezünk el illesztettlen impedanciás terhelés elé. A csillapító bemeneti jelét a csillapító 3 dB-rel csökkenti, miközben az továbbterjed az illesztettlen terhelés felé. Feltételezve, hogy az illesztettlenség nyitott áramkör típusú, akkor a jel teljes egészében visszaverődik a terhelésen, áthalad visszafelé a csillapítón, ahol további 3 dB-es veszteséget szenved a csillapító bemeneténél. A csillapító bemeneténél a reflexiós veszteség 6 dB-lel javul. A csillapító bemenetén észlelt illesztettlenség a csillapító névleges jellemzőjének kétszeresével javul – ebben az esetben a teljes csökkentés 6 dB lesz.

Ennek a módszernek hátránya, hogy az átmenő jel amplitúdója 3 dB-rel csökken, amelyet a hálózat más részein kompenzálni kell. A Crystek CATTEN-03R0-BNC jól működne ebben az alkalmazásban.

Összegzés

Mérőműszerek vagy más eszközök koaxiális adapterekkel történő csatlakoztatásakor a tervezőknek és a berendezések felhasználóinak alapvető ismeretekkel kell rendelkezniük az átviteli vonalakról. Ha ez megvan, a felhasználók jobban kihasználhatják ezen nagyon hasznos alkatrészek széles körű felhasználhatóságát, ideértve a csatlakozótípusok és a jellemző impedanciák megváltoztatását, a jelek ágaztatását, a szűrést, a túlfeszültség-védelmet, a jelcsillapítást, valamint az egyenáramú szabályozást és leválasztást.