Comment sélectionner, utiliser et maintenir des connecteurs coaxiaux pour les applications RF?

Les circuits de radiofréquence (RF) prolifèrent dans les communications filaires et sans fil, y compris le Wi-Fi et diverses technologies sans fil utilisées pour l'Internet des objets (IoT). Ces signaux haute fréquence doivent être répartis entre les systèmes, les composants du circuit et les sous-ensembles avec une perte minimale ou un rayonnement parasite.

Bien que ce soit traditionnellement le rôle des câbles coaxiaux RF et des connecteurs, les concepteurs doivent faire en sorte de choisir rapidement le connecteur RF optimal et de l'appliquer correctement pour des performances et une durée de vie optimales.

Cet article affichera les connecteurs RF du point de vue des paramètres critiques tels que la taille, la plage de fréquences, les pertes et la durabilité pour aider les concepteurs à adapter leur connecteur à leur application RF. Il présentera également des solutions appropriées avec des informations utiles sur la manière de les appliquer et de les entretenir.

Connecteurs coaxiaux RF
Les connecteurs coaxiaux RF et les câbles fournissent des liaisons RF clés dans les communications, la diffusion et le sans fil, ainsi que l'utilisation des tests et des mesures. Ils fournissent des chemins à faibles pertes entre les systèmes RF, les composants, les sous-ensembles et les périphériques utilisant des câbles coaxiaux ou des lignes linéaires. La structure coaxiale de base est constituée d'un conducteur central entouré d'une couche diélectrique isolante concentrique. Celle-ci est à son tour entourée d'une coque conductrice cylindrique. Les dimensions des éléments de câble sont contrôlées avec précision pour donner une dimension de conducteur et un espacement constants, ce qui est nécessaire pour qu’elle fonctionne efficacement en tant que ligne de transmission. 

Les connecteurs RF fournissent des jonctions pour relier les câbles coaxiaux et les lignes de transmission en ligne à d'autres composants ou sous-ensembles. Ils étendent la structure coaxiale en ajoutant des conducteurs de verrouillage avec un mécanisme de verrouillage, tout en maintenant une impédance électrique constante. Une paire d'éléments de connecteur de type subminiature A (SMA) d'Amphenol RF est illustrée à la figure 1.

Figure 1: La paire de connecteurs SMA est un exemple de connecteur coaxial et l'image montre le conducteur interne, la couche diélectrique et le conducteur externe de verrouillage.

L'image de gauche est la moitié mâle ou mâle. L'image de droite montre la moitié femelle, jack ou réceptacle de la paire de connecteurs. En général, la fiche aura un conducteur central saillant et des filets de verrouillage internes sur le conducteur extérieur. Le réceptacle a un conducteur interne en retrait et des filets de verrouillage externes. Il convient de noter que certains types de connecteurs à «polarité inversée» auront les filets de verrouillage inversés, avec des filets externes sur le composant mâle et des filets internes sur le composant femelle. D'autres mécanismes de verrouillage peuvent inclure un verrouillage par torsion, une connexion à baïonnette ou des anneaux de verrouillage.

La plupart des connecteurs coaxiaux, comme cette paire de connecteurs SMA, sont «sexés» et ont des structures différentes sur chaque moitié. Certains connecteurs ont des structures identiques de chaque côté de la jonction. Ce sont principalement des connecteurs de haute précision destinés aux applications de laboratoire.

Types de connecteurs coaxiaux
Bien qu'il existe une multitude de connecteurs RF, ils sont différenciés par un certain nombre de paramètres clés. Ces spécifications comprennent la taille physique, l'impédance, le VSWR, le type de couplage et la bande passante ou la plage de fréquences (tableau 1).

Tableau 1: Tableau récapitulatif des spécifications des connecteurs coaxiaux couramment utilisés

Bande passante du connecteur
La spécification clé pour un connecteur coaxial est sa bande passante. Ceci décrit la fréquence maximale à laquelle il peut être utilisé. La fréquence maximale utilisable d'un connecteur est fonction du diamètre de l'enveloppe extérieure et du matériau utilisé comme diélectrique. Plus le diamètre de la coquille est petit, plus la fréquence maximale utilisable est élevée. De même, l'utilisation de l'air en tant que diélectrique offre les performances de fréquence les plus élevées par rapport aux autres diélectriques. En conséquence, les connecteurs à bande passante la plus élevée utilisent l’air comme diélectrique.

Impédance du connecteur
Pour garantir un transfert de puissance maximal et réduire les pertes de puissance dues aux réflexions, l'impédance caractéristique du connecteur doit correspondre à la source et à la charge. La plupart des connecteurs destinés aux applications RF générales sont conçus pour présenter une impédance 50 W; tandis que les connecteurs 75 W sont disponibles pour les applications liées à la vidéo.

ROS
Le rapport d'ondes stationnaires (VSWR) est une mesure de l'impédance effective du connecteur couplé. Plus le VSWR est élevé, plus le connecteur réfléchit de puissance en raison d'une incompatibilité d'impédance. Notez que VSWR est une fonction de la fréquence et que les valeurs VSWR du connecteur ne doivent être comparées qu'à la même fréquence.

Mécanisme de couplage
La colonne de couplage indique le type de mécanisme de verrouillage mécanique utilisé. Ceci est extrêmement important dans les applications où le connecteur doit être soumis à des vibrations. Le couplage est normalement un compromis entre la facilité de connexion et le verrouillage sécurisé. La paire de connecteurs SMA présentée précédemment dans la Figure 1 est un exemple de couplage fileté. Des exemples de couplage à baïonnette et encliquetable sont illustrés à la figure 2, utilisant respectivement le type de connecteur BNC et SMP.

Figure 2: Exemples de raccords à baïonnette et encliquetables. La méthode de couplage est importante dans les applications où des vibrations sont attendues et constitue souvent un compromis entre la facilité d'utilisation et le verrouillage sécurisé. 

Taille du connecteur et durabilité
Compte tenu de la tendance à la miniaturisation, la taille joue un rôle majeur dans la sélection d’un connecteur. La table 2, à nouveau, affiche les classes de taille des connecteurs répertoriés. Il existe un compromis entre la taille et la durée de vie du connecteur. Les connecteurs plus petits ont tendance à avoir moins de cycles de connexion disponibles. Lorsque le plus grand connecteur N peut avoir une durabilité supérieure à celle des cycles d'accouplement 500, la durabilité du connecteur micro-miniature U.FL est limitée aux cycles d'accouplement 30. La durée de vie de chaque connecteur varie selon le fabricant et leurs spécifications doivent être consultées si la durée de vie est un paramètre important.

Les connecteurs coaxiaux utilisés dans des applications telles que les instruments de test et de mesure, où de nombreux cycles de raccordement sont typiques, sont généralement protégés par l'utilisation de «connecteurs de sauvegarde». Ces adaptateurs facilement remplaçables correspondent aux connecteurs de l'instrument et présentent un corps de connecteur non réutilisable pour des utilisations multiples.

Classe de connecteur et spécifications de l'industrie
Les connecteurs sont classés par plusieurs classes différentes. Dans le tableau 2, les connecteurs de précision tels que les connecteurs 1 mm à 2.92 mm et N relèvent de la norme IEEE-STD-287. Ces connecteurs ont des tolérances dimensionnelles plus précises dictées par leurs applications à large bande passante. Les connecteurs les plus courants relèvent de la norme MIL-STD-348 ou de l'une des normes européennes, telles que CECC 22220. Les tolérances sur ces connecteurs sont moins contraignantes, ce qui permet de réduire les coûts.

Compatibilité de couplage
La possibilité de connecter des connecteurs de différentes familles est liée à la classe de connecteurs. Le tableau 2 répertorie un certain nombre d’accouplements de connecteurs interchangeables possibles. Les connecteurs 1.85 mm et 2.4 mm sont interchangeables, tout comme les connecteurs 2.92 mm et 3.5 mm. Les corps de connecteurs mâles 2.92 mm et 3.5 mm peuvent être raccordés aux connecteurs femelles SMA avec une réduction de la bande passante globale. En raison de la différence de classe de tolérance, il est déconseillé de raccorder un connecteur mâle SMA avec un connecteur femelle 2.92 mm ou 3.5. Les tolérances mécaniques plus larges du SMA peuvent endommager les broches du réceptacle des connecteurs de précision.

Puissance nominale du connecteur
Les fabricants n'évaluent pas la dissipation de puissance de leurs connecteurs car cette spécification dépend fortement des applications. Il varie en fonction de la fréquence, du VSWR du système, de la température, de l'altitude et des impédances de charge. En général, la gestion de la puissance varie directement en fonction de la taille du connecteur et de la capacité de dissipation thermique. La dissipation de puissance maximale diminue avec la fréquence.

Le connecteur avec la meilleure capacité de gestion de l'alimentation est le connecteur N, capable de gérer les watts (W) 300 et 400. Les connecteurs BNC et SMA suivraient dans l'ordre. Les connecteurs de précision sont limités aux 10 de Watts. Encore une fois, si un fonctionnement à haute puissance est requis, il est important de contacter le fabricant pour obtenir des spécifications de dissipation de puissance plus précises.

Utilisation du connecteur
Avant d'utiliser un connecteur, il est important de l'inspecter afin de détecter d'éventuels dommages tels que des particules métalliques, des conducteurs centraux courbés ou des coques externes écrasées ou déformées (Figure 3). Tout dommage doit être réparé ou le connecteur endommagé doit être remplacé. Les connecteurs doivent être propres, sans saleté ni autres contaminants. Les corps du connecteur doivent s’emboîter facilement, sans coincement ni coincement. Ne forcez pas l'accouplement du connecteur; Si un problème survient, inspectez à nouveau le connecteur pour déterminer la source.

Lorsque vous raccordez un connecteur fileté, ne tournez que la coque extérieure et non le corps du connecteur ou le câble. La rotation du corps du connecteur peut endommager les conducteurs centraux. Une fois que la virole extérieure est serrée à la main, utilisez une clé dynamométrique calibrée pour atteindre le couple de verrouillage spécifié conformément aux instructions du fabricant.

Figure 3: (à gauche) Exemple de connecteur SMA avec saleté et limaille de métal accumulées sur le diélectrique (à droite) du même connecteur après nettoyage avec un coton-tige et de l'alcool isopropylique. 

Maintenance du connecteur
Les connecteurs doivent rester propres. La meilleure façon de garantir cela est d'utiliser des capuchons de protection sur les connecteurs lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Si un connecteur est contaminé par de la saleté, il convient de le nettoyer. Les connecteurs avec des diélectriques solides peuvent être nettoyés avec un coton-tige non pelucheux imbibé d'alcool isopropylique. Veillez à éviter de plier les broches du conducteur central. Il est recommandé de nettoyer également les fils, internes et externes, sur les connecteurs filetés. N'utilisez pas un tampon sur les connecteurs qui utilisent un diélectrique à air, car les billes diélectriques qui maintiennent les éléments en place peuvent être endommagées par les solvants. Ils peuvent être nettoyés avec de l'air comprimé sec.

Sélection des connecteurs coaxiaux
La sélection d'un connecteur coaxial commence par la bande passante requise pour traiter les signaux utilisés, suivie par les considérations de taille et de configuration mécanique (fiche, prise, soudure, montage sur panneau, etc.). Par exemple, considérons le connecteur de sortie pour un générateur de signal 1 GHz. Comme il s'agit d'une source de signal de test et de mesure, le connecteur BNC est un choix courant. La bande passante du BNC est supérieure à celle du 1 GHz et est disponible en tant que prise montée sur panneau. 

Lorsque vous sélectionnez un connecteur pour un signal de fréquence supérieur à 10 GHz, envisagez un connecteur SMA. Ce choix peut être déterminé par le compromis entre la bande passante et le coût. Le connecteur 2.9 mm a une largeur de bande supérieure à deux fois celle du SMA, mais cet avantage de bande passante est presque trois fois plus élevé.

Conclusion
Cet article a examiné la gamme de connecteurs coaxiaux RF résumant leurs principaux attributs. Il représente un bon point de départ pour les concepteurs dans la sélection d'un connecteur adapté à leur conception. Comme montré, l'examen minutieux des exigences d'ingénierie est important lors de la sélection d'un connecteur coaxial RF apparemment simple. 

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