優(yōu)化在極端環(huán)境中工作的射頻設(shè)計(jì)

作者：Art Pini

在一個(gè)越來(lái)越依賴無(wú)線連接的世界里，海洋 GPS、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)和無(wú)人駕駛飛行器等應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要確保射頻元件能夠在極端環(huán)境條件下可靠運(yùn)行。這些元件面臨的挑戰(zhàn)包括振動(dòng)、灰塵、高濕、水濺或?yàn)R到其他液體以及鹽霧。雖然系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須能夠承受這些惡劣的條件，但射頻互連是關(guān)鍵所在，因?yàn)樾枰S連接在設(shè)備之間或設(shè)備與天線之間傳輸射頻信號(hào)。設(shè)計(jì)人員需要確保他們使用的連接器和電纜能夠很好地完成任務(wù)，同時(shí)滿足不斷提高的性能和連接密度要求。

本文先簡(jiǎn)要討論了極端環(huán)境設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)，然后介紹了 [Amphenol RF] 的幾款射頻適配器、連接器和電纜組件。并說(shuō)明了這些元件如何幫助防止潮濕、灰塵、振動(dòng)和腐蝕，以及其密封的外殼在適合高密度封裝的同時(shí)如何以緊湊的連接器體實(shí)現(xiàn)了出色的射頻性能。

極端環(huán)境

從工廠車間到石油鉆井平臺(tái)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 就是在可能包括高濕、蒸汽、噴灑或液體飛濺、灰塵或鹽水等腐蝕性化學(xué)品的環(huán)境中使用射頻設(shè)備的應(yīng)用實(shí)例（圖 1）。

圖 1：帶有采用邊緣網(wǎng)關(guān)通信的遠(yuǎn)程無(wú)線和有線傳感器的 IIoT 系統(tǒng)概念圖；整個(gè)系統(tǒng)使用射頻連接器。（圖片來(lái)源：Art Pini）

IIoT 利用智能傳感器、執(zhí)行器、機(jī)器人和類似設(shè)備來(lái)改進(jìn)制造工藝。這些設(shè)備會(huì)聯(lián)網(wǎng)，提供數(shù)據(jù)收集、交換、分析和控制功能。多臺(tái)機(jī)器和系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)有助于提高工業(yè)流程的效率和可靠性。

在設(shè)計(jì)此類設(shè)備時(shí)，必須考慮到環(huán)境因素。極端環(huán)境要求設(shè)備密封，任何端口都必須防腐、防漏。金屬外殼需要外置天線。設(shè)備外部的傳感器和與其他設(shè)備的信號(hào)互連也需要連接器。天線或信號(hào)電纜的同軸連接器必須使用外殼和墊圈進(jìn)行密封，以符合這些暴露耐受性要求。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IEC 60529 采用入侵防護(hù) (IP) 等級(jí)來(lái)定義任何特定連接器所提供的保護(hù)程度。IP 等級(jí)由字母 IP 和兩位數(shù)字組成。第一個(gè)數(shù)字表示防止灰塵和固體顆粒進(jìn)入的防護(hù)等級(jí)。第二個(gè)數(shù)字表示防水等級(jí)。IP 等級(jí)的定義從無(wú)保護(hù)到完全保護(hù)不等，數(shù)字越大表示保護(hù)越強(qiáng)（圖 2）。

[]圖 2：符合 IEC 60529 標(biāo)準(zhǔn)的防塵、防水等級(jí)。（圖片來(lái)源：Amphenol RF）

適用于極端環(huán)境的連接器應(yīng)具有 67 或 68 級(jí) IP 防護(hù)等級(jí)。IP67 防護(hù)等級(jí)表明其具有防塵密封和防水功能，包括在最深 1 米的水下完全浸沒(méi) 30 分鐘。

IP67 級(jí)同軸連接器

Amphenol RF 提供各種 IP 級(jí)防塵、防水 SMA、BNC 和 TNC 型同軸連接器。[901-10746-EE] 型是用于 RG-58 電纜的 SMA 插孔的實(shí)例，用于穿板安裝，防護(hù)等級(jí)為 IP67（圖 3）。

圖 3：RF 901-10746-EE 穿板插孔的防護(hù)等級(jí)為 IP67，即防水、防塵、防鹽水腐蝕。（圖片來(lái)源：Amphenol RF）

該 SMA 母頭連接器的電氣特征包括適合 RG-58 同軸電纜的 50 歐姆 (Ω) 標(biāo)稱阻抗。其工作頻率范圍為直流至 6 千兆赫 (GHz)，最大電壓駐波比 (VSWR) 為 1.30:1，相當(dāng)于 -18 分貝 (dB) 的回波損耗，介質(zhì)擊穿額定值為 1000 伏 RMS (Vrms)。其工作溫度范圍為 -65°C 至 +165°C。組裝過(guò)程首先是將中心導(dǎo)體焊接到連接器引腳上。將插針和電纜插入連接器，同時(shí)將編織層套在滾花面上。然后將套圈壓接在編織層上。O 形墊圈則將連接器基體與安裝面板密封在一起。

連接器基體為黃銅，套圈為銅，兩者都鍍有耐腐蝕的錫鎳合金。鍍層符合 MIL-STD-202 方法 101 鹽霧標(biāo)準(zhǔn)，即 5% 鹽溶液重復(fù) 720 小時(shí)。鹽霧暴露后，要驗(yàn)證電鍍完整性，并重新測(cè)試連接器的射頻性能，包括接觸電阻和回波損耗。

中心導(dǎo)體觸點(diǎn)采用鍍金鈹銅，插入特氟龍介質(zhì)中。組裝好電纜和套圈后，在未接合狀態(tài)下即可達(dá)到 IP67 級(jí)要求。

連接器用不銹鋼五金安裝在面板上，并用硅橡膠密封墊密封，以確保其物理完整性和 IP67 防護(hù)等級(jí)。

配套的 SMA 插頭是 Amphenol RF 的 [901-9876-RFX-EE]。這種直插式線裝 SMA 插頭的材料成分和電鍍層與穿板插孔相同，工作溫度范圍也相同。它通過(guò)在插孔螺紋體上使用螺紋套圈實(shí)現(xiàn)與插孔的連接。與 901-10746-EE 一樣，該插頭的防護(hù)等級(jí)為 IP67，設(shè)計(jì)配套使用 RG-58 電纜。其工作頻率范圍為直流到 12.4 GHz。

這些適用于極端環(huán)境的射頻連接器還提供 BNC 和 TNC 類型。TNC 連接器是 BNC 連接器的螺紋版。螺紋連接器在擰緊到規(guī)定扭矩時(shí)具有抗振性。[031-6501-EE]（圖 4，左）是一種 TNC 直角插頭，與 SMA 連接器使用相同的材料，符合相同的 IP67 和耐腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。其額定工作溫度范圍為 -40°C 至 85°C。在電氣方面，其特性阻抗為 50 Ω，工作頻率范圍高達(dá) 6 GHz。直角連接器消除了電纜彎曲的需要，最大限度地降低了同軸電纜受損的幾率，同時(shí)還節(jié)省了用于 IIoT 和類似系統(tǒng)的小型機(jī)柜的空間。031-6501-EE 可與 [AD-TNCJTNCJ-EE] 等配套穿板適配器相匹配（圖 4，右）。

圖 4：直角 031-6501-EE TNC 插頭和 AD-TNCJTNCJ-EE TNC 穿板適配器可節(jié)省緊湊的 IIoT 機(jī)柜的空間，實(shí)現(xiàn)緊密轉(zhuǎn)彎而不會(huì)彎曲電纜。（圖片來(lái)源：Amphenol RF）

AD-TNCJTNCJ-EE 的防護(hù)等級(jí)為 IP68，耐腐蝕，工作溫度范圍為 -65°C 至 +165°C。其特性阻抗為 50 Ω，工作頻率高達(dá) 18 GHz。VSWR 在 0 至 11 GHz 之間為 1.2:1（相當(dāng)于 -21 dB 的回波損耗），在 11 至 18 GHz 之間為 1.3:1（相當(dāng)于 -18 dB 的回波損耗）。穿板適配器允許電纜從安裝面板或門(mén)斷開(kāi)，以便拆卸維修。

BNC 連接器與 TNC 相似，主要區(qū)別在于鎖定機(jī)構(gòu)。BNC 是一種快速連接/斷開(kāi)連接器，插口一側(cè)有兩個(gè)卡口接片，與插頭組件上的插槽相嚙合，扭轉(zhuǎn)四分之一圈即可將它們鎖定在一起。此外，它們還具有 IP67 級(jí)入侵防護(hù)等級(jí)和抗鹽霧腐蝕性能。

[031-6924-EE]BNC 插頭（圖 5，左）的工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。其 50 Ω 特性阻抗與 RG-58 電纜兼容。其 VSWR 為 1.30:1（相當(dāng)于 -18 dB 的回波損耗），頻率范圍為直流至 6 GHz。

[AD-BNCJBNCJ-EE]配接插座（圖 5，右）是一個(gè)插孔到插孔穿板適配器，也是一個(gè) 50 Ω 連接器，最大頻率為 12 GHz。其 VSWR 從直流到 4 GHz 為 1.30:1（相當(dāng)于 -18 分貝的回波損耗），從 4 GHz 到 12 GHz 小于 1.45:1（相當(dāng)于 -15 分貝的回波損耗）。其工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。

圖 5：BNC 極端暴露連接器組件用于快速連接/斷開(kāi)嚙合。（圖片來(lái)源：Amphenol RF）

結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)無(wú)線設(shè)備時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮物理和電氣應(yīng)用要求，以確保產(chǎn)品的功能性和使用壽命。無(wú)線系統(tǒng)中使用的同軸射頻連接器的主要任務(wù)是保持信號(hào)的完整性，而不受周圍環(huán)境的影響。為此，選擇能夠承受振動(dòng)、液體侵入、灰塵和腐蝕的高可靠性連接器和適配器至關(guān)重要。Amphenol RF 極端暴露連接器非常適合在惡劣環(huán)境中工作的設(shè)計(jì)。