優(yōu)化在極端環(huán)境中工作的射頻設計

作者：Art Pini

在一個越來越依賴無線連接的世界里，海洋 GPS、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能農業(yè)和無人駕駛飛行器等應用系統(tǒng)的設計人員需要確保射頻元件能夠在極端環(huán)境條件下可靠運行。這些元件面臨的挑戰(zhàn)包括振動、灰塵、高濕、水濺或濺到其他液體以及鹽霧。雖然系統(tǒng)的設計必須能夠承受這些惡劣的條件，但射頻互連是關鍵所在，因為需要同軸連接在設備之間或設備與天線之間傳輸射頻信號。設計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，同時滿足不斷提高的性能和連接密度要求。

本文先簡要討論了極端環(huán)境設計所面臨的挑戰(zhàn)，然后介紹了 [Amphenol RF] 的幾款射頻適配器、連接器和電纜組件。并說明了這些元件如何幫助防止潮濕、灰塵、振動和腐蝕，以及其密封的外殼在適合高密度封裝的同時如何以緊湊的連接器體實現(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，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品的環(huán)境中使用射頻設備的應用實例（圖 1）。

圖 1：帶有采用邊緣網(wǎng)關通信的遠程無線和有線傳感器的 IIoT 系統(tǒng)概念圖；整個系統(tǒng)使用射頻連接器。（圖片來源：Art Pini）

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

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

[]圖 2：符合 IEC 60529 標準的防塵、防水等級。（圖片來源：Amphenol RF）

適用于極端環(huán)境的連接器應具有 67 或 68 級 IP 防護等級。IP67 防護等級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 30 分鐘。

IP67 級同軸連接器

Amphenol RF 提供各種 IP 級防塵、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 插孔的實例，用于穿板安裝，防護等級為 IP67（圖 3）。

圖 3：RF 901-10746-EE 穿板插孔的防護等級為 IP67，即防水、防塵、防鹽水腐蝕。（圖片來源：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，相當于 -18 分貝 (dB) 的回波損耗，介質擊穿額定值為 1000 伏 RMS (Vrms)。其工作溫度范圍為 -65°C 至 +165°C。組裝過程首先是將中心導體焊接到連接器引腳上。將插針和電纜插入連接器，同時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 鹽霧標準，即 5% 鹽溶液重復 720 小時。鹽霧暴露后，要驗證電鍍完整性，并重新測試連接器的射頻性能，包括接觸電阻和回波損耗。

中心導體觸點采用鍍金鈹銅，插入特氟龍介質中。組裝好電纜和套圈后，在未接合狀態(tài)下即可達到 IP67 級要求。

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 防護等級。

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。它通過在插孔螺紋體上使用螺紋套圈實現(xiàn)與插孔的連接。與 901-10746-EE 一樣，該插頭的防護等級為 IP67，設計配套使用 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 和耐腐蝕標準。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 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，同時還節(jié)省了用于 IIoT 和類似系統(tǒng)的小型機柜的空間。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 機柜的空間，實現(xiàn)緊密轉彎而不會彎曲電纜。（圖片來源：Amphenol RF）

AD-TNCJTNCJ-EE 的防護等級為 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 18 GHz。VSWR 在 0 至 11 GHz 之間為 1.2:1（相當于 -21 dB 的回波損耗），在 11 至 18 GHz 之間為 1.3:1（相當于 -18 dB 的回波損耗）。穿板適配器允許電纜從安裝面板或門斷開，以便拆卸維修。

BNC 連接器與 TNC 相似，主要區(qū)別在于鎖定機構。BNC 是一種快速連接/斷開連接器，插口一側有兩個卡口接片，與插頭組件上的插槽相嚙合，扭轉四分之一圈即可將它們鎖定在一起。此外，它們還具有 IP67 級入侵防護等級和抗鹽霧腐蝕性能。

[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）是一個插孔到插孔穿板適配器，也是一個 50 Ω 連接器，最大頻率為 12 GHz。其 VSWR 從直流到 4 GHz 為 1.30:1（相當于 -18 分貝的回波損耗），從 4 GHz 到 12 GHz 小于 1.45:1（相當于 -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/斷開嚙合。（圖片來源：Amphenol RF）

結語

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