优化在极端环境中工作的射频设计

来源：DigiKey
作者：Art Pini

在一个越来越依赖无线连接的世界里，海洋 GPS、工业物联网、智能农业和无人驾驶飞行器等应用系统的设计人员需要确保射频元件能够在极端环境条件下可靠运行。这些元件面临的挑战包括振动、灰尘、高湿、水溅或溅到其他液体以及盐雾。虽然系统的设计必须能够承受这些恶劣的条件，但射频互连是关键所在，因为需要同轴连接在设备之间或设备与天线之间传输射频信号。设计人员需要确保他们使用的连接器和电缆能够很好地完成任务，同时满足不断提高的性能和连接密度要求。

本文先简要讨论了极端环境设计所面临的挑战，然后介绍了 Amphenol RF 的几款射频适配器、连接器和电缆组件。并说明了这些元件如何帮助防止潮湿、灰尘、振动和腐蚀，以及其密封的外壳在适合高密度封装的同时如何以紧凑的连接器体实现了出色的射频性能。

极端环境

从工厂车间到石油钻井平台，工业物联网 (IIoT) 就是在可能包括高湿、蒸汽、喷洒或液体飞溅、灰尘或盐水等腐蚀性化学品的环境中使用射频设备的应用实例（图 1）。


图 1：带有采用边缘网关通信的远程无线和有线传感器的 IIoT 系统概念图；整个系统使用射频连接器。（图片来源：Art Pini）

IIoT 利用智能传感器、执行器、机器人和类似设备来改进制造工艺。这些设备会联网，提供数据收集、交换、分析和控制功能。多台机器和系统共享数据有助于提高工业流程的效率和可靠性。

在设计此类设备时，必须考虑到环境因素。极端环境要求设备密封，任何端口都必须防腐、防漏。金属外壳需要外置天线。设备外部的传感器和与其他设备的信号互连也需要连接器。天线或信号电缆的同轴连接器必须使用外壳和垫圈进行密封，以符合这些暴露耐受性要求。行业标准 IEC 60529 采用入侵防护 (IP) 等级来定义任何特定连接器所提供的保护程度。IP 等级由字母 IP 和两位数字组成。第一个数字表示防止灰尘和固体颗粒进入的防护等级。第二个数字表示防水等级。IP 等级的定义从无保护到完全保护不等，数字越大表示保护越强（图 2）。


图 2：符合 IEC 60529 标准的防尘、防水等级。（图片来源：Amphenol RF）

适用于极端环境的连接器应具有 67 或 68 级 IP 防护等级。IP67 防护等级表明其具有防尘密封和防水功能，包括在最深 1 米的水下完全浸没 30 分钟。

IP67 级同轴连接器

Amphenol RF 提供各种 IP 级防尘、防水 SMA、BNC 和 TNC 型同轴连接器。901-10746-EE 型是用于 RG-58 电缆的 SMA 插孔的实例，用于穿板安装，防护等级为 IP67（图 3）。


图 3：RF 901-10746-EE 穿板插孔的防护等级为 IP67，即防水、防尘、防盐水腐蚀。（图片来源：Amphenol RF）

该 SMA 母头连接器的电气特征包括适合 RG-58 同轴电缆的 50 欧姆 (Ω) 标称阻抗。其工作频率范围为直流至 6 千兆赫 (GHz)，最大电压驻波比 (VSWR) 为 1.30:1，相当于 -18 分贝 (dB) 的回波损耗，介质击穿额定值为 1000 伏 RMS (Vrms)。其工作温度范围为 -65°C 至 +165°C。组装过程首先是将中心导体焊接到连接器引脚上。将插针和电缆插入连接器，同时将编织层套在滚花面上。然后将套圈压接在编织层上。O 形垫圈则将连接器基体与安装面板密封在一起。

连接器基体为黄铜，套圈为铜，两者都镀有耐腐蚀的锡镍合金。镀层符合 MIL-STD-202 方法 101 盐雾标准，即 5% 盐溶液重复 720 小时。盐雾暴露后，要验证电镀完整性，并重新测试连接器的射频性能，包括接触电阻和回波损耗。

中心导体触点采用镀金铍铜，插入特氟龙介质中。组装好电缆和套圈后，在未接合状态下即可达到 IP67 级要求。

连接器用不锈钢五金安装在面板上，并用硅橡胶密封垫密封，以确保其物理完整性和 IP67 防护等级。

配套的 SMA 插头是 Amphenol RF 的 901-9876-RFX-EE。这种直插式线装 SMA 插头的材料成分和电镀层与穿板插孔相同，工作温度范围也相同。它通过在插孔螺纹体上使用螺纹套圈实现与插孔的连接。与 901-10746-EE 一样，该插头的防护等级为 IP67，设计配套使用 RG-58 电缆。其工作频率范围为直流到 12.4 GHz。

这些适用于极端环境的射频连接器还提供 BNC 和 TNC 类型。TNC 连接器是 BNC 连接器的螺纹版。螺纹连接器在拧紧到规定扭矩时具有抗振性。031-6501-EE（图 4，左）是一种 TNC 直角插头，与 SMA 连接器使用相同的材料，符合相同的 IP67 和耐腐蚀标准。其额定工作温度范围为 -40°C 至 85°C。在电气方面，其特性阻抗为 50 Ω，工作频率范围高达 6 GHz。直角连接器消除了电缆弯曲的需要，最大限度地降低了同轴电缆受损的几率，同时还节省了用于 IIoT 和类似系统的小型机柜的空间。031-6501-EE 可与 AD-TNCJTNCJ-EE 等配套穿板适配器相匹配（图 4，右）。


图 4：直角 031-6501-EE TNC 插头和 AD-TNCJTNCJ-EE TNC 穿板适配器可节省紧凑的 IIoT 机柜的空间，实现紧密转弯而不会弯曲电缆。（图片来源：Amphenol RF）

AD-TNCJTNCJ-EE 的防护等级为 IP68，耐腐蚀，工作温度范围为 -65°C 至 +165°C。其特性阻抗为 50 Ω，工作频率高达 18 GHz。VSWR 在 0 至 11 GHz 之间为 1.2:1（相当于 -21 dB 的回波损耗），在 11 至 18 GHz 之间为 1.3:1（相当于 -18 dB 的回波损耗）。穿板适配器允许电缆从安装面板或门断开，以便拆卸维修。

BNC 连接器与 TNC 相似，主要区别在于锁定机构。BNC 是一种快速连接/断开连接器，插口一侧有两个卡口接片，与插头组件上的插槽相啮合，扭转四分之一圈即可将它们锁定在一起。此外，它们还具有 IP67 级入侵防护等级和抗盐雾腐蚀性能。

031-6924-EE BNC 插头（图 5，左）的工作温度范围为 -40°C 至 +85°C。其 50 Ω 特性阻抗与 RG-58 电缆兼容。其 VSWR 为 1.30:1（相当于 -18 dB 的回波损耗），频率范围为直流至 6 GHz。

AD-BNCJBNCJ-EE 配接插座（图 5，右）是一个插孔到插孔穿板适配器，也是一个 50 Ω 连接器，最大频率为 12 GHz。其 VSWR 从直流到 4 GHz 为 1.30:1（相当于 -18 分贝的回波损耗），从 4 GHz 到 12 GHz 小于 1.45:1（相当于 -15 分贝的回波损耗）。其工作温度范围为 -40°C 至 +85°C。


图 5：BNC 极端暴露连接器组件用于快速连接/断开啮合。（图片来源：Amphenol RF）

结语

在设计无线设备时，设计人员必须考虑物理和电气应用要求，以确保产品的功能性和使用寿命。无线系统中使用的同轴射频连接器的主要任务是保持信号的完整性，而不受周围环境的影响。为此，选择能够承受振动、液体侵入、灰尘和腐蚀的高可靠性连接器和适配器至关重要。Amphenol RF 极端暴露连接器非常适合在恶劣环境中工作的设计。