Все радиочастотные соединители мира. Часть 1. Классификация зарубежных радиочастотных соединителей

Группы радиочастотных соединителей

Коаксиальный радиочастотный соединитель представляет собой устройство, обеспечивающее механическое и электрическое соединение радиочастотных кабелей между собой или с микрополосковой линией, а также внутриблочное и межблочное соединения частей устройства. Он является средством соединения и рассоединения линий передачи, компонентов и систем, работающих в микроволновом диапазоне частот. Соединитель представляет собой заполненную диэлектриком коаксиальную линию с волновым сопротивлением, зависящим от соотношения диаметров проводников линии и от диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Начиная с 1930-х годов и до настоящего времени зарубежные компании, прежде всего США, разработали более 50 серий и огромное количество модификаций радиочастотных соединителей, а также кабелей и кабельных сборок.

Так, например, компании Radiall и Rosen-berger производят по 49, Molex — 32, Huber+ Suhner — 24 серии соединителей. При этом каждая серия насчитывает несколько десятков и даже сотен модификаций соединителей (рис. 1). Компания Radiall выпускает около 6000, Huber+Suhner более 3000, Amphenol — свыше 1250 соединителей разных модификаций. Рассмотреть каждую из более чем 50 серий не представляется возможным. Поэтому ограничимся наиболее значимыми, по нашему мнению, сериями.

Рис. 1. Радиочастотные соединители и кабельные сборки

Радиочастотные соединители можно условно распределить по семи основным группам (табл. 1).

Соединители классифицируют по многим признакам: это конструктивное исполнение, способ соединения, назначение, предельная частота, способ монтажа радиочастотного кабеля, способ установки и некоторые другие показатели.

Существует множество конструктивных исполнений.

1. Соединители выпускают в виде вилки (male) и розетки (female). Законченная конструкция соединителя представляет собой сочетание пары: вилка и розетка. Принято считать, что вилка — часть пары, которая имеет штыревой центральный контакт (pin), а розетка — гнездовой контакт (socket). И это не вызывает сомнений в случае резьбового соединения розетки и вилки с присоединительной гайкой. Сложнее при соединении вилки и розетки защелкиванием: push-on, snap-on, slide-on. Некоторые специалисты придерживаются мнения, что и для этих соединителей вилка всегда со штыревым центральным контактом. Другие же считают, что вилка — это подвижная часть сочленяемой пары вилка-розетка, вне зависимости от того, гнездовой или штыревой у нее центральный контакт. Поэтому приборные вилки соединителей SMB, SSMB, MCX и MMCX нередко называют розетками, а кабельные розетки — вилками. На наш взгляд, правильнее считать вилкой подвижную часть пары, добавляя в название, с каким она — гнездовым или штыревым центральным контактом. Так, например, поступает американская компания Coaxicom. В этой статье мы будем придерживаться тех названий соединителей, которыми их представляют компании-производители.
2. Все соединители подразделяются на прямые (straight) и угловыe (right angle, elbow).
3. По назначению соединители подразделяют на кабельные, приборно-кабельные, приборные, выводы энергии и адаптеры. Кабельные соединители предназначены для соединения между собой двух кабелей и не имеют элементов крепления к панели. Приборно-кабельные соединители также выполняют функцию соединения кабелей, но при этом одна из частей соединителя (блочная) крепится к панели. Приборные соединители устанавливают непосредственно в изделие. Выводы энергии предназначены для передачи сигналов с плат на радиочастотные кабели. Особой группой являются коаксиально-микрополосковые (полосковые) переходы, с помощью которых осуществляют соединение коаксиальных кабелей с микрополосковыми (полосковыми) линиями. Адаптеры служат для соединения двух или более частей соединителей с одинаковыми или разными присоединительными размерами.

За рубежом принята подробная градация конструктивных исполнений (patterns) соединителей (табл. 2).

Способы соединения вилки и розетки

Резьбовое соединение

На корпусе розетки имеется резьба, а вилка снабжена присоединительной гайкой (рис. 2). Резьбовое соединение предпочтительно в случаях, когда высоки требования по устойчивости к воздействию внешней среды, ударным и вибрационным нагрузкам (военная, авиационная и космическая техника), а также для прецизионной измерительной аппаратуры. Соединители с резьбовым механизмом работают на частоте от 10 до 110 ГГц. Резьбовое соединение используют в соединителях серий SMC, 7/16, DIN 4.1/9.5, SK, N, PС3,5, SMA, TNC и многих других. К недостаткам резьбовых соединителей относятся невозможность быстрого соединения и рассоединения вилки и розетки, а также непригодность для использования в миниатюрных изделиях с плотной компоновкой.

Рис. 2. Резьбовое соединение вилки и розетки

В зарубежных резьбовых соединителях используется американская дюймовая резьба (стандарт ANSI B1.1-1982). Это обстоятельство осложняет применение зарубежных резьбовых соединителей в отечественных устройствах, в которых используют только метрическую резьбу, так как необходимы адаптеры для перехода с дюймовой на метрическую резьбу.

Следует также отметить, что прецизионные зарубежные соединители со значениями предельной рабочей частоты 50, 65 и 110 ГГц (2,4-, 1,85- и 1-мм соединители) имеют не дюймовую, а метрическую резьбу М7×0,75. В соединителях 7/16 также применена метрическая резьба М29×1,5.

Резьбовое соединение гарантирует не менее 500 циклов соединения и рассоединения вилки и розетки без ухудшения электрических параметров соединителей, если соблюдено требование о максимально допустимом моменте при закручивании (затягивании) присоединительной гайки на вилке. Величина момента зависит от типа соединителя и его материала (латунь, нержавеющая сталь). Для выполнения этого требования необходимо применять специальные тарированные ключи (torque wrench). Типы резьбы зарубежных соединителей и рекомендации по величине момента по данным компании Agilent приведены в таблице 3.

Байонетное соединение (bayonet)

На корпусе вилки имеются два штыря, которые входят в Г-образные прорези на корпусе розетки и при повороте вилки закрепляются в них (рис. 3).

Рис. 3. Байонетные соединители розетка и вилка

Это соединение позволяет исключительно быстро сочленять вилку с розеткой, но недостаточно надежно в условиях высоких вибрационных и ударных нагрузок.

Cоединение защелкиванием (snap-on, push-on)

Этот механизм соединения применяют в микроминиатюрных и субминиатюрных соединителях для устройств с высокой плотностью монтажа, особенно для многократного соединения и рассоединения печатных плат. Соединение snap-on наружных проводников вилки и розетки соединителя SMP показано на рис. 4.

Рис. 4. Соединение snap-on (соединитель SMP): а) полное (∅А = 2,9 мм) и ограниченное (∅А = 3,0 мм) защелкивание; б) скользящее соединение (∅А =3,1 мм)

Стыкуемая часть розетки представляет собой пружинный элемент с четырьмя или шестью ламелями, изготовленный из термически упрочненной бериллиевой бронзы. На внутренней поверхности вилки сделана канавка. При введении в вилку пружинящая часть розетки сжимается на гладкой поверхности ∅A и затем, распрямившись в канавке, защелкивается в ней. Надежное соединение возможно даже при радиальной и аксиальной несоосности вилки и розетки до 0,25 мм.

Разработаны соединители с одним из трех уровней защелкивания: полное (full detent, lock-on), ограниченное (limited detent) и скользящее соединение (slide-on, smooth bore). Полное защелкивание, или блокировка, используется в соединителях, работающих при повышенных вибрационных и ударных нагрузках. Для рассоединения вилки и розетки требуется специальный инструмент — экстрактор (decoupling tool). В варианте ограниченного защелкивания ∅А на 0,1 мм больше, чем в случае полного защелкивания. Поэтому стыкуемая часть розетки сжимается меньше, и происходит неполное защелкивание (рис. 4а). Рассоединить пару соединителей можно и без применения экстрактора. Скользящее соединение осуществляется за счет «распружинивания» вилки в розетке с гладкой (без канавки) внутренней поверхностью (рис. 4б). Типичное применение этого варианта — соединение и рассоединение печатных плат.

Соединение snap-on, реализованное в соединителях SMB, MMCX, SSMB, MCX и SMP, выполняется очень быстро и выдерживает несколько сотен циклов соединений и рассоединений.

Соединение quick-lock

Соединители quick-lock стали доступными пользователям в 2003 году. Серия таких соединителей была создана альянсом Quick Lock Formula (QLF Alliance), в который вошли известные компании: Huber+Suhner, Radiall, и Amphenol. Позже в этот альянс вступили и другие компании.

Механизм соединения quick-lock состоит из подпружиненного наружного проводника вилки, в котором блокируется наружный проводник (со специальным буртиком) розетки. Рассоединение происходит при отводе стопорной муфты на корпусе вилки (рис. 5).

Рис. 5. Конструкция вилки и розетки соединителя quick-lock

Применение в соединителях QMA и QN нового механизма соединения розетки и вилки позволило не только уменьшить размеры соединителей, но и по сравнению с резьбовыми аналогами в 10 раз сократить время соединения (менее 2 с) и устранить необходимость в тарированных ключах. При этом после соединения с розеткой вилка с заделанным в нее кабелем может поворачиваться на 360°.

Соединение quick-lock сочетает высокий уровень параметров, свойственный резьбовым соединителям, с возможностью простого и быстрого соединения и рассоединения механизма snap-on. Поэтому сейчас такие соединители широко применяются в устройствах военного и гражданского назначения.

Следует также отметить оригинальную систему самозащелкивающегося соединения push-pull, разработанную швейцарской фирмой Lemo. Соединение вилки и розетки происходит путем проталкивания штыря вилки в гнездо розетки. Надежность контакта обеспечивают две особенности соединения:

• Корректирующий стыковку вход на гнезде, который гарантирует соединение даже при большой несоосности вилки и розетки.
• Оригинальная конструкция вилки, которая изготовлена из металла с упругими свойствами.

Соединение slide-on (скользящее соединение)

Соединение slide-on применяют для устройств с высокой плотностью компоновки, где не нужна жесткая фиксация соединения, например для соединения дочерних и материнских кросс-плат. Этот механизм реализован в соединителях 1.0/2.3 и SMS.

Соединение blind mate

Соединители с механизмом blind mate (соединение «вслепую») созданы для работы в устройствах, требующих многократного быстрого соединения розетки и вилки при их значительной аксиальной и радиальной несоосности в момент стыковки. Этот механизм реализован в соединителях BMA, OSSP и OSP, применяемых в многовыводных линиях передачи с высокой плотностью компоновки. Для его реализации на внутренней поверхности стыкуемой части розетки смонтирован пружинный элемент, который удерживает вилку после стыковки пары соединителей. Несоосность розетки и вилки компенсируется соединением скольжением (slide-on) наружного проводника вилки с пружинным наружным контактом розетки (рис. 6). Допускается аксиальная и радиальная несоосности 0,38 и 0,2 мм соответственно.

Рис. 6. Интерфейс соединителя OSSP: а) розетка; б) вилка

Следует подчеркнуть, что сочетание соединителей, в которых использованы механизмы snap-on, quick-lock и blind mate, со стандартными резьбовыми соединителями невозможно без применения соответствующих адаптеров.

Способы монтажа в соединители радиочастотного кабеля

Выбирать зарубежный соединитель необходимо совместно с соответствующим ему радиочастотным кабелем. Гибкие, полужесткие и ультрагибкие кабели серийно производят многие зарубежные компании (Belden, Leoni, Huber+Suhner, Western Electric, Gore Microwave и др.). Зарубежные компании приводят параметры кабельных соединителей только для сочетания с определенным кабелем. Например, базовый соединитель SMA применяют с гибким кабелем на частоте до 12,4 ГГц, а с полужестким кабелем — до 18 ГГц. Соединители с предельной частотой выше 34 ГГц предназначены для работы с полужесткими кабелями.

Монтаж кабеля в соединитель производят следующими способами: пайкой (solder), прижимом — втулкой с гайкой (clamp) и обжимом с деформацией (crimp). Центральный проводник кабеля соединяют с внутренним контактом соединителя пайкой или обжимом. Наружный проводник гибкого кабеля монтируют в соединитель пайкой, прижимом или обжимом с деформацией.

Обжатие с деформацией: стандартный гексагональный обжим (hex. crimp) и обжим «0» (crimp), предложенные компанией АМР (ныне Tyco), обеспечивают надежность соединения и идентичность параметров кабельных сборок. Однако для его осуществления необходим набор специальных инструментов в зависимости от типа кабеля. Этим способом можно соединять и внутренние, и наружные проводники кабеля и соединителя.

Соединение clamp не столь надежно и воспроизводимо, как crimp, однако оно не требует специального инструмента и поэтому пригодно для полевых условий обслуживания устройств.

Для полужесткого кабеля наиболее надежно паяное соединение внутренних и наружных проводников.

Компании, выпускающие соединители, производят также разно-образные кабельные сборки (cable assemblies) — отрезки кабеля, концы которого заделаны в соединители одного или разных типов.

Ведущие компании — производители соединителей в своих каталогах приводят подробные инструкции по выбору и способу монтажа кабеля, а также предлагают набор инструментов для этого (рис. 7).

Рис. 7. Способы монтажа кабеля: а) обжим; б) прижим; в) пайка

Параметры соединителей

Соединители имеют следующие основные параметры:

• Волновое сопротивление (импеданс), принятое равным 50 Ом в микроэлектронике и 75 Ом — в телевизионной технике.
• Рабочий диапазон частот.
• Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR) в рабочем диапазоне частот.
• Величина высокочастотных потерь (Insert Loss, IL) в рабочем диапазоне частот.
• Экранное затухание (RF Leakage).
• Рабочее напряжение, напряжение пробоя, допустимая мощность.
• Сопротивление изоляции.
• Сопротивление внутреннего и наружного проводников соединителя.
• Гарантированное количество циклов соединения и рассоединения, усилия соединения и рассоединения.
• Диапазон рабочих температур окружающей среды.
• Тип применяемого радиочастотного кабеля и способ его монтажа в соединитель (для кабельных соединителей).
• Конструктивные особенности, способ установки соединителя в изделие и электрического соединения с высокочастотной схемой.
• Стойкость к внешним воздействующим факторам.

Общепринято подразделение соединителей по их предельной частоте — критической частоте, выше которой в коаксиальной линии соединителя возникают волны высших порядков, нарушающие нормальный режим ее работы.

На рис. 8 приведено распределение радиочастотных соединителей по их предельной частоте.

Рис. 8. Предельная частота зарубежных соединителей

В 1970–1980-х годах соединители уверенно заняли миллиметровый диапазон длин волн, достигнув предельной частоты 110 ГГц. Дальнейшее продвижение в область предельных частот, на наш взгляд, вряд ли возможно и целесообразно. Радиочастотные соединители на этих частотах, по-видимому, должны уступить место волноводным и микрополосковым выводам энергии.

Компании — производители радиочастотных соединителей

В настоящее время радиочастотные соединители разрабатывают и выпускают более ста компаний в Америке, Европе и Азии. Лидирующее положение занимают компании США. Наиболее известные компании в Европе — Radiall (Франция), Rosenberger (Германия), Huber+Suhner (Швейцария). Быстрыми темпами развивается производство радиочастотных соединителей в Юго-Восточной Азии. Только в Китае удалось насчитать более 25 компаний, выпускающих радиочастотные соединители. В таблице 4 приведены сайты 50 наиболее значимых, по нашему мнению, зарубежных компаний — производителей радиочастотных соединителей.

Изучение материалов сайтов зарубежных компаний позволяет получить полезную, порой неожиданную информацию о соединителях. Однако относиться к информации о технических параметрах соединителей, выпускаемых разными компаниями, нужно с осторожностью. Некоторые из них занижают уровень параметров. Так, известные своим высоким качеством компании Anoison, Telegartner и IMS, по нашему мнению, занижают уровень параметров выпускаемых ими соединителей SMP. Возможно, это объясняется тем, что соединители не являются приоритетным видом их продукции. Но нередки случаи, когда компании в целях рекламы искусственно завышают параметры соединителей. Поэтому при выборе зарубежного соединителя целесообразно оценивать его параметры по данным нескольких компаний.

Заключение

Мы живем в мире радиочастотных соединителей. Они являются необходимыми компонентами систем радио- и микроэлектроники. Без них невозможно создать системы связи и телекоммуникации, авиационную и авиакосмическую аппаратуру, медицинскую технику, системы управления транспортом и многое другое. В странах с развитой электроникой разработка и выпуск радиочастотных соединителей — это самостоятельная и приоритетная область техники. В России находит применение значительное количество зарубежных соединителей, так как по своим параметрам они превосходят отечественные серийно выпускаемые аналоги, а чаще их вообще не имеют. Становится все очевиднее, что без создания современной базы коаксиальных радиокомпонентов, включая, безусловно, радиочастотные соединители, невозможен технический прогресс в нашей стране.

В этой и последующих частях публикации отсутствует список использованной литературы: он был бы слишком велик (более 100 наименований). Статья написана на основе публикаций автора, отечественных и зарубежных специалистов, а также информации, приведенной в каталогах и на сайтах компаний.