אופטימיזציה של תכני RF עבור פעולה בסביבות קיצוניות

בעולם התלוי יותר ויותר בחיבוריות אלחוטית, מתכנני מערכות עבור יישומים כגון GPS ימי, IoT תעשייתי, חקלאות חכמה וכלי טיס לא-מאוישים זקוקים לרכיבי RF היכולים לפעול בצורה מהימנה בתנאי סביבה קיצוניים. האתגרים שלהם כוללים רעידות, אבק, לחות גבוהה, חשיפה למים או נוזלים אחרים, ולתרסיסי מלח. למרות שהמערכת חייבת להיות מתוכננת לעמוד בתנאים הקשים הללו, דאגה מרכזית היא חיברורי RF, שבו חיבור קואקסיאלי מעביר אותות RF בין התקנים או בין התקן לאנטנה. המתכננים צריכים להיות בטוחים שהמחברים והכבלים שהם משתמשים בהם מתאימים היטב עבור המשימה, תוך שהם עומדים בדרישות ההולכות וגדלות של ביצועים וצפיפות חיבורים.

מאמר זה דן בקצרה באתגר של תכנון עבור סביבות קיצוניות לפני הצגת מתאמים, מחברים ומכללי כבלים עבור RF‏ מבית Amphenol RF‏. הוא מראה כיצד רכיבים אלה יכולים לסייע בהגנה מפני לחות, אבק, רעידות וקורוזיה, תוך איטום מארזים והקניית ביצועי RF מעולים בגופי מחברים קומפקטיים המתאימים לאריזה בצפיפות גבוהה.

סביבות קיצוניות

מרצפת המפעל ועד לאסדות נפט, האינטרנט התעשייתי של דברים (IIoT) הוא דוגמה ליישום המשתמש בהתקני RF בסביבה העשויה לכלול לחות גבוהה, קיטור, נוזלים מרוססים או ניתזים, אבק או כימיקלים קורוזיביים כמו מי מלח (איור 1).

איור 1‏: תרשים עקרוני של מערכת IIoT עם חיישנים מרוחקים אלחוטיים וחוטיים המתקשרים עם שער (Gateway‏) קצה ומספר מחברי RF המשמשים בה. (מקור התמונה: Art Pini)

IIoT משתמש בחיישנים חכמים, מפעילים, רובוטים והתקנים דומים כדי לשפר את תהליכי הייצור. התקנים אלה מחוברים לרשת, ומספקים איסוף, החלפה, ניתוח ובקרה של נתונים. שיתוף נתונים ממספר מכונות ומערכות מסייע בהפיכת תהליכים תעשייתיים ליעילים ואמינים יותר.

כאשר מתכננים התקנים כאלה, חייבים להתחשב בסביבה. סביבות קיצוניות דורשות שההתקן יהיה אטום, וכל נקודות-החיבור חייבות להיות עמידות בפני קורוזיה ודליפות. מארזים מתכתיים דורשים אנטנות חיצוניות. יש צורך במחברים גם עבור חיישנים חיצוניים להתקן וחיבורי אותות עם התקנים אחרים. מחברים קואקסיאליים עבור אנטנות או כבלי אותות חייבים להיות אטומים באמצעות הבתים והאטמים שלהם כדי לעמוד בדרישות טולרנס חשיפה אלו. תקן התעשייה IEC 60529 משתמש בדירוגי הגנת חדירות (IP) כדי להגדיר את מידת ההגנה שמספק כל מחבר נתון. דירוגי IP מורכבים מהאותיות IP ולאחריהן מספר דו-ספרתי. הספרה הראשונה מציינת את מידת ההגנה מפני חדירת אבק וחלקיקים מוצקים. הספרה השנייה מציינת את מידת ההגנה מפני חדירת מים. ההגדרות של דירוג ה-IP משתנות מהיעדר-הגנה ועד הגנה-מלאה, כאשר המספרים הגבוהים מצביעים על הגנה גדולה יותר (איור 2).

איור 2: דירוגי הגנת חדירות עבור אבק ומים לפי IEC 60529. (מקור התמונה: Amphenol RF‏)

מחברים המתאימים עבור חשיפה לסביבה קיצונית צריכים להיות בעלי דירוג IP של 67 או 68. דירוג IP67 מציין איטום מפני אבק ומים, כולל טבילה מלאה במים למשך 30 דקות בעומק של עד 1 מטר.

מחברים קואקסיאליים בדירוג IP67

Amphenol RF מציעה מגוון רחב של מחברים קואקסיאליים מסוג SMA, BNC ו-TNC אטומים לאבק ועמידים למים בדירוג IP. דגם ‎901-10746-EE‏ הוא דוגמה לשקע SMA עבור כבל RG-58 המיועד עבור הרכבת דופן (Bulkhead‏), והוא בעל דירוג IP67 (איור 3).

איור 3‏: שקע דופן (Bulkhead‏) ‎901-10746-EE‏ הוא בדירוג IP67‏, שמשמעותו חסין-מים, אטום לאבק וחסין קורוזיה ממי מלח. (מקור התמונה: Amphenol RF)

המאפיינים החשמליים של מחבר נקבה SMA זה כוללים אימפדנס נומינלי של 50 אוהם (Ω) עבור כבל קואקסיאלי RG-58. הוא פועל בתחום תדרים מ-DC עד 6 גיגה-הרץ (GHz) עם יחס גלים עומדים מתח (VSWR) מקסימלי של 1.30:1, המקביל להפסדי החזרה של -18 דציבלים (dB), ויש לו דירוג פריצת דיאלקטרי של 1,000‏ וולט RMS‏ (Vrms‏). תחום טמפרטורות הפעולה שלו הוא C‏°‏65‏- עד C‏°‏165‏+. תהליך ההרכבה מתחיל בהלחמת המוליך המרכזי לפין המחבר. הפין והכבל מוכנסים למחבר כאשר המקלעת היא מעל האזור המחורץ. בהמשך טבעת ההידוק (Ferrule‏) נלחצת מעל המקלעת. אטם טבעת-O‏ אוטם את גוף המחבר לפאנל ההרכבה.

גוף המחבר עשוי פליז, טבעת ההידוק עשויה נחושת, ולשניהם יש ציפוי סגסוגת בדיל-ניקל חסין-קורוזיה. הציפוי עומד בתקן תרסיס מלח 101 בשיטת MIL-STD-202 עבור תמיסת מלח 5% והתהליך חוזר על עצמו במשך 720 שעות. לאחר חשיפה לתרסיס מלח, תקינות הציפוי מאומתת, וביצועי ה-RF של המחבר, כולל התנגדות המגע והפסדי ההחזרה, נבדקים מחדש.

מגע המוליך המרכזי הוא בריליום-נחושת עם ציפוי זהב והוא מוכנס לתוך דיאלקטרי טפלון. הוא עומד בדרישות IP67 במצב לא-מחובר כאשר הוא מורכב עם הכבל וטבעת ההידוק.

המחבר מורכב על פאנל עם חומרה מפלב"ם ואטום עם אטם גומי סיליקון כדי להבטיח את שלמותו הפיזית ואת תאימות IP67.

תקע SMA התואם הוא ‎901-9876-RFX-EE‏ של Amphenol RF‏. תקע SMA מורכב-כבל בתוך-הקו זה הוא בעל אותו הרכב חומר וציפוי כמו שקע הדופן (Bulkhead‏) ופועל על פני אותו תחום טמפרטורות. הוא מתחבר עם השקע באמצעות טבעת הידוק (Ferrule‏) על גוף השקע עם תבריג. כמו ה-‎901-10746-EE‏, התקע הוא בדירוג IP67 ומתוכנן לעבוד עם כבלי RG-58. יש לו תחום תדרי פעולה מ-DC עד GHz‏ 12.4‏.

מחברי RF אלו עבור סביבות קיצוניות זמינים גם כסוגי BNC ו-TNC. מחבר TNC הוא גרסה עם תבריג של מחבר BNC. מחברים עם תבריג, כשהם מהודקים למומנט שבמפרט שלהם, הם חסיני רעידות. ה-‎031-6501-EE‏ (איור 4, שמאל) הוא תקע TNC בזווית ישרה משתמש באותם חומרים ועומד באותם תקני IP67 וחסינות מפני קורוזיה כמו מחברי SMA. הוא מדורג לפעולה בתחום טמפרטורות של C‏°‏40‏- עד 85°C+. מבחינה חשמלית, יש לו אימפדנס של Ω‏ 50‏ ותחום תדרי פעולה של עד 6 גיגה-הרץ. מחברים בזווית ישרה מבטלים את הצורך בכיפוף כבלים וממזערים את הסיכוי לנזק לכבל הקואקסיאלי תוך חיסכון במקום במארזים קטנים המשמשים ב-IIoT ובמערכות דומות. ניתן להתאים את ה-‎031-6501-EE‏ למתאם דופן (Bulkhead‏) תואם, כגון AD-TNCJTNCJ-EE‏ (איור 4, מימין).

איור 4‏: תקע TNC‏ ‎031-6501-EE‏ בזווית ישרה ומתאם דופן (Bulkhead‏) TNC‏ AD-TNCJTNCJ-EE‏ מאפשרים פניות הדוקות מבלי לכופף את הכבלים תוך חיסכון במקום במארזי IIoT‏. (מקור התמונה: Amphenol RF)

ה-AD-TNCJTNCJ-EE הוא בדירוג IP68, חסין מפני קורוזיה, ובעל תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏65‏- עד C‏°‏165‏+. האימפדנס האופייני שלו הוא Ω‏ 50‏, והוא פועל עד GHz‏ 18‏. ה-VSWR שלו הוא 1.2:1 (אקוויוולנטי להפסדי החזרה של dB‏ 21‏-) עבור תדרים שבין 0 עד 11 גיגה-הרץ, ו-1.3:1 (אקוויוולנטי להפסדי החזרה של dB‏ 18‏-) עבור תדרים שבין 11 עד 18 גיגה-הרץ. מתאמי דופן (Bulkhead‏) מאפשרים ניתוק כבלים מפאנל הרכבה או דלת כך שניתן להסירם בקלות לצורך שירות.

מחברי BNC הם כמו יחידות TNC, ונבדלים בעיקר במנגנון הנעילה. BNC הוא מחבר חיבור/ניתוק מהיר המשתמש בשני זיזי כידון בצד השקע המתחברים לחריצים במכלל התקע, ונועלים אותם יחד ברבע-סיבוב. הם גם מציעים הגנת חדירות IP67 וחסינות מפני קורוזיה עקב תרסיסי מלח.

לתקע BNC‏ ‎031-6924-EE‏ (איור 5, משמאל) יש תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד 85°C+. האימפדנס האופייני של Ω‏ 50‏ שלו תואם לכבל RG-58‏. יש לו VSWR של 1.30:1 (אקוויוולנטי להפסדי החזרה של dB‏ 18-‏) ותחום תדרים מ-DC עד GHz‏ 6‏.

שקע חיבור AD-BNCJBNCJ-EE‏ (איור 5‏, מימין) הוא מתאם דופן (Bulkhead‏) שקע-לשקע שהוא גם מחבר Ω‏ 50‏ עבור תדר מקסימלי של GHz‏ 12‏. ה-VSWR שלו הוא 1.30:1 (אקוויוולנטי להפסדי החזרה של dB‏ 18‏-) עבור תדרים שבין DC‏ עד 4 גיגה-הרץ, ופחות מ-1.45:1 (אקוויוולנטי להפסדי החזרה של dB‏ 15‏-) עבור תדרים שבין 4 עד 12 גיגה-הרץ. תחום טמפרטורות הפעולה שלו הוא C‏°‏40‏- עד 85°C‏+.

איור 5‏: רכיבי מחבר BNC‏ עבור חשיפה לתנאים קיצוניים משמשים עם חיבור/ניתוק מהירים. (מקור התמונה: Amphenol RF)

סיכום

בתכנון התקני אלחוט, המתכננים חייבים לשקול את דרישות היישום הפיזיות והחשמליות כדי להבטיח פונקציונליות ואורך חיים של המוצר. למחברי RF קואקסיאליים המשמשים במערכות אלחוט יש את המשימה העיקרית של שמירה על תקינות האותות ללא קשר לסביבה הסובבת. לשם כך, בחירת מחברים ומתאמים בעלי אמינות גבוהה היכולים לעמוד בפני רעידות, חדירת נוזלים, אבק וקורוזיה היא חיונית. מחברי Amphenol RF עבור חשיפה לתנאים קיצוניים הם אידיאליים עבור תכנים המיועדים לפעול בסביבות קשות.