shadow png

Выбираем радиочастотный соединитель

Для правильного выбора радиочастотного соединителя необходимо знать его основные характеристики и особенности применения. Выбор таких важных параметров соединителя как диапазон рабочих частот, рабочее напряжение, напряжения пробоя и короны, средняя и пиковая мощности, герметичность по зарубежным и отечественным каталогам представляет известные трудности. Нередко же информация об этих параметрах в каталогах вообще не приведена. Цель данной статьи — дать информацию об этих параметрах при выборе необходимого радиочастотного соединителя.

Основные характеристики радиочастотных соединителей

  1. Волновое сопротивление (импеданс), принятое равным 50 Ом в технике СВЧ. В телевизионной технике принят стандарт волнового сопротивления 75 Ом (в данной статье не рассматривается).
  2. Диапазон рабочих частот.
  3. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВн, WSWR) и величина потерь (Insert Loss, IL) в диапазоне рабочих частот.
  4. Экранное затухание (RF Leakage) на заданной частоте (обычно на частоте 2-3 ГГц).
  5. Напряжения: рабочее, пробоя и короны.
  6. Конструктивные особенности: вилка или розетка, прямая или угловая, способ монтажа на кабель или в изделие, типы применяемого радиочастотного кабеля и др.
  7. Габаритные размеры и масса, используемые материалы и покрытия.
  8. Гарантированное количество соединений и рассоединений вилки и розетки.
  9. Герметичность.
  10. Стойкость к внешним воздействующим факторам.

Рассмотрим характеристики, которые вызывают трудности при выборе соединителя.

Диапазон рабочих частот и КСВн

Диапазон рабочих частот — это диапазон, ограниченный верхней и нижней частотами, в пределах которого электрические параметры соединителя конкретного типа удовлетворяют требованиям технических условий на этот соединитель. В сущности, радиочастотный соединитель можно использовать на любых частотах, начиная с постоянного тока. Однако на высоких частотах, наряду с основной TEM (Т) — волной, в нем могут возбуждаться нежелательные волны высших порядков. Поэтому диапазон рабочих частот соединителя ограничивают верхней частотой применения (maximum operating frequency, maximum rated operating frequency, operating frequency, useable upper frequency). Эту частоту нельзя путать с теоретической предельной частотой (критической частотой) коаксиальной линии соединителя. Коаксиальную линию передачи соединителя рассчитывают таким образом, чтобы в ней распространялась только основная поперечная TEM волна (Transversal Electro and Magnetic Field). TEM — волна имеет наибольшую критическую длину (соответственно наименьшую критическую частоту) и является основным типом волн в рассматриваемой коаксиальной линии передачи. Теоретическую предельную частоту коаксиальной линии соединителя, полностью заполненной твердым диэлектриком или воздухом, рассчитывают по формуле [1, 2]:

fпред(ГГц) ≅ 190,85 / √ε(D+d), где D и d — наружный и внутренний диаметры коаксиальной линии (мм), ε — диэлектрическая постоянная изолятора линии.

Эту частоту называют также критической частотой или частотой среза (cut-off frequency).

Теоретическая предельная частота соединителей, наиболее широко применяемых в технике СВЧ, приведена в таблице 1.

Таблица 1. Теоретическая предельная частота соединителей

7 mm, N SMA 3.5 mm SMP(GPO) 2.92 mm 2.4 mm
18 27 38,8 40 46,5 56,5

При проектировании предельную частоту соединителя с коаксиальной линией, частично заполненной диэлектриком, центральный проводник которого закреплен в опорной диэлектрической шайбе, рассчитывают с использованием компьютерной программы Microwave Studio или аналогичных программ с последующей экспериментальной проверкой.

При превышении предельной частоты, а также при наличии неоднородностей в коаксиальной линии и изменения вследствие этого волнового сопротивления, в ней, наряду с основной волной, возникают дисперсные волны высших порядков: электрические Е и магнитные Н [1, 2]. Причиной возникновения дисперсных волн являются: отклонение диаметров проводников коаксиальной линии от расчетных значений, наличие областей перехода от твердого диэлектрика к воздушному диэлектрику (особенно, в области опорной диэлектрической шайбы), недостаточно высокое качество поверхностей и покрытий проводников линии. Появление высших типов волн в диапазоне СВЧ нежелательно, так как они нарушают нормальный режим работы коаксиальной линии. Вследствие интерференции основной и высших типов волн в линии возникают паразитные резонансы, на частотах которых создается режим стоячей волны. В результате этого происходят искажение и ослабление передаваемого СВЧ — сигнала. Эти резонансы непредсказуемы и могут инициироваться при малейшей асимметрии, эксцентриситете и других неоднородностях коаксиальной линии. Поэтому для соединителей, применяемых в технике СВЧ, верхняя частота применения, указанная в спецификациях на эти соединители, составляет (70 — 90) % от их теоретической предельной частоты.

Верхняя частота применения зарубежных соединителей в соответствии со спецификациями компаний — производителей приведена на рис.1 [3].

Рис.1. Верхняя частота применения зарубежных соединителей

Частота, ГГц
1 2 3 4 8 12,4 15 18 26,5 30 40 50
V
H
V
U
H
F
L S C X KU K Kа

Соединители Верхняя частота применения
BNC
4



7/16
7,5



SMB, SMC
10



TNC
11



N
11



N прецизионный
18


SMA, BMA(OSP), 7 mm
18


SMA с расширенным частотным диапазоном
26,5 — 27

3.5 mm
34

SSMA,
36

SMP, 2.92 mm
40
2.4 mm
50

В технических условиях отечественных соединителей принято указывать рабочий диапазон частот соединителя и максимальную величину КСВН в этом или более узком диапазоне частот. Параметр верхняя частота применения, как правило, отсутствует. В большинстве случаев не приводится также величина потерь в соединителях.

В каталогах зарубежных компаний приведены усредненные параметры для всех модификаций соединителя данного типа. И здесь возможны ошибки при выборе конкретного соединителя. Верхняя частота применения, приведенная в каталогах, относится только к возможностям его коаксиальной линии. Например, в каталогах большинства компаний указано, что верхняя частота применения соединителей SMA — 18 ГГц. Компания Huber + Suhner, одна из немногих, отмечает, что это лишь interface frequency max.- максимальная частота интерфейса соединителя. Реальная верхняя частота применения и основные электрические параметры соединителя SMA и всех других соединителей зависят от многих факторов: конструкции соединителя и его назначения, способа крепления наружного и внутреннего проводников, типа радиочастотного кабеля и способа его монтажа в соединитель, условий применения.

В качестве примера в таблице 2 приведены параметры соединителя SMA различных модификаций (данные компании Tyco Electronics [4]).

Таблица 2. Электрические параметры соединителей SMA разных типов (1)

Тип соединителя Марка кабеля Верхняя частота
применения, ГГц
КСВн (3) Потери, дБ(3)

Кабельный, прямой, розетка и вилка. Монтаж кабеля пайкой

Полужесткий RG-405 (0,085″) 18 1,05+0,005 f 0,03√f
RG-402 (0,141″) Microporous
RG-401 (0,250″) 18 1,07+0,007 f
Гибкий RG-174,188,316 (2) 1,15+0,01 f 0,06√f
RG-55, 58, 141, 142, 223, 303, 400

Кабельный, прямой, розетка и вилка. Монтаж кабеля прижимом (clamp)

RG-405 12,4 1,10+0,015 f 0,03√f
RG-402 1,07+0,01 f
RG-55, 58, 141, 142, 223, 400 (2) 1,10+0,005 f 0,06√f
RG-174, 188, 316 1,15+0,01 f 0,06√f

Кабельный, прямой, розетка и вилка. Монтаж кабеля обжимом (crimp)

RG-55, 142, 223, 400, 58, 141, 303 (2) 1,10+0,005 f 0,06√f
RG-174, 188, 316 1,15+0,01 f

Кабельный, угловой, вилка. Монтаж кабеля пайкой

RG-405 (0,085″) 18 1,18+0,015 f 0,04√f
RG-402 (0,141″) 1,10+0,01 f 0,05√f
RG-55, 58, 141, 142, 223, 303, 400 (2) 1,15+0,01 f 0,07√f
RG-174, 188, 316 1,15+0,02 f

Кабельный, угловой, вилка. Монтаж кабеля обжимом

RG-58, 141, 303 (2) 1,15+0,02 f 0,07√f
RG-174, 188, 316 1,18+0,02 f
RG-178, 196 1,25+0,025 f

Кабельный, угловой, вилка. Монтаж кабеля прижимом

RG-55, 58, 141, 142, 223, 303 (2) 1,10+0,005 f 0,08√f
RG-174, 188, 316 1,15+0,01 f

Фланцевый соединитель панельный и проходной, вилка и розетка, c разными способами крепления внутреннего и наружного проводников

Без крепления 18 1,03+0,004 f 0,03√f
Эпоксидное крепление 1,05+0,005 f
Механическое крепление 1,04+0,004 f 0,04√f
Герметичный соединитель, заменяемый в полевых условиях 1,04+0,006 f
Прямая проходная розетка, вывод энергии
18 1,07+0,01 f 0,04√f
Угловая фланцевая розетка, вывод энергии
18 1,07+0,015 f 0,08√f
Прямой вывод энергии, для поверхностного монтажа на печатную плату
18 1,05+0,005 f 0,03√f
Угловой вывод энергии, для поверхностного монтажа на печатную плату
12,4 1,15+0,015 f 0,03√f
Концевой вывод энергии, для поверхностного монтажа на печатную плату
18 1,07+0,015 f 0,08 √f

Примечания:

  1. Приведенные в таблице параметры являются типовыми и могут отличаться от параметров конкретного соединителя.
  2. Верхняя частота применения кабельных соединителей, в которые монтируют гибкие радиочастотные кабели, определяется максимальной частотой применения этих кабелей.
  3. f — частота, ГГц.

Для угловых соединителей имеет значение точность конструктивной реализации области поворота. В этой области волновое сопротивление может отличаться от 50 Ом, что приводит к увеличению КСВн. Для обеспечения требуемого импеданса изогнутого коаксиального тракта необходимо ужесточать требования к точности изготовления угловых соединителей, поэтому их стоимость существенно возрастает.

Таким образом, чтобы определить параметры, особенности конструкции и применения конкретного соединителя необходимо детально изучить его спецификацию (data sheet). К сожалению, и в спецификациях зачастую отсутствуют необходимые данные. В этом случае необходимую информацию можно получить только по запросу в компанию-изготовитель или же самим произвести экспериментальные измерения недостающих параметров.

Рабочее напряжение, напряжение пробоя, напряжения возникновения коронного разряда и высокочастотного пробоя

При выборе соединителя необходимо учитывать приведённые в спецификации действующие (эффективные) напряжения: рабочее, низкочастотного, высокочастотного пробоев и коронного разряда (короны) [5-10]. Пренебрежение этими данными может привести к нежелательным и, зачастую, к непредсказуемым последствиям, особенно при применении соединителей в устройствах высокого напряжения и мощности, а также работающих в условиях пониженного давления окружающей среды [11]. Понимание влияния этих напряжений на надежность работы соединителей вызывает определенные трудности. Между тем, в каталогах выпускаемых соединителей многих компаний отсутствуют величины напряжений пробоя и короны. Если же такие данные приведены, то к ним следует относиться с осторожностью. Данные разных компаний для соединителя одного типа отличаются в разы. К тому же не всегда понятно, о каком напряжении идет речь: о напряжении постоянного тока или о действующем напряжении переменного тока.

В таблице 3 представлены обобщенные значения этих напряжений по данным ведущих зарубежных компаний: Tyco Electronics, Emerson Network Power/Johnson Components, Huber+Suhner, Radiall, Amphenol.

Таблица 3. Рабочее напряжение, напряжения низкочастотного, высокочастотного пробоев и коронного разряда для соединителей разных типов

Тип cоединителя Действующее напряжение, В:
Рабочее, на частоте 50 Гц,
на уровне моря / на высоте 70000ft(1)
Пробоя, частота 50 Гц,
на уровне моря / на высоте 70000ft(1)
Короны,
на высоте 70000ft(1)
Высокочастотного пробоя
на уровне моря, частота 5 МГц
7 — 16 1400 — 2500 / — 2700 — 4000 / 350 4000
BNC 500 / 125 1500 / 375 375 1000
TNC 335 — 500 / 125 1500 / 750 375 700 — 1000
N 250 — 1000 / 65-250 1000 — 2500 / 350 — 600 190 — 500 500 — 1500
SMA (18 ГГц) 170 — 500 /65 — 125 500 — 1000 / 125 — 375 125 — 375 335 — 1000
SMA (26,5ГГц) 170 / 45 500 125 335
SSMA 250 / 65 750 / 150 500
QMA 250 — 500 /65 — 125 750 — 1500 / — 190 — 250 500 — 670
SMB, SMC 250 — 335 /60 — 85 750 — 1000 / 185 — 250 250 — 350 500 — 700
MCX 170 — 335 / 42 — 85 750 — 1000 190 — 250 500 — 700
MMCX 170 / — 500 190 400
SMP 335 / 65 500 190 325
3.5 мм 220- 500 / 85 — 125 750 — 1000 500
2.92 мм 335 — 500 / 85 — 125 1000 — 1500 250 — 375 670 — 1000
Примечание(1): 70 000 ft = 21336 м, давление на этой высоте равно 35,6 мм рт. ст.

Таблица 4. Напряжения: рабочее, низкочастотного и высокочастотного пробоев и коронного разряда кабельных соединителей SMA

Марки кабеля Максимальное действующее напряжение, В
Низкочастотного пробоя Коронного разряда Высокочастотного пробоя Низкочастотного пробоя кабеля
RG405 (0,085″) 1000 250 670 1500
RG402 (0,141″), 1500 375 1000 1900
RG401 (0,250″) 3000
RG-174 750 190 500 1500
RG-188,316 1200
RG-55, 58, 141, 142, 223, 303 1000 250 670 1900
RG-178,196 500 125 335 1000

Действующее рабочее напряжение, Working Voltage (Vrms или Volts RMS), где RMS (Root Mean Square) — среднеквадратичное значение напряжения за период. Действующее рабочее напряжение — это максимальное напряжение, которое выдерживает соединитель без повреждения в течение срока службы. Этот параметр является очень важным при выборе соединителя.

Напряжение пробоя U пр. (Dielectric Withstanding Voltage) — минимальное напряжение, приводящее к пробою диэлектрика, который тестируют по появлению тока утечки. Пробой сопровождается необратимым разрушением диэлектрика. Приведенные в таблице 4 значения напряжений пробоя кабельных соединителей приблизительно в 2 раза меньше допустимых напряжений низкочастотного пробоя соответствующих им кабелей.

Тестирование соединителей, кабелей и кабельных сборок на устойчивость к низкочастотному напряжению осуществляют методом повышения напряжения до величины, при которой в диэлектрике возникает ток утечки определенного значения (Dielectric Withstanding Voltage Test).

Напряжение короны

Коронный разряд (Corona Level, Corona Extinction Voltage, VRMC min.) или корона — это форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородном поле. Коpонный разряд предшествует высокочастотному пробою диэлектрика и считается неполным пробоем. Приведенные в таблицах 3 и 4 напряжения короны соединителей более, чем в 2,5 раза меньше напряжений высокочастотного пробоя. Корона возникает вследствие ионизации воздуха в соединителях, в конструкции которых имеются воздушные промежутки (зазоры, полости). Главной особенностью этого разряда является то, что он происходит вблизи внутреннего проводника коаксиальной линии соединителя, где напряженность поля максимальна [5, 6]. При достижении напряжённости поля определенного значения вокруг внутреннего проводника соединителя возникает голубое свечение, имеющее вид короны. Как правило, коронный разряд происходит при напряжении более низком, чем напряжения высокочастотного пробоя отдельно диэлектрика и отдельно воздуха.

Так как соединители испытывают в сочлененном состоянии пары вилка и розетка, при испытаниях увидеть это свечение не представляется возможным.

Электрический и тепловой пробой диэлектрика соединителя

Если коаксиальная линия заполнена диэлектриком, но не принято специальных мер к удалению воздушных включений, разряд начинается в тонкой воздушной пленке на границе между диэлектриком и внутренним проводником. Воздушные зазоры увеличивают вероятность пробоев и снижают допустимую пропускаемую мощность в ε2 раз. Эффективным средством уменьшения зазоров является заполнение пространства между наружным и внутренним проводниками коаксиальной линии соединителя материалом изолятора способом литья под давлением. При этом одновременно повышается прочность конструкции соединителя. Такие соединители выпускают некоторые зарубежные компании. В качестве примера на рис. 2 показан составной адаптер вилка — розетка RPC-N 05S121-K00S3 компании Rosenberger [12].

Адаптер RPC-N 05S121-K00S3 компании Rosenberger

Рис.2. Адаптер RPC-N 05S121-K00S3 компании Rosenberger. Изолятор из материала PPE (голубого цвета), вмонтирован в металлическую оправу литьем под давлением.

Адаптер собирается из трех частей практически без зазоров по внешнему и внутреннему проводникам. Диэлектрик PPE (полифениленэфир) — термостойкий аморфный полимер с максимальной рабочей температурой 150°С. КСВн адаптера менее 1,1 в диапазоне частот (0...18) ГГц, рабочее напряжение 1000 В, напряжение высокочастотного пробоя 2500 В.

Пробой твердых диэлектриков может быть электрическим и тепловым (Thermal Breakdown) [5, 6, 10]. При электрическом пробое в диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока. Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:

  • Слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения.
  • Перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя происходит скачкообразное возрастание тока.
  • В случае неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (проявляется краевой эффект).
Угловой соединитель

Рис.3. Угловой соединитель с отверстиями для выхода воздуха компании Micro Coax

Тепловой пробой соединителя имеет место при больших диэлектрических потерях, а также при плохом теплоотводе от диэлектрика и состоит в следующем. В твердых диэлектриках, обладающих конечными потерями, электрическое поле вызывает их разогрев. Особенно опасно неоднородное электрическое поле, так как оно приводит к появлению области с максимальной напряженностью и уменьшению «активной» площади поверхности электродов. Это вызывает интенсивный местный разогрев и даже оплавление диэлектрика в наиболее критичных местах конструкции соединителя, где температура превышает предельно допустимую.

Пробивное напряжение диэлектрика снижается при повышении температуры окружающей среды и при увеличении длительности приложенного напряжения.

При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем, в связи с дополнительным нагревом диэлектрика, наступает его тепловой пробой. Аналогичный переход электрической формы пробоя в тепловую происходит и в зависимости от времени выдержки твердого диэлектрика под напряжением.

Мультипакторный и высокочастотный пробои

При выборе соединителя необходимо учитывать возможность возникновения мультипакторного и высокочастотного пробоев в воздушных зазорах между проводниками его коаксиальной линии [6, 8-10].

Мультипакторный разряд (Multipaction Breakdown) (вторично-эмиссионный микроволновый разряд в вакууме) возникает в результате развития электронной лавины, вызванной вторичной электронной эмиссией с поверхности проводников соединителя, бомбардируемых электронами, ускоренными в СВЧ-поле. В результате этого в поверхностном слое диэлектрика на границе с проводниками соединителя возникают большие градиенты температуры, приводящие к его разрушению.

При давлении менее 10-5 мм рт.ст. средняя длина свободного пробега электронов больше расстояния между внутренним и наружным проводниками коаксиальной линии соединителя. Допустимую пропускаемую мощность соединителя в этом случае ограничивает мультипакторный пробой. При более высоком давлении этот пробой не может происходить, и определяющим является высокочастотный пробой.

Так, компания Gore & Associates отмечает, что в соединителе типа SMA с полувоздушной коаксиальной линией (f — частота, ГГц, δ — расстояние между проводниками, мм):

  • при соотношении f x δ < 0,7 доминирует мультипакторный пробой,
  • при f x δ > 2 — высокочастотный пробой,
  • при 2 < f x δ < 0,7 ГГц∙мм возможны оба вида пробоев [6].
Максимальные действующие напряжения короны, высокочастотного и низкочастотного пробоев

Рис.4 . Максимальные действующие напряжения короны, высокочастотного и низкочастотного пробоев, а также рабочее напряжение на уровне моря и на высоте 21,3 км для соединителей типов N, SMA, 2,92 мм и SMP

Для радиочастотных соединителей, по-видимому, наиболее опасен высокочастотный пробой. Высокочастотный газовый разряд происходит при давлениях несколько миллиметров ртутного столба при уровне проходящей мощности, зависящем от конструкции коаксиальной линии соединителя. Для устранения высокочастотного пробоя в корпусах соединителей космического применения делают одно или несколько отверстий для выхода воздуха. Такие соединители разработаны несколькими зарубежными компаниями. Компания Micro Coax (США) разработала угловые кабельные соединители SD904414 и SD904171 с несколькими отверстиями для выхода воздуха (vent hole) [13]. Внешний вид соединителя SD904414 показан на рис.3. Он имеет следующие параметры: диапазон рабочих частот0...18) ГГц, минимальные напряжения: низкочастотного пробоя 1500 В, короны 375 В (на высоте 21336 м), высокочастотного пробоя 1000 В, диапазон рабочих температур (‒100...+150)°С. Аналогичные соединители выпускает и швейцарская компания Huber + Suhner.

На рис.4 приведена обобщенная гистограмма, иллюстрирующая максимальные рабочее напряжение на уровне моря и на высоте 21,3 км, напряжения короны на высоте 21,3 км, ВЧ-пробоя на уровне моря, частота 5 МГц и НЧ-пробоя на уровне моря, частота 50 Гц для соединителей типов N, SMA, 2.92 мм и SMP.

Соединители N, SMA (отечественные аналоги — соединители с типом соединения III и IX по ГОСТ РВ 51914-2002) — наиболее широко применяются в отечественных разработках. Соединитель 2,92-мм — это, по сути, усовершенствованный SMA с расширенным частотным диапазоном. По сравнению с SMA, коаксиальная линия которого полностью заполнена диэлектриком, соединитель 2,92 мм имеет полувоздушную линию с опорной диэлектрической шайбой, и поэтому напряжение его низкочастотного пробоя больше в 1,5 раза. Соединитель SMP — сравнительно новый микроминиатюрный соединитель, получивший признание отечественных разработчиков микроэлектронной аппаратуры СВЧ, в том числе и аэрокосмического назначения.

Средняя и пиковая пропускаемая мощность соединителя

Средняя (Average Power) и пиковая (Peek Power) допустимые пропускаемые мощности являются характеристиками соединителей, определяющими их надежность и надежность устройств, в которые соединители установлены. Эти параметры особенно важны для соединителей типов HN, 7-16, SC, которые применяют в мощных военных радарах и спутниковом оборудовании [11].

Средняя мощность определяется конструкцией соединителя, размерами его коаксиальной линии, термическими свойствами применяемых материалов и зависит от частоты, температуры и давления окружающей среды. Снижение средней мощности происходит в том случае, если количество тепла, выделяемого в соединителе за счет резистивных и диэлектрических потерь, превышает количество тепла, отводимого в окружающую среду путем теплопроводности, конвекции и излучения.

В результате повышения температуры диэлектрика происходит его нагрев вплоть до расплавления. Как следствие, создаются условия для термоэлектрического пробоя в соединителе[5], приводящие к необратимому выходу соединителя из строя.

Таким образом, средняя пропускаемая мощность ограничивается максимально допустимой температурой нагрева проводников (в основном внутреннего проводника) и диэлектрика соединителя и представляет собой мощность теплового пробоя, уменьшенную на коэффициент запаса.

Допустимая температура нагрева фторопластового диэлектрика в кабельных сборках повышенной мощности — не более 200°С, а опорных диэлектрических шайб из иных диэлектриков — не более 90°С.

Компании Astrolab удалось повысить допустимую мощность соединителей SMA, применив для изготовления его изолятора диэлектрик Fluoroloy H (разработан компанией Saint Gobain Corp.) [8]. Fluoroloy H представляет собой композицию фторопласта и керамики. Его теплопроводность в 5 раз больше, чем у фторопласта (1,21 и 0,24 Вт/м°C соответственно), рабочий диапазон температур (-269...+316)°C. Благодаря его применению допустимая пропускаемая мощность возросла на 20% по сравнению со стандартными соединителями SMA. В конструкцию коаксиальной линии этого соединителя были внесены коррективы, с учетом того, что диэлектрическая проницаемость Fluoroloy H больше, чем у фторопласта (2,44 и 2,05 соответственно).

Средняя пропускаемая мощность обратно пропорциональна √f, где f Уменьшение средней мощности с ростом частоты в √f раз обусловлено тем, что резистивные потери в соединителе с ростом частоты также возрастают в √f раз (с учетом скин-эффекта) и существенно больше диэлектрических потерь в изоляторе соединителя, зависящих от частоты в прямой пропорциональности. Поэтому графические зависимости средней мощности соединителей разных типов от частоты, построенные в двойных логарифмических координатах, являются прямыми линиями. Такие зависимости представлены в каталогах нескольких зарубежных компаний. Однако данные разных компаний существенно отличаются.

На рис.5 показана частотная зависимость средней пропускаемой мощности радиочастотных соединителей разных типов [14].

Частотная зависимость

Рис.5. Частотная зависимость средней пропускаемой мощности радиочастотных соединителей разных типов

Достоверность данных, приведенных на рис.5, для соединителей типов N и SMA подтверждена проверкой на предприятии НПП «Спецкабель» [15].

Средняя мощность соединителя должна быть больше допустимой средней мощности монтируемого в него кабеля. В технических условиях на отечественные кабельные соединители величину допустимой средней мощности не приводят, но указывают, что она определяется допустимой мощностью кабеля, монтируемого в соединитель. Для коаксиально-микрополосковых переходов и адаптеров считается, что пропускаемая мощность должна быть больше мощности ответных к ним соединителей.

Максимальная пиковая (пробивная) мощность Pпр. соединителя определяется напряжением пробоя Uпр. между внутренним и наружным проводниками его коаксиальной линии и волновым сопротивлением линии Zо [2]: Pпр. = Uпр2 /2Zо.

Пиковая мощность соединителя зависит от КСВн, от вида модуляции сигнала, температуры и давления окружающей среды. При увеличении передаваемой мощности возрастает напряженность электрического поля. Но увеличение напряженности поля возможно только до определенного значения. При достижении предельной (пробивной) напряженности происходит пробой изоляции (воздуха или диэлектрического заполнения) соединителя. Кроме того, отраженные волны в реальном соединителе могут привести к электрическому или тепловому пробою при мощности, существенно меньшей предельной мощности. Поэтому допустимую передаваемую мощность соединителя принимают равной (0,2 — 0,3) Pпр. [2] и определяют эмпирически с учетом ожидаемого уровня согласования в линии передачи и неоднородностей в коаксиальной линии, зависящих от технологии изготовления соединителей.

Герметичность радиочастотного соединителя

Требование герметичности предъявляют только к приборным соединителям герметизированных изделий микроэлектроники. В общем случае, герметичность соединителя — это его непроницаемость для газов и жидкостей. Абсолютная герметичность недостижима и неконтролируема, поэтому следует рассматривать лишь степень герметичности. Степень герметичности характеризуется величиной скорости натекания гелия, измеряемой гелиевым течеискателем [16]. В технических условиях ВРО.364.049 на герметичные коаксиально — микрополосковые переходы СРГ-50-751ФВ, СРГ-50-876 ФВ и СРГ-50-876 ФВМ требование герметичности сформулировано так: «Переход должен быть герметичным при давлении 10-6 мм.рт.ст. со стороны присоединительной части. Утечка газа не допускается». Однако такая формулировка некорректна: переход должен быть герметичным при любом давлении со стороны присоединительной части. Вопрос в том, какова скорость его натекания. Наиболее опасно натекание влаги в герметизированное изделие микроэлектроники [17]. Скорость натекания Q (м3.Па/с) через негерметичный соединитель определяют по формуле: Q = V (P2 — P1)/t, где V — внутренний объем герметизированного корпуса, P1и P2 — парциальные давления паров воды внутри и снаружи корпуса, t — время.

Молекулы воды могут проникать в корпус изделия, даже если в нем будет избыточное давление заполняющего корпус азота или инертного газа. Допустимая скорость натекания тем меньше, чем меньше объем корпуса. Допустимыми считаются следующие скорости натекания для изделий разного объема: 10-10 м3·Па/с (объем 0,1...0,4 дм3), 10-7 — 10-8 м3·Па/с (объем 0,5... 5 дм3) [17].

В спецификациях на зарубежные герметичные соединители приведена скорость натекания гелия не более 1×10-8 cc/s (1,3×10-9 м3·Па/с).

По нашему мнению, скорость натекания герметичных соединителей, применяемых в герметизированных изделиях электроники с большим сроком службы, должна быть не более (1,3×10-9 — 1,3×10-11) м3·Па/с. Такую степень герметичности имеют только соединители, герметичность которых обеспечивается металлостеклянным спаем.

Соединители, герметичность, которых не регламентирована техническими условиями, не следует применять в герметичных изделиях микроэлектроники СВЧ.

Градации радиочастотных соединителей

Выбор соединителя в значительной степени зависит от назначения устройства, в котором он будет применен. За рубежом выпускают соединители следующих градаций:

  • коммерческие (Commercial);
  • индустриальные (Industrial);
  • высокой надежности (High Reliable);
  • аэрокосмического назначения (Space).

В чем разница между ними? Прежде всего в гарантиях качества соединителя, которые дает производитель. Самый высокий уровень качества гарантируется при использовании соединителей Space [18]. Эти соединители изготовитель подвергают обширным, длительным, дорогостоящим испытаниям, поэтому они могут быть значительно дороже соединителей низших градаций. Коммерческие и индустриальные соединители значительно дешевле, и их несравнимо быстрее и легче приобретать, так как не требуется большое число разрешительных документов. Хотя они имеют аналогичные электрические параметры, но для их изготовления использованы более дешевые материалы (латунь вместо нержавеющей стали) и покрытия (никель, «белая бронза» вместо золота и серебра). Однако производитель не дает гарантий надежного применения этих соединителей в аппаратуре специального назначения. Фактическое качество таких соединителей может быть очень высоким, если они изготовлены ведущими мировыми компаниями: Tyco Electronics, Huber+Suhner, Radiall, Amphenol, Telegartner и др. Но может быть как высоким, так и низким, если произведены малоизвестными компаниями. В последнем случае потребитель будет вынужден убедиться в этом сам, и для этого ему придется самому выполнить обширные, дорогостоящие испытания [18]. Таким образом, при выборе радиочастотного соединителя придется лавировать между его ценой и качеством. Однако, для бортовой аппаратуры со сроком действия 10 и более лет альтернативы соединителям градации Space нет [18].

Заключение

Радиочастотный соединитель выполняет свои функции ввода/вывода сигналов только в сочетании с их источником, кабелем и нагрузкой. Поэтому при выборе соединителя надо исходить из параметров всей этой линии передачи. Все основные параметры соединителя определяются не только его конструкцией и качеством изготовления, но и параметрами кабеля и качеством монтажа кабеля в соединитель. Особое значение при выборе соединителя повышенной мощности для аэрокосмических и телекоммуникационных систем необходимо обратить на такие параметры, как допустимая пропускаемая мощность, рабочее напряжение, напряжения пробоя и короны. Для применения в герметичных изделиях следует выбирать только соединители, герметизированные металлостеклянным спаем. От правильного выбора зависит надежность не только самого соединителя, но и всего устройства, в котором он применен.

Литература

  1. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Том 1. Техника сверхвысоких частот. М. — Л.: Госэнергоиздат, 1961.
  2. Е.В. Андронов, Г.Н. Глазов. Теоретический аппарат измерений на СВЧ.
  3. www.amphenolrf.com
  4. RF Coaxial solutions for communications. Catalog 130719, Revised 10-00 Tyco Electronics.
  5. Райцын Д.Г. Электрическая прочность СВЧ устройств. Советское радио, 1977.
  6. Gore spaceflight microwave cable assemblies catalog (www.gore.com).
  7. RF Interconnect Products. Technology guide for power calculation (www.radiall.com).
  8. Multipaction and Ionization Breakdown (www.astrolab.com).
  9. А.С. Сахаров, В.А. Иванов, М.Е. Коныжев. Мультипакторный разряд на диэлектрике при различных углах наклона электромагнитного СВЧ-поля относительно поверхности диэлектрика. Прикладная физика, 2012, № 6, с. 99-106.
  10. Rudy Fuks. High Power SMA-compatible Connectors. Microwave Journal, 1996, № 9.
  11. Space Grade Requirements for Electrical Connectors (документ NASA).
  12. www.rosenberger.com
  13. www.microcoax.com
  14. Connector Power Handling vs Frequency (www.ar-worldwide.com).
  15. spetskabel.ru
  16. Левина Л. Е. Техника вакуумных испытаний, 2 изд., М. — Л., 1963.
  17. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств. — М.: Высшая школа,1990.
  18. В. Полишкаров. Как обеспечить долголетие российских спутников. Глонасс вестник, 2013, № 2 (12), с. 44-51.

Данный материал авторов К.Б. Джуринского (НПП «Исток») и А.А.Прокимова (НПП «Спецкабель») опубликован в журнале «Компоненты и технологии» № 7, 2014.