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, представляет известные трудности при поиске по зарубежным и отечественным каталогам. Нередко же сведения об этих параметрах в каталогах вообще не приведены. Цель данной статьи - предоставить информацию об этих параметрах при подборе нужного радиочастотного 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 данный соединитель. В сущности, радиочастотный соединитель можно использовать на любых частотах, начиная с постоянного тока. Однако на высоких частотах наряду с основной TEM-волной (Т) в нем могут возбуждаться нежелательные волны высших порядков. А потому 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 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.
При проектировании предельную час-тоту соединителя с коаксиальной линией, частично заполненной диэлектриком, центральный проводник которого закреплен в опорной диэлектрической шайбе, рассчитывают с помощью компьютерной программы Microwave Studio или аналогичных программ с последующей экспериментальной проверкой.
При превышении предельной частоты, а также при наличии неоднородностей в коаксиальной линии и изменении вследствие этого волнового сопротивления, в ней наряду с основной волной возникают дисперсные волны высших порядков: электрические и магнитные. 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 СВЧ-диапазоне нежелательно, так как они нарушают нормальный режим работы коаксиальной линии. Вследствие интерференции основной и волн высших типов 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, используемых в технике СВЧ, верхняя частота применения, указанная в спецификациях на такие соединители, составляет 70–90% от их теоретической предельной частоты.
В технических условиях на отечественные соединители принято указывать рабочий диапазон частот соединителя и максимальную величину КСВн в этом или более узком диапазоне частот. Верхняя частота применения, а также величина потерь в соединителях, как правило, не приводятся в технических условиях.
В каталогах зарубежных компаний представлены 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.
Напряжения: рабочее, пробоя и короны
При выборе соединителя необходимо учитывать приведенные в спецификации действующие (эффективные) напряжения: рабочее, низкочастотного (НЧ), высокочастотного (ВЧ) пробоев и коронного разряда (короны). Пренебрежение этими данными может привести к нежелательным и зачастую непредсказуемым последствиям, особенно при применении соединителей в устройствах высокого напряжения и мощности, а также работающих в условиях пониженного давления окружающей среды. Понимание влияния этих напряжений на надежность работы соединителей вызывает определенные трудности, тем более что в каталогах многих компаний отсутствуют значения напряжений пробоя и короны выпускаемых ими соединителей. Если же такие данные приведены, то к ним следует относиться с осторожностью. Сведения разных компаний для соединителя одного типа отличаются в несколько раз. К тому же не всегда понятно, о каком напряжении идет речь: о напряжении постоянного тока или о действующем напряжении переменного тока.
Рабочее напряжение
Действующее рабочее напряжение (Working Voltage, Vrms,Volts RMS) - это максимальное напряжение, которое выдерживает соединитель без повреждения в течение срока службы. Данный параметр очень важен при выборе соединителя. RMS (Root Mean Square) - среднеквадратичное значение напряжения за период.
Напряжение пробоя
Напряжение пробоя (Dielectric With-standing Voltage) - минимальное напряжение, приводящее к пробою диэлектрика, который тестируют по появлению тока утечки. Пробой сопровождается необратимым разрушением диэлектрика. Тестирование соединителей, кабелей и кабельных сборок на устойчивость к низкочастотному пробою 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), или корона - это форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородном поле. Коpонный разряд предшествует высокочастотному пробою диэлектрика и считается неполным пробоем. 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. При достижении напряженности 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.
Поскольку соединители тестируют 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 литьем 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. Адаптер собирается из трех элементов 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). 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).
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.
Мультипакторный (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 пробой не может происходить, и определяющим является высокочастотный пробой.
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) создала угловые кабельные соединители SD 904414 и SD 904171 с несколькими отверстиями для выхода воздуха (vent hole). Он имеет следующие параметры: диапазон рабочих частот 0-18 ГГц, минимальные напряжения: низкочастотного пробоя 1500 В, короны 375 В (на высоте 21 336 м), высокочастотного пробоя 1000 В, диапазон рабочих температур от -100 до +150 °С. Аналогичные соединители выпускает и швейцарская компания Huber+Suhner.
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 СВЧ-аппаратуры, 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, применяющихся в мощных военных радарах и спутниковом оборудовании.
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, 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.). Fluoroloy H является композицией фторопласта и керамики. Его теплопроводность в пять раз больше, чем у фторопласта (1,21 и 0,24 Вт/м °C соответственно), рабочий диапазон температур от -269 до +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 vf, где f - частота. Уменьшение средней мощности с ростом частоты в vf раз обусловлено тем, что резистивные потери в соединителе с ростом частоты также возрастают в vf 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 различаются.
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.
Пиковая мощность соединителя зависит от КСВн, от вида модуляции сигнала (прежде всего от скважности радиоимпульсов), 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) Рпр 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, которая характеризуется величиной скорости натекания гелия, измеряемой гелиевым течеискателем. В технических условиях ВРО.364.049 на герметичные коаксиально-микрополосковые переходы СРГ-50-751 ФВ, 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.
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);
- инструментальные (Instrumental);
- 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. Эти соединители изготовители подвергают обширным, длительным, дорогостоящим испытаниям, вот почему они существенно 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 и низким, если произведены малоизвестными компаниями. В последнем случае потребитель будет вынужден убедиться в этом сам, для чего ему придется самому выполнить длительные дорогостоящие испытания. Таким образом, при выборе радиочастотного соединителя приходится лавировать между его ценой и качеством. Однако для бортовой аппаратуры со сроком действия 10 и более лет альтернативы соединителям градации Space нет.
Заключение
Радиочастотный соединитель выполняет свои функции ввода/вывода сигналов только в сочетании с их источником, кабелем и нагрузкой. А потому при выборе соединителя надо исходить из параметров всей этой линии передачи. Все основные параметры кабельного соединителя определяются не только его конструкцией и качеством изготовления, но и параметрами кабеля и качеством монтажа кабеля в соединитель. Особое внимание 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 соединители, герметизированные металлостеклянным спаем. От правильного выбора зависит надежность не только самого соединителя, но и всего устройства, в котором он применен.