Como otimizar as escolhas e a implementação de conectores de RF para aplicações militares

Os conectores e cabos coaxiais de RF são componentes comuns que desempenham um papel em grande parte invisível, mas altamente crítico em aplicações militares. O trabalho da montagem é transmitir sinais de RF — até frequências de dezenas de gigahertz (GHz) — de uma antena para um receptor. Ele deve lidar e manter de forma confiável a integridade dos sinais sensíveis de RF e, ao mesmo tempo, ser robusto o suficiente para suportar potencialmente os rigores do campo de batalha.

Há centenas de opções para o engenheiro que procura um conector RF, e pode ser tentador escolher o menos caro, partindo da premissa de que os conectores RF são mais ou menos os mesmos, uma vez que atendem a alguns requisitos básicos. Isso seria um erro. Muitos conectores RF não são construídos de acordo com especificações exigentes de engenharia, e a falha de uma peça mal projetada pode fazer com que hardware militar multimilionário fique fora de ação em um momento crítico. Isso torna vital que os componentes selecionados sejam construídos de acordo com os padrões internacionais aceitos.

Além das propriedades mecânicas, como durabilidade, resistência à umidade e à poeira, e propriedades elétricas, como impedância, faixa de frequência, relação de tensão da onda estacionária (VSWR), e resistência de isolamento, outros fatores podem definir ou acabar com o projeto. Por exemplo, em certas aplicações militares, tais como trilhos de lançamento de foguetes, superfícies internas de peças ópticas e aplicações de armas pequenas, a reflexão da luz de conectores padrões em aço inoxidável pode causar problemas operacionais.

Recorrer a um fabricante respeitável que demonstra que seus conectores RF são fabricados de acordo com especificações e padrões relevantes de desempenho militar, é um bom lugar para começar quando se procura um conector RF robusto e confiável.

Este artigo considera os principais critérios elétricos e mecânicos de seleção para conectores coaxiais de RF em aplicações militares. Ele fornece exemplos do mundo real da Amphenol SV Microwave e discute sua aplicação. É dada ênfase especial ao uso de um acabamento de alta qualidade, durável e não refletivo para aplicações de nicho usando conectores RF de cromo preto.

Cabos e conectores coaxiais de RF de alto desempenho

O segredo para garantir que os componentes RF estejam à altura dos rigores das aplicações militares é comprar componentes que estejam em conformidade com a especificação relevante de desempenho militar (MIL-PRF). Somente um grupo seleto de fabricantes pode fornecer conectores de RF com essa conformidade. Uma empresa que possui esta classificação é a Amphenol SV Microwave. A empresa oferece mais de 400 conectores RF que atendem a MIL-PRF M39012.

A MIL-PRF-39012 é o padrão principal para conectores RF. Ela exige testes visuais, mecânicos e elétricos em várias etapas de fabricação para garantir a conformidade. A especificação também exige que as instalações e processos de fabricação atendam aos padrões de qualidade. Os conectores e adaptadores coaxiais que atendem a MIL-PRF-39012 são bem adequados para aplicações militares (e outras de alta confiabilidade), incluindo radares, equipamentos de solo SATCOM e conjuntos de RF/microondas aeroespaciais.

Um critério chave dos conectores MIL-PRF-39012 é que o pino central deve ser metalizado a ouro até uma profundidade, qualidade de adesão e acabamento padronizados. A metalização de ouro nos contatos dominantes garante uma perda mínima de inserção e um bom contato elétrico por longos períodos em ambientes difíceis (Figura 1).

Figura 1: Um critério chave dos conectores MIL-PRF-39012 é que o pino central deve ser metalizado a ouro até uma profundidade, qualidade de adesão e acabamento padronizados. (Fonte da imagem: Amphenol)

Considerações sobre o projeto do cabo coaxial de RF

Ao projetar soluções coaxiais de RF para aplicações militares, é importante considerar o cabo e o conector como um sistema completo. O desempenho desse sistema é altamente dependente de dois componentes que trabalham em perfeita harmonia.

Um cabo coaxial típico compreende um núcleo de fio de cobre ou de aço revestido de cobre. O núcleo transporta os sinais de entrada/saída de alta frequência de/para o equipamento conectado. Um isolante dielétrico, muitas vezes feito de plástico, envolve o núcleo. O isolante tem uma espessura constante e garante que o vão entre o núcleo e a bainha metálica, que envolve o dielétrico, seja mantido constante. Isto é importante porque qualquer variação na espessura causa variação na impedância com um impacto subsequente na integridade do sinal.

A bainha metálica é feita de cobre entrelaçado, alumínio ou outros metais, e se envolve firmemente ao redor do isolante. Sua função é blindar o núcleo interno da interferência eletromagnética (EMI) externa. O conjunto é então embainhado em uma jaqueta de borracha ou plástico para isolar e proteger os condutores internos (Figura 2). Os cabos para uso ao ar livre precisam de isolamento extra e jaquetas especiais para proteger os fios do sol e da umidade.

O núcleo interno transmite o sinal de alta frequência enquanto a blindagem atua unicamente como uma linha de retorno. Um campo eletromagnético existe entre os dois condutores, mas não se estende além da bainha. Isto significa que o sinal de RF, que passa através do cabo, não afetará os equipamentos elétricos e eletrônicos próximos.

Figura 2: Um cabo coaxial é feito de quatro partes: o condutor interno, um dielétrico de plástico, condutor/bainha de retorno; e a jaqueta externa (preta) de borracha ou plástico. (Fonte da imagem: Amphenol)

Onde o isolante dielétrico toca o condutor central, ele absorve parte da energia elétrica. Para longos percursos de cabos, a atenuação do sinal pode ser significativa. Os cabos de alta eficiência utilizam espaçadores que fazem um contato mínimo com o condutor interno e formam um vão de ar consistente entre os condutores internos e externos, que atua como um dielétrico eficiente.

A importância da impedância

Em sistemas de RF de alta frequência, a eficiência da transmissão depende do casamento de impedância da antena com a do transmissor ou receptor.

Um descasamento significativo resulta em uma má eficácia da antena, porque interfere com a potência direta que passa e cria uma onda estacionária de tensão. Uma medida comum de quão bem a impedância é equalizada é a relação de tensão da onda estacionária (VSWR). Um VSWR de 1 indica que não há perda do descasamento de impedância, enquanto números mais altos indicam perdas crescentes. Por exemplo, um VSWR de 3,0 indica que cerca de 25% da potência do transmissor é perdida no sistema de antena.

O conector e o cabo de RF formam parte da impedância da antena, portanto é importante que o projetista conheça o valor da impedância dos componentes para maximizar a eficiência do sistema de RF. A impedância característica de um cabo coaxial é proporcional à relação entre o diâmetro externo do condutor interno e o diâmetro interno do condutor externo. A principal função do isolante dielétrico é definir e manter esta separação.

Na maioria dos casos, os fabricantes fornecem cabos de RF com impedâncias de 50, 75, ou 95 ohms (Ω), embora outras impedâncias estejam disponíveis. Além de uma gama de impedâncias fixas, os cabos são fornecidos com diferentes tipos dielétricos, capacitâncias, diâmetros externos, características de atenuação e materiais de blindagem.

As versões são geralmente classificadas sob dois sistemas, LMR (o significado das letras é histórico: o importante é saber que estes cabos são do tipo de baixa perda) e guia de rádio (RG). O tipo RG tem uma quantidade maior de opções, no entanto, nem todas elas atendem às especificações militares. Um fornecedor respeitável pode ajudar na seleção para aplicações militares.

Considerações sobre conectores coaxiais de RF

O conector coaxial de RF permite que o cabo seja firmemente fixado ao equipamento de rádio. Não importa quão bom seja o cabo, um conector mal montado prejudicará o desempenho elétrico. Um acoplamento mecanicamente seguro e eletricamente robusto entre cabo e conector garantirá uma boa integridade do sinal e uma impedância consistente, mesmo em altas frequências. Uma maneira de fornecer integridade é especificar o cabo e o conector juntos e tê-los entregues pelo fabricante como uma montagem completa. O fabricante está melhor equipado para garantir uma conexão de alta qualidade e também testará a integridade do conjunto antes da entrega.

Os conectores macho polarizados padrões têm roscas na parte interna da carcaça e um pino central, enquanto os conectores fêmea polarizados padrões têm roscas na parte interna da carcaça e nenhum pino central. Não é uma boa prática de projeto unir os cabos acoplando um macho com um conector fêmea, pois isto acrescentará à perda de sinal inerente do cabo. É melhor especificar um cabo contínuo para percursos longos, pois isso garantirá uma menor perda de sinal e uma impedância consistente. A maneira correta de conectar um conector macho a outro macho, ou um tipo fêmea a um tipo fêmea, é com um adaptador de cabo coaxial. Isto funcionará, mas em aplicações de alta especificação não é recomendado, pois também aumentará a perda de sinal.

Como os cabos, os conectores de RF vêm em vários tipos e com valores de impedância fixos. Um exemplo comum é a Versão Subminiatura A (SMA). Os conectores apresentam um robusto mecanismo de acoplamento tipo parafuso, têm uma impedância padrão de 50 Ω, e são projetados para uso desde CC (0 Hertz (Hz)) até 18 GHz. As aplicações incluem sistemas de microondas e rádios portáteis (Figura 3).

Figura 3: Os conectores SMA oferecem uma conexão parafusada, 50 Ω de impedância, e podem lidar com sinais de RF de até 18 GHz. (Fonte da imagem: Amphenol)

Outro tipo comum é a Versão Subminiatura B (SMB). Estes são menores que os SMAs e apresentam um design de acoplamento de encaixe. Eles estão disponíveis em impedâncias de 50 e 75 Ω e operam em até 4 GHz. Menos robustos que os produtos SMA, os conectores não são adequados para ambientes severos.

Outros tipos de conectores de RF incluem; tipo F, usado para aplicações como modems a cabo e TV a cabo; tipo N, usado para aplicações comerciais usando cabo grosso; FME, usado para dispositivos de comunicação celular; TNC, usado para aplicações celulares ao ar livre; e UHF, para rádio amador e marítimo.

O conector de RF fixado ao cabo coaxial de RF normalmente parafusa em um conector do tipo oposto fixado a um anteparo, ou diretamente ao equipamento que recebe ou envia o sinal de RF. O tipo de anteparo tem roscas externas nas quais as roscas internas dos conectores dos cabos se unem (Figura 4). Os fabricantes que fazem o conector de RF do cabo são a melhor fonte de conectores de anteparo, embora a padronização garanta que conectores do mesmo tipo de qualquer fabricante trabalhem satisfatoriamente juntos.

Figura 4: Os conectores do anteparo SMA têm roscas externas nas quais as roscas internas dos conectores do cabo se unem. (Fonte da imagem: Amphenol)

Opções de conectores RF não-refletivos

Fabricantes de renome oferecem uma gama de conectores retos, angulares e do tipo macho e fêmea. Mas alguns, como o Amphenol SV Microwave, também incluem componentes especiais entre suas ofertas. Uma adição principal à linha da empresa é um conector SMA RF não refletivo para aplicações em cabos e anteparos.

Há muitas aplicações militares onde o acabamento padrão em aço inoxidável ou latão dos conectores RF industriais poderia causar problemas. Por exemplo, se usados em armas pequenas, tais conectores RF poderiam refletir a luz natural e revelar a posição de um combatente. Ou conectores RF usados na óptica de uma aeronave ou helicóptero poderiam gerar artefatos de luz que prejudicam a precisão de um sistema de direcionamento.

Para atender a demanda por conectores RF não-refletivos, a Amphenol introduziu um conector macho SMA em cromo preto para o cabo, o 2911-61008 (Figura 5 (esquerda)), e um conector de anteparo fêmea SMA em cromo preto complementar, o 2921-61689 (Figura 5 (direita)). Os produtos apresentam uma impedância de 50 Ω, e podem suportar sinais de RF de até 18 GHz com até 500 ciclos de conexão. O contato central em cada caso é o cobre-berílio metalizado a ouro. Os conectores RF são projetados para serem usados com o cabo coaxial de RF RG-405 (2,16 mm), semirrígido, um tipo que atende às especificações militares e é popular em aplicações de defesa.

Figura 5: O conector SMA macho de especificação militar da Amphenol (esquerda) e o conector fêmea de anteparo (direita) podem ser fornecidos com uma metalização de cromo preto não-refletivo. (Fonte da imagem: Amphenol)

O material do corpo dos conectores RF é de aço inoxidável, ao qual foi aplicada uma metalização de cromo preto que atende a norma MIL-C-14538. A cobertura metálica de cromo preto desta especificação é exclusiva para uso militar e é dura, aderente, resistente ao calor e completamente não-refletiva. Os conectores são suportados por uma tampa contra poeira do tipo SMA macho não-refletiva, a 2911-61009, para uso com o conector fêmea do anteparo quando o cabo for desconectado.

Conclusão

As aplicações militares estão sujeitas a poeira, graxa, calor e vibração. Espera-se que os conectores e cabos para estas aplicações transmitam de forma confiável sinais de alta frequência durante períodos de muitos anos. Variantes destes conectores precisam de revestimentos não-refletivos que sejam resistentes e duráveis o suficiente para suportar calor e impactos sem formação de lascas ou desgaste.

Os projetistas de aplicações militares de RF podem garantir que seus projetos atendam aos requisitos necessários recorrendo a fornecedores, como a Amphenol SV Microwave, que oferecem produtos em conformidade com especificações e padrões de desempenho militar.