Otimização de projetos de RF para operação em ambientes extremos

Em um mundo cada vez mais dependente da conectividade sem fio, os projetistas de sistemas para aplicações como GPS marítimo, IoT industrial, agricultura inteligente e veículos aéreos não tripulados precisam de componentes de RF que possam operar de forma confiável em condições ambientais extremas. Seus desafios incluem vibração, poeira, alta umidade, exposição à água ou a outros fluidos e névoa salina. Embora o sistema deva ser projetado para resistir a essas condições adversas, uma das principais preocupações é a interconexão de RF, em que uma conexão coaxial transmite sinais de RF entre dispositivos ou entre um dispositivo e uma antena. Os projetistas precisam ter certeza de que os conectores e cabos que usam são adequados para a tarefa e, ao mesmo tempo, atendem aos crescentes requisitos de desempenho e densidade de conexão.

Este artigo discute brevemente o desafio de projetar para ambientes extremos antes de apresentar os adaptadores de RF, conectores e cabos de conexão da Amphenol RF. Ele mostra como esses componentes podem ajudar a proteger contra umidade, poeira, vibração e corrosão, vedando gabinetes e proporcionando desempenho superior de RF em corpos de conectores compactos adequados para empacotamento de alta densidade.

Ambientes extremos

Do chão de fábrica às plataformas de petróleo, a Internet Industrial das Coisas (IIoT) é um exemplo de aplicação que usa dispositivos de RF em um ambiente que pode incluir alta umidade, vapor, líquidos borrifados ou respingados, poeira ou produtos químicos corrosivos, como água salgada (Figura 1).

Figura 1: Diagrama conceitual de um sistema IIoT com sensores remotos sem fio e cabeados que se comunicam com um gateway de borda; os conectores de RF são usados em toda a parte. (Fonte da imagem: Art Pini)

A IIoT usa sensores inteligentes, atuadores, robôs e dispositivos semelhantes para aprimorar os processos de fabricação. Esses dispositivos são conectados em rede, fornecendo coleta, troca, análise e controle de dados. O compartilhamento de dados de várias máquinas e sistemas ajuda a tornar os processos industriais mais eficientes e confiáveis.

Ao projetar dispositivos como esses, você deve considerar o ambiente. Ambientes extremos exigem que o dispositivo seja vedado, e todas as portas devem ser resistentes à corrosão e à prova de vazamentos. Os gabinetes metálicos exigem antenas externas. Os conectores também são necessários para os sensores externos ao dispositivo e para as interconexões de sinais com outros dispositivos. Os conectores coaxiais para antenas ou cabos de sinal devem ser vedados usando suas capas e juntas para atender a esses requisitos de tolerância de exposição. A norma do setor IEC 60529 usa classificações de proteção contra ingresso (IP) para definir o grau de proteção que um determinado conector oferece. As classificações IP consistem nas letras IP seguidas de um número de dois dígitos. O primeiro dígito indica o grau de proteção contra a entrada de poeira e partículas sólidas. O segundo dígito indica o grau de proteção contra a entrada de água. As definições para a classificação IP variam de nenhuma proteção a proteção completa, sendo que os números mais altos indicam maior proteção (Figura 2).

Figura 2: Classificações de proteção contra ingresso de poeira e água de acordo com a norma IEC 60529. (Fonte da imagem: Amphenol RF)

Os conectores adequados para exposição ambiental extrema devem ter uma classificação IP de 67 ou 68. A classificação IP67 indica uma vedação à prova de poeira e proteção contra água, incluindo submersão total por 30 minutos a até 1 metro de profundidade.

Conectores coaxiais com classificação IP67

A Amphenol RF oferece uma ampla variedade de conectores coaxiais do tipo SMA, BNC e TNC à prova d'água e à prova de poeira com classificação IP. O modelo 901-10746-EE é um exemplo de jack SMA para cabo RG-58 destinado à montagem em anteparo e tem classificação IP67 (Figura 3).

Figura 3: O jack de anteparo RF 901-10746-EE tem classificação IP67, o que significa que é à prova d'água, à prova de poeira e resistente à corrosão por água salgada. (Fonte da imagem: Amphenol RF)

As características elétricas desse conector fêmea SMA incluem uma impedância nominal de 50 ohms (Ω) para o cabo coaxial RG-58. Ele opera em uma faixa de frequência de CC a 6 gigahertz (GHz) com uma relação de tensão da onda estacionária (VSWR) máxima de 1,30:1, o que equivale a uma perda de retorno de -18 decibéis (dB), e tem um dimensionamento de ruptura dielétrica de 1000 volts RMS (Vrms). Sua faixa de temperatura operacional é de -65°C a +165°C. O processo de montagem começa com a soldagem do condutor central ao pino do conector. O pino e o cabo são inseridos no conector com a malha sobre a saliência. A virola é então crimpada sobre a malha. O anel de vedação veda o corpo do conector ao painel de montagem.

O corpo do conector é de latão, a virola é de cobre e ambos têm um revestimento de liga de estanho-níquel resistente à corrosão. O revestimento atende ao padrão de névoa salina MIL-STD-202 método 101 para uma solução salina de 5% repetida por 720 horas. Após a exposição à névoa salina, a integridade do revestimento é verificada e o desempenho de RF do conector, incluindo a resistência de contato e a perda de retorno, é testado novamente.

O contato do condutor central é de cobre-berílio com revestimento de ouro e é inserido em um dielétrico de Teflon. Ele atende aos requisitos de IP67 em um estado não acoplado quando montado com o cabo e a virola.

O conector é montado em um painel com ferragens de aço inoxidável e vedado com uma junta de borracha de silicone para garantir sua integridade física e conformidade com IP67.

Um plugue SMA correspondente é o Amphenol RF 901-9876-RFX-EE. Esse plugue SMA em linha e montado no cabo tem a mesma composição de material e revestimento que o jack de anteparo e opera na mesma faixa de temperatura. Ele é acoplado ao jack usando uma virola rosqueada sobre o corpo rosqueado do jack. Assim como o 901-10746-EE, o plugue tem classificação IP67 e foi projetado para trabalhar com cabos RG-58. Ele tem uma faixa de frequência operacional de CC a 12,4 GHz.

Esses conectores de RF para ambientes extremos também estão disponíveis nos tipos BNC e TNC. Um conector TNC é uma versão rosqueada de um conector BNC. Os conectores rosqueados, quando apertados com o torque especificado, são resistentes à vibração. O 031-6501-EE (Figura 4, à esquerda) é um plugue TNC em ângulo reto que usa os mesmos materiais e atende aos mesmos padrões de resistência à corrosão e IP67 dos conectores SMA. Ele é classificado para operar em uma faixa de temperatura de -40°C a 85°C. Eletricamente, ele tem uma impedância característica de 50 Ω e uma faixa de frequência operacional de até 6 GHz. Os conectores de ângulo reto eliminam a necessidade de dobrar o cabo, minimizando a chance de danos ao cabo coaxial, além de economizar espaço em gabinetes pequenos usados em sistemas de IIoT e similares. O 031-6501-EE pode ser combinado com um adaptador de anteparo correspondente, como o AD-TNCJTNCJ-EE (Figura 4, à direita).

Figura 4: O plugue TNC 031-6501-EE em ângulo reto e o adaptador de anteparo TNC AD-TNCJTNCJ-EE permitem curvas apertadas sem dobrar os cabos e economizam espaço em gabinetes compactos de IIoT. (Fonte da imagem: Amphenol RF)

O AD-TNCJTNCJ-EE tem classificação IP68, é resistente à corrosão e tem uma faixa de temperatura operacional de -65°C a +165°C. Sua impedância característica é de 50 Ω e ele opera até 18 GHz. Seu VSWR é de 1,2:1 (equivalente a uma perda de retorno de -21 dB) para frequências entre 0 e 11 GHz e de 1,3:1 (equivalente a uma perda de retorno de -18 dB) para frequências entre 11 e 18 GHz. Os adaptadores de anteparo permitem que os cabos sejam desconectados de um painel ou porta de montagem para que possam ser facilmente removidos para manutenção.

Os conectores BNC são como as unidades TNC, diferindo principalmente no mecanismo de travamento. Um BNC é um conector de engate/desengate rápido que usa dois terminais de baioneta no lado do jack que se encaixam nas fendas do conjunto do plugue, travando-os com um giro de um quarto de volta. Eles também oferecem proteção de entrada IP67 e resistência à corrosão para a névoa salina.

O plugue BNC 031-6924-EE (Figura 5, à esquerda) tem uma faixa de temperatura operacional de -40°C a +85°C. Sua impedância característica de 50 Ω é compatível com o cabo RG-58. Ele tem um VSWR de 1,30:1 (equivalente a uma perda de retorno de -18 dB) e uma faixa de frequência de CC a 6 GHz.

O receptáculo de acoplamento AD-BNCJBNCJ-EE (Figura 5, à direita) é um adaptador de anteparo de jack para jack que também é um conector de 50 Ω com uma frequência máxima de 12 GHz. Seu VSWR é de 1,30:1 (equivalente a uma perda de retorno de -18 dB) de CC a 4 GHz e menor que 1,45:1 (equivalente a uma perda de retorno de -15 dB) de 4 a 12 GHz. Sua faixa de temperatura operacional é de -40°C a +85°C.

Figura 5: Os componentes do conector BNC para exposição extrema são usados para engate/desengate rápido. (Fonte da imagem: Amphenol RF)

Conclusão

Ao projetar dispositivos sem fio, os projetistas devem considerar os requisitos físicos e elétricos da aplicação para garantir a funcionalidade e a longevidade do produto. Os conectores coaxiais de RF, usados em sistemas sem fio, têm a tarefa principal de manter a integridade do sinal, independentemente do ambiente ao redor. Para isso, é essencial selecionar conectores e adaptadores de alta confiabilidade que possam resistir a vibrações, intrusão de líquidos, poeira e corrosão. Os conectores para exposição extrema da Amphenol RF são ideais para projetos destinados a operar em ambientes severos.