Compreenda os fundamentos dos adaptadores coaxiais para fazer melhor uso desses componentes muito úteis

Os usuários de equipamento de instrumentação eletrônica, que envolve a transmissão ou recepção de sinais elétricos de alta frequência, estão familiarizados com as conexões coaxiais visto que são amplamente utilizadas. Tanto é assim que esses tipos de conexão podem ser considerados como certos—até que chegue a hora de conectar vários instrumentos juntos ou estender cabos coaxiais. Nesse ponto, os projetistas ou outros usuários de equipamentos podem recorrer aos adaptadores; mas antes de fazer isso, eles precisam entender completamente as implicações e características de cada tipo de adaptador que podem usar.

Há uma grande variedade de adaptadores por um motivo. Os “Tês” conectam uma única fonte de sinal a vários instrumentos, enquanto os “cilíndricos” estendem as conexões do cabo coaxial. Depois, há blocos CC, tês de polarização, eletrodos de impedância, protetores contra surtos e terminações — todos os quais são normalmente usados, mas às vezes não totalmente compreendidos. O uso correto desses adaptadores requer algum conhecimento básico de linhas de transmissão e cuidados durante a seleção.

Este artigo fornece uma breve visão geral das linhas de transmissão. Em seguida, apresenta vários tipos de adaptadores coaxiais, descreve como funcionam e mostra a melhor forma de aplicá-los. São utilizados exemplos do mundo real da Amphenol RF, Times Microwave Systems da Amphenol e Crystek Corporation.

O que são linhas de transmissão?

As linhas de transmissão, na forma de cabos coaxiais, linha plana, microtira ou outros, conectam uma fonte de sinal a uma carga. As linhas de transmissão têm uma impedância característica determinada pelas dimensões físicas dos condutores, seu espaçamento e o material dielétrico usado para isolar os condutores. Geralmente, os cabos coaxiais têm uma impedância característica de 50 Ohms (Ω) para trabalho de RF em geral ou 75 Ω para aplicações de vídeo.

Para garantir a máxima eficiência na transferência de energia da fonte para a carga, a impedância da fonte, a impedância característica da linha de transmissão e a impedância da carga devem estar casadas. Se as impedâncias forem diferentes, alguma energia será refletida da junção não casada. Por exemplo, se a impedância da carga difere da fonte e da impedância da linha de transmissão, a energia é refletida da carga de volta para a fonte (figura 1).

Figura 1: uma linha coaxial com uma carga incompatível reflete a energia da carga de volta para a fonte, criando ondas estacionárias no caminho de transmissão. (Fonte da imagem: DigiKey)

As ondas incidentes e refletidas somam-se ao longo do caminho de transmissão, formando ondas estacionárias onde a amplitude varia periodicamente ao longo do comprimento físico do caminho. As ondas estacionárias causam erros de medição e podem resultar em danos aos componentes. O casamento de impedância da fonte, linha de transmissão e carga evita a criação de ondas estacionárias e, portanto, ajuda a garantir a transmissão mais eficiente de energia da fonte para a carga.

Devido aos requisitos de casamento de impedância, é importante usar o adaptador certo; mas, como o projetista logo descobrirá, os adaptadores são muitos e variados e geralmente vêm com recursos que vão além de formar uma conexão básica.

Adaptadores T

Considere um sistema básico de instrumento que consiste em uma única fonte, osciloscópio e analisador de espectro (figura 2).

Figura 2: a conexão dos três instrumentos neste exemplo usando um adaptador T requer o ajuste da impedância de entrada do osciloscópio para evitar uma incompatibilidade na fonte do sinal. (Fonte da imagem: DigiKey)

A fonte do sinal tem uma impedância de saída de 50 Ω e foi projetada para operar em uma carga de 50 Ω. Se um adaptador T for usado para conectar o osciloscópio e o analisador de espectro com ambas as terminações de entrada de 50 Ω, a fonte do sinal verá uma carga de 25 Ω, reduzindo sua saída e criando ondas estacionárias nos cabos. O segredo aqui é definir o instrumento no meio do trajeto coaxial para uma terminação de entrada de alta impedância, e o instrumento no lado oposto do trajeto coaxial para sua terminação de entrada de 50 Ω, como mostrado. A fonte do sinal verá isso como uma carga de 50 Ω e tudo ficará bem.

O 112461 da Amphenol RF (figura 3) é um T com um único plugue BNC, dois jacks BNC e uma largura de banda de 4 gigahertz (GHz). Ele poderia ser usado na configuração mostrada em nosso exemplo para instrumentos com larguras de banda abaixo de 4 GHz.

Figura 3: o T BNC da Amphenol 112461 oferece uma largura de banda de 4 GHz. No exemplo mostrado na figura 1, o plugue é conectado à entrada do osciloscópio e os cabos coaxiais são conectados dos jacks BNC à fonte de sinal e ao analisador de espectro. (Fonte da imagem: Amphenol RF)

O tipo de T a ser selecionado depende dos conectores usados​nos instrumentos e será baseado nas larguras de banda dos respectivos instrumentos. Em geral, adaptadores coaxiais como Tês não estão disponíveis para larguras de banda superiores a 40 GHz, uma vez que as perdas de sinal se tornam problemáticas em adaptadores nessas frequências. Uma lista dos conectores coaxiais comuns de instrumentos, para os quais os adaptadores estão geralmente disponíveis, é mostrada junto com seus atributos em destaque (tabela 1).

Tabela 1: famílias de conectores coaxiais comuns para as quais os adaptadores estão disponíveis. Acima de 40 GHz, os adaptadores apresentam perdas que os tornam inadequados para operar. (Fonte da tabela: DigiKey)

Adaptadores da família de conectores

Possuir vários tipos de conector aumenta a necessidade de converter de um tipo de conector para outro. Considere instalar um cabo SMA a partir do conector BNC de entrada em um osciloscópio ou analisador de espectro. Para esta situação, o Amphenol RF 242103 fornece um plugue BNC para conectar ao instrumento e um jack SMA para receber o cabo SMA (figura 4).

Figura 4: um adaptador BNC para SMA se encaixa entre um jack BNC e um plugue SMA, como pode ser necessário para conectar um cabo SMA a uma entrada de instrumento. (Fonte da imagem: Amphenol RF)

Os usuários do equipamento devem ter em mente que sempre que um adaptador é usado, a largura de banda da interconexão é reduzida para a largura de banda inferior das duas famílias de conectores. No caso do adaptador BNC para SMA, a largura de banda é de 4 GHz, herdada do BNC.

Existem também adaptadores que oferecem mudanças de impedância de 50 a 75 Ω e vice-versa.

Adaptadores cilíndricos e de anteparo

Estender cabos ou passar um cabo por um painel requer o uso de adaptadores diretos (cilíndricos) ou de anteparo. Eles estão disponíveis para as famílias de conectores mostradas na tabela 1. Um exemplo é o adaptador de anteparo 132170 da Amphenol RF que possui dois conectores SMA, aos quais os cabos com plugues SMA podem ser conectados em qualquer um dos lados de um anteparo ou painel (figura 5).

Figura 5: um exemplo de conector SMA de anteparo, que pode ser montado em um painel para passar uma conexão coaxial através dele. (Fonte da imagem: Amphenol RF)

Os conectores cilíndricos podem ser configurados como jack para jack ou como plugue para plugue e, menos usual, como plugue para jack.

Terminações

A conexão em série de vários instrumentos de entrada de alta impedância, a partir de uma fonte de 50 Ω, requer uma terminação de 50 Ω (figura 6).

Figura 6: ao conectar vários dispositivos de entrada de alta impedância a uma fonte de 50 Ω, um terminador externo de 50 Ω é necessário para evitar a reflexão nas linhas coaxiais. (Fonte da imagem: DigiKey)

O terminador de 50 Ω 202120 da Amphenol RF é um exemplo de terminação coaxial configurada como um jack BNC (figura 7).

Figura 7: o 202120 da Amphenol RF é uma terminação de 50 Ω configurada como um jack BNC. (Fonte da imagem: Amphenol RF)

O jack BNC aceita cabo coaxial diretamente. Existem também terminações na forma de plugues BNC que combinam com um jack BNC. Eles são úteis ao fazer a terminação de um instrumento diretamente em seu painel frontal. Embora a maioria dos osciloscópios ofereça entradas de 50 Ω e de alta impedância, há um limite de tensão nessas entradas de 50 Ω, geralmente de 5 volts. Os osciloscópios também têm um limite de potência de 0,5 watts nessas entradas de 50 Ω. O 202120 tem potência nominal de 1 watt e pode suportar mais de 7 volts.

As terminações também estão disponíveis para outras impedâncias. Por exemplo, terminadores de 75 Ω são normalmente usados em aplicações de televisão e vídeo. As terminações de curto-circuito ou de zero Ω são usadas ao calibrar analisadores de rede.

Blocos CC e Tês de polarização

O bloco CC é um adaptador coaxial que bloqueia os sinais de corrente contínua e permite a passagem de sinais de RF. É usado para proteger componentes RF sensíveis a CC, que é bloqueada por um capacitor. Existem três tipos de bloco CC:

• Um bloco CC interno usa um único capacitor em série com o condutor interno ou central do cabo coaxial
• Um bloco CC externo tem um capacitor em série com o condutor de blindagem do cabo coaxial
• Um bloco CC interno/externo tem capacitores em série com o condutor interno e externo

Todos os tipos de blocos CC são projetados para impedâncias características específicas, geralmente 50 ou 75 Ω. O CBLK-300-3 da Crystek Corporation é um bloco CC com condutor interno de 50 Ω que passa sinais com frequências de 300 kHz a 3 GHz, enquanto bloqueia níveis CC de até 16 volts com baixas perdas de inserção e retorno sobre sua faixa de frequência (figura 8).

Figura 8: o CBLK-300-3 da Crystek bloqueia CC e passa sinais com frequências de 300 kHz a 3 GHz. (Fonte da imagem: Crystek Corporation)

T de polarização

O T de polarização está vinculado ao bloco CC. É um adaptador de três portas, onde a alimentação CC é aplicada a uma porta. Uma segunda porta soma a polarização CC com o sinal de RF incidente de uma porta de RF isolada (figura 9).

Figura 9: o T de polarização possui três portas: uma para aplicar uma polarização CC, a segunda é uma porta RF isolada, enquanto a terceira soma o sinal RF e a polarização CC. (Fonte da imagem: Crystek Corporation)

Os Tês de polarização são usados para abastecer de energia circuitos remotos, como um amplificador de baixo ruído (LNA) montado em uma antena com energia CC, fornecendo ao mesmo tempo uma porta sem CC para conectar um receptor RF. A polarização CC é obtida por meio de um indutor em série, que bloqueia a aplicação do sinal RF à fonte CC. Como um bloco CC, a porta RF somente é isolada da entrada CC por um capacitor em série. A porta combinada deixa passar os componentes RF e CC.

O BTEE-01-50-6000 da Crystek Corporation é um T de polarização com uma largura de banda RF de 50 MHz a 6 GHz usando jacks SMA. A porta RF aceita um sinal RF com um nível máximo de potência de 2 watts. A porta CC tem uma entrada CC máxima de 16 volts. A perda de inserção do T de polarização é normalmente de 0,5 decibéis (dB) a 2 GHz. Em operação, a porta RF + CC é conectada ao LNA e à antena. A fonte de alimentação CC é conectada à porta CC e o receptor é conectado à porta RF.

Filtros em linha

Outro adaptador coaxial útil é o filtro em linha. Os filtros passa-baixa, passa-alta e passa-faixa estão disponíveis para conectores tipos BNC ou SMA. Eles são aplicados para controlar o espectro do sinal que está sendo transmitido no cabo. Por exemplo, para medir o número efetivo de bits em um conversor analógico-digital (ADC), um filtro passa-baixa seria inserido entre o gerador de sinal e o ADC. O filtro atenuará os níveis de harmônicos do gerador, melhorando muito a precisão da medição. Isso permite que um gerador de sinal de baixo custo seja usado.

Um bom exemplo de tal dispositivo é o CLPFL-0100 da Crystek, um filtro passa-baixa de 100 MHz de 7ª ordem com uma frequência de corte de 100 MHz (figura 10).

Figura 10: o CLPFL-0100 é um filtro passa-baixa de 100 MHz e sete polos, para inserção em linha num cabo SMA. (Fonte da imagem: Crystek Corporation)

Um sinal de entrada de 100 MHz terá uma atenuação de 30 dB no segundo harmônico e melhor que 60 dB no harmônico maior. Se o gerador de sinal no exemplo acima tivesse uma especificação de nível de harmônico de -66 dB, o filtro o reduziria abaixo de -96 dB.

Protetores contra surtos

Os protetores contra surtos, às vezes chamados de pára-raios, protegem os componentes eletrônicos sensíveis de picos transitórios, como os relâmpagos. Isso pode ser feito com centelhadores, tubos de gás ou diodos que se rompem eletricamente para descarregar os surtos elétricos para o aterramento, antes que possam danificar os dispositivos protegidos.

O LP-GTR-NFF da Amphenol Time Microwave Systems é um protetor contra surto em linha com conector tipo N que usa um tubo de descarga de gás substituível. O tubo se rompe em tensões CC acima de ± 90 volts / 20 A e pode suportar surtos de até 50 watts. Ele é inserido em linha e possui uma largura de banda de CC a 3 GHz com uma perda de inserção de 0,1 dB até 1 GHz e 0,2 dB até 3 GHz (figura 11).

Figura 11: o protetor contra surtos LP-GTR-NFF da Amphenol Times Microwave Systems é um dispositivo conector N em linha usado para proteger as linhas coaxiais contra surtos transitórios de até 50 watts. (Fonte da imagem: Amphenol Times Microwave Systems)

Os protetores contra surtos são geralmente montados em cantoneiras, que são presas elétrica e mecanicamente a um terra de baixa impedância usando grandes condutores de baixa indutância. É importante observar que a qualidade da conexão de terra afeta o desempenho do protetor contra surtos.

Atenuadores em linha

Os atenuadores reduzem o nível de potência de um sinal sem distorcer a forma de onda do sinal. As versões coaxiais em linha oferecem uma atenuação fixa e estão disponíveis em grande número de conectores com uma variedade de configurações de plugue e jack.

O CATTEN-03R0-BNC da Crystek Corporation é um atenuador BNC de 3 dB, 50 Ω com largura de banda de 0 a 1 GHz e potência nominal de 2 watts (figura 12). É um dos treze modelos de atenuador disponíveis em sua linha de produtos com atenuações de 1 a 20 dB.

Figura 12: o CATTEN-03RO-BNC da Crystek é um atenuador BNC coaxial em linha de 3 dB com largura de banda de 0 a 1 GHz. (Fonte da imagem: Crystek Corporation)

Obviamente, os atenuadores em linha são usados​para diminuir o nível de potência de um sinal, mas menos usual, eles também são usados​para fornecer isolação entre impedâncias em dispositivos conectados em série, bem como para reduzir incompatibilidades de impedância e reflexões indesejadas.

Considere inserir um atenuador de 3 dB casado em frente de uma impedância de carga não casada. O sinal de entrada do atenuador é reduzido em 3 dB pelo atenuador à medida que se propaga para a carga não casada. Assumindo que a carga é um circuito aberto, então todo o sinal é refletido na carga e devolvido através do atenuador, onde sofre outra perda de 3 dB na entrada do atenuador. A perda de retorno na entrada do atenuador é melhorada em 6 dB. A incompatibilidade observada na entrada do atenuador é melhorada em um valor igual a duas vezes o valor do atenuador — neste caso, a redução total é de 6 dB.

Essa técnica tem a desvantagem de que a amplitude do sinal de passagem é reduzida em 3 dB, o que deve ser compensado em outras partes da rede. O CATTEN-03R0-BNC Crystek funcionaria bem nesta aplicação.

Conclusão

Ao conectar instrumentos ou outros dispositivos com adaptadores coaxiais, os projetistas e outros usuários de equipamentos precisam estar cientes dos fundamentos de linha de transmissão. Uma vez que estejam cientes, os usuários podem tirar melhor proveito desses componentes muito úteis com uma ampla gama de utilidades, incluindo a alteração dos tipos de conectores e impedâncias características, ramificação de sinal, filtragem, proteção contra surtos, atenuação de sinal e controle e isolação CC.