Entenda e escolha cabos de conexão e conectores coaxiais na faixa de GHz

By Bill Schweber

Contributed By Digi-Key's North American Editors

Os conectores de radiofrequência (RF) e seus cabos de conexão coaxial (coax) fornecem caminhos vitais de sinal entre placas de circuito, submontagens e chassi. Um conector apropriado fornecerá pelo menos o desempenho elétrico mínimo exigido e a robustez mecânica. Entretanto, as famílias de conectores RF que têm servido por muitos anos, incluindo o conector BNC de fixação à baioneta, não são mais adequadas devido a seu volume físico e limites de desempenho.

Para atender aos muitos desafios dos projetos atuais, os engenheiros podem escolher entre muitos tipos específicos disponíveis em várias famílias principais, cada uma oferecendo alguma combinação de maior largura de banda, menos volume e o uso de cabos coaxiais mais finos. Estes conectores estão disponíveis em uma grande variedade de estilos de terminação de placas de circuito impresso, bem como tipos de terminação de cabos para atender às muitas classes de prioridades de instalação física. Os projetistas devem, portanto, primeiro selecionar a família de conectores apropriada para atender aos requisitos de projeto e, em seguida, o estilo dentro dessa família.

Este artigo abordará cinco famílias de conectores de RF na faixa de gigahertz (GHz), amplamente utilizadas. Também analisará a questão intimamente relacionada de montagens de cabos terminados com o conector escolhido, usando componentes das várias famílias da Würth Elektronik.

Os fundamentos dos conectores RF

É importante esclarecer a terminologia relacionada aos conectores. Um "conector" é a terminação metálica que pode ser acoplada e não acoplada conforme necessário, enquanto que o "cabo" é o fio coaxial composto por um condutor de cobre interno, dielétrico de espaçamento, blindagem externa e isolação ao qual o conector está fixado. Uma "montagem de cabo" é a combinação de um cabo com um conector em uma ou ambas as extremidades. No entanto, o termo "cabo" ou "cabo de conexão" é frequentemente usado no lugar de "montagem de cabo" em conversas casuais, e o significado real é geralmente claro a partir do contexto. Usaremos estes termos em seu sentido estrito neste artigo.

Embora os conectores sejam componentes passivos e não fornecem nenhum processamento ou aprimoramento de sinal, eles são elementos essenciais em quase todos os projetos de produtos. O conector "ideal" oferece atributos mecânicos críticos, tais como acoplamento e não acoplamento, integridade mecânica e elétrica, e deve ser eletricamente invisível sem resistência ohmica CC ou descontinuidades de impedância RF. Os desafios de projetar, fabricar e usar conectores aumentam com a frequência de operação. Como sua frequência de operação requerida se estende para o domínio de RF, para e acima da faixa de gigahertz (GHz), sua construção mecânica por necessidade torna-se cada vez mais precisa, com muitos atributos e parâmetros críticos de desempenho.

Conectores clássicos como o BNC (Bayonet Neil-Concelman), oferecido em versões de 50 Ω e 75 Ω (este último para vídeo e TV), têm sido amplamente utilizados desde os anos 50 e ainda estão em uso (Figura 1). Este conector de travamento apresenta uma ação de conexão/desconexão de um terço de volta através de um sistema de "baioneta". Embora a resposta de frequência seja formalmente dimensionada para 4 GHz, as perdas do conector aumentam para níveis muitas vezes inaceitáveis em frequências mais altas. Fisicamente, não é uma boa adequação para projetos compactos e densamente empacotados de hoje, devido a seu tamanho relativamente grande e ao grande raio mínimo de curvatura de uma montagem completa do cabo.

Imagem do conector BNC inclui uma trava de corpo de baionetaFigura 1: O conector BNC inclui uma trava de corpo de baioneta e tem sido amplamente utilizado desde seu desenvolvimento no início dos anos 50, mas não é uma boa adequação elétrica ou mecânica para muitas das aplicações atuais de alta frequência e com limitações de espaço. Um plugue macho é normalmente usado nas montagens de cabos (esquerda); um jack fêmea (direita), para uso em painéis de instrumentos. (Fonte da imagem: Wikipedia; Pinterest)

Famílias mais novas para novas aplicações

Muitas famílias de conectores padrão da indústria estão disponíveis e são mais eficazes para aplicações de maior frequência e mais compactas. Entre as mais populares estão as famílias SMA, SMB, SMP, MMX e MMCX, todas com a impedância padrão de 50 Ω RF. Cada uma oferece uma combinação diferente de características elétricas e mecânicas. Em contraste com o diâmetro de 17 milímetros (mm) do conector BNC, estes conectores têm um diâmetro muito menor na faixa de 5 mm.

Este artigo abordará um único membro conector em cada uma dessas famílias. Entretanto, dentro de cada família, há muitos membros com especificações elétricas quase idênticas, mas com configurações e arranjos mecânicos muito diferentes. Estas incluem versões para placa de circuito impresso (PCI) com um corpo reto ou em ângulo reto, e com montagem em superfície, terminal de furo passante ou de fixação direta; tipos de anteparo montados na parte traseira; e versões montadas em painel com orifício de solda, aba plana, ou conexão de borne redondo. Há também diferentes arranjos para conectores de acoplamento que vão na extremidade do cabo, tais como variações retas e de ângulo reto.

Ter tantas opções dentro de um determinado tipo de conector é bom para os projetistas, pois aumenta a probabilidade de que haja um prontamente disponível que tenha um fator de forma específico que seja bem adequado ao projeto e às restrições do produto. Isto significa que haverá pouca ou nenhuma mudança necessária nas prioridades do projeto mecânico do produto. Agora, um olhar mais atento sobre estas cinco famílias:

•SMA: Os conectores coaxiais subminiatura da série SMA são projetados com tecnologia de acoplamento roscado para garantir alta estabilidade mecânica diante de vibrações intensas (Figura 2). O contato central bem sucedido do conector e o isolador aumentam a força axial e o torque. O espesso revestimento de ouro no contato central contribui para um melhor desempenho elétrico e até 500 ciclos de acoplamento.

Imagem dos conectores da série SMA subminiatura

Figura 2: Os conectores da série SMA subminiatura utilizam um acoplamento roscado para maior integridade mecânica diante de vibrações intensas. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Um bom exemplo deste tipo de conector é o 60312242114510 da Würth Elektronik, um conector SMA desde CC a 10 GHz com um jack fêmea (Figura 3). É projetado para o uso em borda de placa e orientação da fixação direta. Este conector de solda para montagem em painel também vem com uma porca frontal e arruela de trava para facilitar a fixação do anteparo (painel) para maior rigidez no produto final.

Imagem do jack conector SMA da Würth Elektronik 60312242114510, CC a 10 GHzFigura 3: O jack conector SMA 60312242114510, CC a 10 GHz, com um soquete fêmea inclui uma porca frontal e arruela de trava associada para integridade mecânica adicional, quando montado através de um painel ou anteparo (todas as dimensões em milímetros). (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

As principais especificações de RF incluem relação de ondas estacionárias (VSWR ou ROE em português) abaixo de 1,2 e perda de inserção (IL) de menos de 0,14 decibéis (dB) desde CC a 12,4 GHz, com números VSWR e IL correspondentes de 1,4 e 0,2 dB de 12,4 a 18 GHz.

•SMB: Os conectores da série SMB são projetados para acoplamento de encaixe com capacidade de banda larga desde CC até 4 GHz. Eles são menores que os conectores da série SMA e, portanto, são bem adequados para a miniaturização de circuitos. Entre os conectores SMB disponíveis, estão receptáculos para placa de circuito impresso nas montagens por furo passante ou em superfície, assim como conectores para borda de placa e para plugues e jacks de cabos (Figura 4).

Imagem dos conectores SMB são dispositivos de encaixe que são menores que os conectores SMAFigura 4: Os conectores SMB são dispositivos de encaixe que são menores que os conectores SMA e não rosqueados; eles também estão disponíveis em uma gama de configurações. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Um exemplo de um conector SMB é o 61611002121501, um pino macho, ângulo reto, furo passante, conector de solda, com um VSWR de 1,5 e uma perda de inserção abaixo de 0,2 dB (Figura 5). Assim como o dispositivo SMA, ele também é dimensionado para 500 ciclos de acoplamento.

Imagem do Würth Elektronik 61611002121501 Conector SMB é uma unidade de ângulo reto de encaixeFigura 5: O conector SMB 61611002121501 é uma unidade de ângulo reto de encaixe projetada para fixação e soldagem em placas de furo passante, que é menor que a unidade SMA, mas tem especificações comparáveis. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

•Série SMP: Estes conectores miniatura com características deslizantes e de encaixe podem ser usados em aplicações de até 40 GHz. Estão disponíveis com três tipos de interface: "dente" completo com retenção máxima para alta resistência a vibrações (100 ciclos); dente limitado com média a baixa retenção (500 ciclos); e furo liso (1000 ciclos) com a menor retenção obtida através de contatos deslizantes para sistemas e aplicações modulares (Figura 6).

Imagem dos conectores da série SMP que oferece uma variedade de classificações de retençãoFigura 6: Os conectores da série SMP oferecem uma variedade de classificações de retenção, incluindo um dente limitado para média a baixa retenção (esquerda) e dimensionamento de 500 ciclos; e um furo liso (direita) com a menor retenção, mas o dobro do número de ciclos. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Um dos conectores desta série é o 60114202122305, um conector para borda de placa e montagem em superfície, com uma perna de solda estendida para placas de circuito impresso com até 1,2 mm de espessura máxima (Figura 7). Está especificado para ter um VSWR de 1,5 e uma perda de inserção de 0,42 dB desde CC a 12 GHz.

Imagem do Würth Elektronik 60114202122305, conector para borda de placaFigura 7: O 60114202122305 é um conector para borda de placa, com furo liso, da série SMP que é dimensionado para 12 GHz. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

•Série MCX: Os conectores da série MCX (Micro Coaxial) possuem um mecanismo de acoplamento de encaixe para conexão rápida e conveniente e são destinados à operação desde CC a 6 GHz (Figura 8). Estes conectores são compatíveis com IEC 61169-36, "Conectores de radiofrequência - Parte 36: Conectores Microminiatura r.f. com acoplamento de encaixe - Impedância característica 50 Ω (Tipo MCX)".

Imagem da série de conectores MCX da Würth Elektronik é uma família ainda menor de conectores de encaixeFigura 8: A série de conectores MCX é uma família ainda menor de conectores de encaixe que são compatíveis com a IEC 61169-36. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

O 60612202111308 é um jack para fixação em borda e montagem em superfície da série MCX, adequado para placas de até 1,6 mm de espessura. Tem um VSWR de 1,3 e uma perda de inserção de 0,25 dB acima dessa faixa e é dimensionado para 500 ciclos.

Imagem do jack para fixação em borda e montagem em superfície, Würth Elektronik 60612202111308 série MCXFigura 9: O jack 60612202111308, para fixação em borda e montagem em superfície da série MCX, tem uma perda de inserção de apenas 0,25 dB a 6 GHz. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

•Série MMCX: Estes conectores são aproximadamente 30% menores em comparação com os conectores MCX e são adequados para aplicações com requisitos de projetos ultrapequenos (Figura 10). Eles têm um mecanismo de acoplamento de encaixe para conexão rápida e fácil e também atendem a norma IEC 61169-36.

Imagem da série MMCX pequena da Würth ElektronikFigura 10: Os conectores da série MMCX são aproximadamente 30% menores do que os da série MCX e exibem desempenho de RF comparável. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Como exemplo, o plugue MMCX 66046011210320 é um conector de crimpagem de pino macho, para cabos suspensos (cabo-cabo), da família MMCX (Figura 11). Este conector de 6 GHz funciona com cabos coaxiais RG174, RG316 e RG188, e apresenta um VSWR de 1,3 e uma perda de inserção de 0,3 dB.

Imagem do plugue MMCX 66046011210320 da Würth ElektronikFigura 11: O plugue MMCX 66046011210320 foi projetado para ser crimpado em um cabo como os tipos coaxiais RG174, RG316 e RG188. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Conectores especiais e adaptadores completam as famílias

Dada a ampla gama de conectores em uso, é inevitável que haja necessidade de adaptadores para permitir a interconexão entre uma família e outra. AWürth Elektronik oferece várias séries completas de adaptadores que suportam transições de um tipo de conector e gênero para outro, tais como de plugues e jacks SMA para outra série de plugues e jacks (Figura 12).

Imagem dos muitos adaptadores SMA disponíveis (clique para ampliar)Figura 12: são mostrados os muitos adaptadores de plugue e jacks SMA disponíveis que proporcionam uma transição perfeita para conectores de vários tipos das famílias SMB, MCX e MMCX. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Há outro tipo especial de conector que pode confundir os projetistas no início: o conector de polaridade inversa (RP). A configuração padrão do conector é ter um contato central macho (pino) no plugue, e uma fêmea (receptáculo) correspondente no jack. Mas nos EUA, os regulamentos da Comissão Federal de Comunicações (FCC) exigem "polaridade" inversa de gênero em alguns casos exclusivos.

A situação data de várias décadas atrás, quando foram introduzidos roteadores Wi-Fi sem fio para uso do consumidor. Eles foram projetados para alcance limitado usando uma pequena antena com um conector em sua base que se aparafusava diretamente na conexão de antena da unidade Wi-Fi e, portanto, sem a capacidade de realocá-la. Entretanto, a FCC estava preocupada que os usuários finais tentassem aumentar o alcance do dispositivo com amplificadores adicionais e/ou antenas externas, causando interferência na banda Wi-Fi. A "solução" era tentar evitar a fácil conexão de tais complementos, obrigando o uso de conectores RP nestes dispositivos sem fio (que frequentemente usavam conectores SMA) para torná-los incompatíveis com os complementos padrões (Figura 13).

Imagem dos conectores de plugue e jack RP SMAFigura 13: Os conectores de plugue e jack RP SMA têm o gênero de condutor central oposto aos conectores SMA convencionais; (da esquerda para a direita) conector padrão SMA macho, conector padrão SMA fêmea, conector RP-SMA fêmea, conector RP-SMA macho. (Fonte da imagem: Wikipedia)

Em pouco tempo, porém, as montagens de cabos terminados com pares de conectores RP se tornaram amplamente disponíveis e eram complementos padrões para dispositivos como antenas Wi-Fi externas e realocáveis (Figura 14).

Imagem da antena Wi-Fi externaFigura 14: Esta antena Wi-Fi externa pode ser movida para encontrar uma localização ideal e é compatível com a interface da antena no roteador Wi-Fi devido ao seu conector RP-SMA. (Fonte da imagem: Amazon)

Imagem dos conectores de polaridade inversa (RP)Figura 15: Os conectores de polaridade inversa (RP) estão disponíveis em vários estilos de placas de circuito, assim como em configurações de terminação de cabos. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Um conector RP-SMA disponível é o conector de montagem em painel e solda por furo passante 63012042124504 (Figura 16). Este conector apresenta um VSWR de 1,2 desde CC a 12,4 GHz, e 1,4 desde 12,4 a 18 GHz, enquanto a perda de inserção nessas duas faixas é de 0,14 dB e 0,2 dB, respectivamente.

Imagem do Würth Elektronik 63012042124504 que é um conector SMA de polaridade inversaFigura 16: O 63012042124504 é um conector SMA de polaridade inversa projetado para montagem e soldagem por de furos passantes. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Cabos e montagens completam as conexões

Os conectores sozinhos são apenas parte do cenário do caminho do sinal de RF; seus plugues são normalmente instalados em cabos coaxiais padrões como RG174, RG316 e RG188, entre outros. Embora todos sejam cabos de 50 Ω para trabalhos de RF (cabos e conectores de 75 Ω estão disponíveis para sistemas de vídeo), eles diferem em faixa de frequência, atenuação, diâmetro, tipo dielétrico, características de fase, aplicação de potência, raio mínimo de curvatura, jaqueta externa do cabo e outros atributos mecânicos e elétricos (Figura 17).

Gráfico de atenuação versus frequência para alguns cabos coaxiais padrões comunsFigura 17: Os projetistas podem escolher entre uma ampla gama de cabos coaxiais de 50 Ω, que diferem em muitas características elétricas e mecânicas. É mostrada a atenuação versus frequência — uma especificação importante — para alguns cabos coaxiais padrões comuns. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Os projetistas também devem decidir se devem fazer suas próprias montagens de cabos coaxiais ou comprá-los já fabricados — a clássica questão "fazer ou comprar?". É possível terminar estes cabos coaxiais com os conectores selecionados conforme necessário — a opção "fazer" — mas fazê-lo é um desafio que requer habilidade, prática, tempo, ferramentas de crimpagem adequadas e outras ferramentas em muitos casos.

Além disso, essas montagens completas de cabos precisam mais do que apenas um simples teste de continuidade; eles também precisam ser verificados quanto a fatores de desempenho de RF como largura de banda e planicidade, descontinuidades de impedância, perda e deslocamento de fase, para citar apenas alguns deles. Estes testes elétricos levam tempo e exigem equipamentos de medição sofisticados, e as montagens precisam acrescentar robustez mecânica através do alívio de tensão.

Felizmente, as montagens de cabos estão disponíveis em muitos comprimentos como itens padrões, em estoque para os tipos mais comuns de cabos e conectores. Eles também vêm em comprimentos e pares de conectores personalizados com prazos de entrega bastante curtos. Considere, por exemplo, o Würth 65503503530505, uma montagem de cabos de 12 polegadas/305 mm com um plugue macho SMA reto em cada extremidade, usando cabo coaxial RG-316 (0,102 polegadas/2,59 mm de diâmetro externo), com espaguete termorretrátil colocado sobre as junções conector/cabo para alívio de tensão e robustez (Figura 18).

Imagem do Würth Elektronik 65503503530505 que é uma montagem padrão de cabos coaxiais de 12 polegadasFigura 18: O 65503503530505 é uma montagem padrão de cabo coaxial de 12 polegadas usando cabo RG-316 com plugues retos SMA macho em cada extremidade; observe o alívio de tensão entre o conector e o cabo. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

A ficha técnica para esta montagem de cabo inclui detalhes de materiais e dimensões mecânicas abrangentes, assim como especificações garantidas para VSWR (1,3) e perda de inserção (1,2 dB) desde CC a 6 GHz. Há também um gráfico mostrando a atenuação versus frequência por 30,5 m (100 pés), de modo que os usuários podem determinar rapidamente a atenuação para este ou qualquer comprimento escolhido do estilo de montagem de cabos (Figura 19).

Imagem da atenuação versus frequência para a montagem de cabos da Würth Elektronik 65503503530505Figura 19: é mostrada a atenuação versus frequência para a montagem do cabo 65503503530505. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

A ampla gama de montagens de cabos fornecidas pelo fornecedor não se limita a ter o mesmo tipo de conector em cada extremidade, mas também pode tratar diretamente de questões de interconexão e transição. Por exemplo, o 65530260515303 é uma montagem de cabo curto (6 polegadas/152 mm) usando cabo RG-174 com um jack macho RP-SMA de anteparo em uma extremidade e um jack macho MMCX reto na outra (Figura 20).

Imagem da montagem Würth Elektronik 65530260515303 que usa cabo RG-174Figura 20: as montagens de cabo também podem ser usadas como transições entre diferentes famílias de conectores; a montagem 65530260515303, por exemplo, usa cabo RG-174 e tem um jack macho RP-SMA de anteparo em uma extremidade e um jack macho MMCX reto na outra. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Há mais uma coisa a ter em mente com estes conectores e as montagens de cabos: eles são pequenos e às vezes difíceis de manusear ao apertar ou soltar seu corpo rosqueado. Ao mesmo tempo, eles precisam ser apertados a um valor especificado: muito pouco torque pode não fazer um contato confiável; muito torque pode levar a tensão e deformação das roscas, fazendo com que seu número de ciclos de acoplamento/desacoplamento seja reduzido. Por esta razão, a Würth Elektronik oferece a 6006330101 WR-Tool, uma pequena chave de torque para todos os conectores WR-SMA (Figura 21).

Imagem da Würth Elektronik 6006330101 WR-Tool que garante o corpo rosqueado do conector SMAFigura 21: O 6006330101 WR-Tool garante que o corpo roscado do conector SMA seja apertado de forma adequada e consistente, o que muitas vezes é um desafio em virtude do tamanho pequeno do corpo SMA. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

O uso desta ferramenta garante que o torque aplicado no conector esteja no nível especificado, garantindo assim o acoplamento adequado do contato, maximizando a confiabilidade e o desempenho consistente.

Conclusão

Os projetistas de circuitos e sistemas de RF com frequências que se estendem até a faixa de gigahertz têm uma escolha de conectores com diferentes tamanhos, estilos de corpo, arranjos de gênero e outros parâmetros críticos. Ao selecionar um conector com especificações elétricas e mecânicas apropriadas, e apertá-o corretamente, os desafios de garantir caminhos de sinal confiáveis, consistentes e de baixa perda entre circuitos, subcircuitos e sistemas são minimizados.

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About this author

Bill Schweber

Bill Schweber is an electronics engineer who has written three textbooks on electronic communications systems, as well as hundreds of technical articles, opinion columns, and product features. In past roles, he worked as a technical web-site manager for multiple topic-specific sites for EE Times, as well as both the Executive Editor and Analog Editor at EDN.

At Analog Devices, Inc. (a leading vendor of analog and mixed-signal ICs), Bill was in marketing communications (public relations); as a result, he has been on both sides of the technical PR function, presenting company products, stories, and messages to the media and also as the recipient of these.

Prior to the MarCom role at Analog, Bill was associate editor of their respected technical journal, and also worked in their product marketing and applications engineering groups. Before those roles, Bill was at Instron Corp., doing hands-on analog- and power-circuit design and systems integration for materials-testing machine controls.

He has an MSEE (Univ. of Mass) and BSEE (Columbia Univ.), is a Registered Professional Engineer, and holds an Advanced Class amateur radio license. Bill has also planned, written, and presented on-line courses on a variety of engineering topics, including MOSFET basics, ADC selection, and driving LEDs.

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