การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ RF เพื่อการทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ในโลกที่ขึ้นอยู่กับการเชื่อมต่อไร้สายมากขึ้น นักออกแบบระบบสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น GPS ทางทะเล IoT อุตสาหกรรม เกษตรกรรมอัจฉริยะ และยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ ต้องการส่วนประกอบ RF ที่สามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือภายใต้สภาพแวดล้อมที่รุนแรง ความท้าทาย ได้แก่ การสั่นสะเทือน ฝุ่น ความชื้นสูง การสัมผัสกับน้ำหรือของเหลวอื่นๆ และสเปรย์เกลือ แม้ว่าระบบจะต้องได้รับการออกแบบให้ทนทานต่อสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยเหล่านี้ ข้อกังวลหลักคือการเชื่อมต่อระหว่างกันด้วย RF ซึ่งการเชื่อมต่อแบบโคแอกเซียลจะส่งสัญญาณ RF ระหว่างอุปกรณ์หรือระหว่างอุปกรณ์กับเสาอากาศ นักออกแบบต้องแน่ใจว่าคอนเน็กเตอร์และสายเคเบิลที่ใช้นั้นเหมาะสมกับงาน ในขณะเดียวกันก็ตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพและความหนาแน่นของการเชื่อมต่อที่เพิ่มขึ้นด้วย

บทความนี้จะกล่าวถึงความท้าทายในการออกแบบสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงโดยสังเขป ก่อนที่จะแนะนำอะแดปเตอร์ RF คอนเน็กเตอร์ และชุดสายเคเบิลจาก Amphenol RF โดยแสดงให้เห็นว่าส่วนประกอบเหล่านี้สามารถช่วยป้องกันความชื้น ฝุ่น การสั่นสะเทือน และการกัดกร่อนของกล่องปิดผนึกได้อย่างไร ในขณะที่ให้ประสิทธิภาพ RF ที่เหนือกว่าในตัวคอนเน็กเตอร์ขนาดกะทัดรัดที่เหมาะสำหรับบรรจุภัณฑ์ที่มีความหนาแน่นสูง

สภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ตั้งแต่พื้นโรงงานไปจนถึงแท่นขุดเจาะน้ำมัน Internet of Things ระดับอุตสาหกรรม (IIoT) เป็นตัวอย่างของการใช้งานที่ใช้อุปกรณ์ RF ในสภาพแวดล้อมที่อาจรวมถึงความชื้นสูง ไอน้ำ ของเหลวที่พ่นหรือกระเด็น ฝุ่น หรือสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น น้ำเกลือ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แผนภาพแนวคิดของระบบ IIoT ที่มีเซ็นเซอร์ไร้สายและแบบใช้สายระยะไกลที่สื่อสารกับเกตเวย์ EDGE มีการใช้ตัวเชื่อมต่อ RF ตลอด (แหล่งที่มาภาพ: Art Pini)

IIoT ใช้เซ็นเซอร์อัจฉริยะ แอคชูเอเตอร์ หุ่นยนต์ และอุปกรณ์ที่คล้ายกันเพื่อปรับปรุงกระบวนการผลิต อุปกรณ์เหล่านี้เชื่อมต่อเครือข่ายเพื่อรวบรวม แลกเปลี่ยน วิเคราะห์ และควบคุม การแบ่งปันข้อมูลจากเครื่องจักรและระบบต่างๆ ช่วยให้กระบวนการทางอุตสาหกรรมมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้มากขึ้น

หากออกแบบอุปกรณ์ลักษณะนี้ คุณต้องคำนึงถึงสภาพแวดล้อมด้วย สภาพแวดล้อมที่รุนแรงจำเป็นต้องมีการปิดผนึกอุปกรณ์ และพอร์ตต่างๆ จะต้องทนต่อการกัดกร่อนและป้องกันการรั่วซึม เปลือกโลหะต้องใช้เสาอากาศภายนอก คอนเน็กเตอร์ยังจำเป็นสำหรับเซ็นเซอร์ภายนอกอุปกรณ์และส่งสัญญาณการเชื่อมต่อระหว่างกันกับอุปกรณ์อื่นๆ คอนเน็กเตอร์โคแอกเซียลสำหรับเสาอากาศหรือสายสัญญาณจะต้องปิดผนึกโดยใช้ตัวเครื่องและปะเก็นเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดความทนทานต่อการสัมผัสเหล่านี้ มาตรฐานอุตสาหกรรม IEC 60529 ใช้ระดับการป้องกันทางเข้า (IP) เพื่อกำหนดระดับการป้องกันที่คอนเน็กเตอร์มีให้ การจัดอันดับ IP ประกอบด้วยตัวอักษร IP ตามด้วยตัวเลขสองหลัก ตัวเลขตัวแรกแสดงถึงระดับการป้องกันฝุ่นและอนุภาคของแข็งที่เข้ามา ตัวเลขตัวที่สองระบุระดับการป้องกันน้ำเข้า คำจำกัดความของการจัดอันดับ IP นั้นแตกต่างกันไปตั้งแต่ไม่มีการป้องกันไปจนถึงการป้องกันที่สมบูรณ์ โดยตัวเลขที่สูงกว่าแสดงถึงการป้องกันที่มากขึ้น (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ระดับการป้องกันน้ำและฝุ่นเข้าตามมาตรฐาน IEC 60529 (แหล่งรูปภาพ: Amphenol RF)

คอนเน็กเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับการสัมผัสสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงควรมีระดับ IP 67 หรือ 68 ระดับ IP67 บ่งชี้ถึงการปิดผนึกกันฝุ่นและการป้องกันน้ำ รวมถึงการจุ่มลงในน้ำเป็นเวลา 30 นาทีที่ความลึกสูงสุด 1 เมตร

คอนเน็กเตอร์โคแอกเซียลระดับ IP67

Amphenol RF นำเสนอคอนเน็กเตอร์โคแอกเซียลประเภท SMA, BNC และ TNC ที่กันฝุ่นและกันน้ำระดับ IP ผลิตภัณฑ์รุ่น 901-10746-EE คือตัวอย่างแจ็ค SMA สำหรับสาย RG-58 ที่มีไว้สำหรับติดตั้งแผงกั้น และมีระดับ IP67 (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: แจ็คกั้น RF 901-10746-EE มีระดับ IP67 ซึ่งหมายความว่ากันน้ำ กันฝุ่น และทนต่อการกัดกร่อนของน้ำเค็ม (แหล่งรูปภาพ: Amphenol RF)

คุณลักษณะทางไฟฟ้าของคอนเน็กเตอร์ SMA ตัวเมียนี้ประกอบด้วยความต้านทานปกติที่ 50 โอห์ม (Ω) สำหรับสายโคแอกเชียล RG-58 ทำงานในช่วงความถี่ตั้งแต่ DC ถึง 6 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) โดยมีอัตราส่วนคลื่นนิ่งสูงสุด (VSWR) อยู่ที่ 1.30:1 ซึ่งเทียบเท่ากับการสูญเสียกลับที่ -18 เดซิเบล (dB) และมีการแยกย่อยอิเล็กทริก พิกัดกระแสไฟ 1,000 โวลต์ RMS (Vrms) ช่วงอุณหภูมิในการทำงานคือ -65°C ถึง +165°C กระบวนการประกอบเริ่มต้นด้วยการบัดกรีตัวนำกลางเข้ากับพินคอนเน็กเตอร์ เสียบพินและสายเคเบิลเข้าไปในคอนเน็กเตอร์โดยให้สายถักอยู่เหนือปุ่ม จากนั้นปลอกเฟอร์รูลโลหะจะถูกจีบย้ำเหนือสายถัก ปะเก็นโอริงซีลตัวเครื่องของคอนเน็กเตอร์เข้ากับแผงยึด

ตัวเครื่องของคอนเน็กเตอร์เป็นทองเหลือง ปลอกเฟอร์รูลเป็นทองแดง และทั้งคู่มีการชุบโลหะผสมดีบุก-นิกเกิลที่ทนต่อการกัดกร่อน การชุบเป็นไปตามมาตรฐานสเปรย์เกลือ MIL-STD-202 method 101 สำหรับสารละลายเกลือ 5% ทำซ้ำตลอด 720 ชั่วโมง หลังจากการสัมผัสกับสเปรย์เกลือ ความสมบูรณ์ของการชุบจะได้รับการตรวจสอบ และประสิทธิภาพ RF ของคอนเน็กเตอร์ รวมถึงความต้านทานการสัมผัสและการสูญเสียการคืนกลับ จะได้รับการทดสอบซ้ำ

หน้าสัมผัสตัวนำตรงกลางเป็นเบริลเลียม-ทองแดง ชุบทอง และสอดเข้าไปในไดอิเล็กตริกเทฟล่อน เป็นไปตามข้อกำหนด IP67 ในสถานะที่ไม่มีการเชื่อมต่อเมื่อประกอบเข้ากับสายเคเบิลและปลอกโลหะ

คอนเน็กเตอร์ติดตั้งอยู่กับแผงที่มีฮาร์ดแวร์สแตนเลสและปิดผนึกด้วยปะเก็นยางซิลิโคนเพื่อรับประกันความสมบูรณ์ทางกายภาพและความสอดคล้องตามมาตรฐาน IP67

ปลั๊กการจับคู่ SMA คือ Amphenol RF901-9876-RFX-EE ปลั๊ก SMA แบบอินไลน์ที่ติดตั้งสายเคเบิลนี้มีองค์ประกอบของวัสดุและการชุบเหมือนกันกับแจ็คกั้นและทำงานในช่วงอุณหภูมิเดียวกัน มันจับคู่กับแจ็คโดยใช้ปลอกเฟอร์รูลเกลียวเหนือตัวเกลียวของแจ็ค เช่นเดียวกับ 901-10746-EE ปลั๊กมีระดับ IP67 และได้รับการออกแบบให้ทำงานกับสายเคเบิล RG-58 มีช่วงความถี่การทำงานตั้งแต่ DC ถึง 12.4 GHz

คอนเน็กเตอร์ RF สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเหล่านี้ มีจำหน่ายในรูปแบบประเภท BNC และ TNC เช่นเดียวกัน คอนเน็กเตอร์ TNC คือคอนเน็กเตอร์ BNC รูปแบบเกลียว คอนเน็กเตอร์แบบเกลียวเมื่อขันให้แน่นตามแรงบิดที่ระบุ จะทนทานต่อการสั่นสะเทือน 031-6501-EE (รูปที่ 4 ด้านซ้าย) เป็นปลั๊กมุมฉากของ TNC ที่ใช้วัสดุชนิดเดียวกันและได้มาตรฐาน IP67 และความต้านทานการกัดกร่อนเช่นเดียวกับคอนเน็กเตอร์ SMA ได้รับการจัดระดับให้ทำงานในช่วงอุณหภูมิ -40°C ถึง 85°C ในทางไฟฟ้า มีอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ 50 Ω และช่วงความถี่การทำงานสูงสุด 6 GHz คอนเน็กเตอร์มุมฉากช่วยลดความจำเป็นในการงอสายเคเบิล ลดโอกาสที่จะเกิดความเสียหายกับสายโคแอกเซียล ขณะเดียวกันก็ประหยัดพื้นที่ในตู้ขนาดเล็กที่ใช้ใน IIoT และระบบที่คล้ายกัน 031-6501-EE สามารถจับคู่กับอะแดปเตอร์กั้นการจับคู่ได้ เช่น AD-TNCJTNCJ-EE (ภาพที่ 4 ด้านขวา)

รูปที่ 4: ปลั๊ก TNC 031-6501-EE มุมฉากและอะแดปเตอร์กั้น AD-TNCJTNCJ-EE TNC ช่วยให้หมุนได้อย่างแน่นหนาโดยไม่ต้องงอสายเคเบิล พร้อมทั้งประหยัดพื้นที่ในตู้ IIoT ขนาดกะทัดรัด (แหล่งรูปภาพ: Amphenol RF)

AD-TNCJTNCJ-EE ได้รับการจัดระดับ IP68 ทนทานต่อการกัดกร่อน และมีช่วงอุณหภูมิในการทำงานที่ -65°C ถึง +165°C อินพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของผลิตภัณฑ์คือ 50 Ω และทำงานได้สูงถึง 18 GHz VSWR ของผลิตภัณฑ์คือ 1.2:1 (เทียบเท่ากับการสูญเสียส่งคืน -21 dB) สำหรับความถี่ระหว่าง 0 ถึง 11 GHz และ 1.3:1 (เทียบเท่ากับการสูญเสียส่งคืน -18 dB) สำหรับความถี่ระหว่าง 11 ถึง 18 GHz อะแดปเตอร์กั้นช่วยให้สามารถถอดสายเคเบิลออกจากแผงยึดหรือประตูได้ เพื่อให้สามารถถอดเข้าซ่อมบำรุงได้ง่าย

คอนเน็กเตอร์ BNC เปรียบเสมือนหน่วย TNC โดยจะมีความแตกต่างกันที่กลไกการล็อคเป็นหลัก BNC คือคอนเน็กเตอร์แบบเชื่อมต่อ/ปลดอย่างรวดเร็ว ซึ่งใช้ตัวเชื่อมแบบดาบปลายปืนสองตัวที่ด้านแจ็คซึ่งเกี่ยวเข้ากับช่องบนชุดปลั๊ก โดยล็อคเข้าด้วยกันด้วยการบิดสี่รอบ นอกจากนี้ยังมีการป้องกันน้ำเข้าและความต้านทานการกัดกร่อนของสเปรย์เกลือระดับ IP67

ปลั๊ก BNC 031-6924-EE (รูปที่ 5 ซ้าย) มีช่วงอุณหภูมิการใช้งานอยู่ที่ -40°C ถึง +85°C อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ 50 Ω เข้ากันได้กับสายเคเบิล RG-58 โดยมี VSWR อยู่ที่ 1.30:1 (เทียบเท่ากับการสูญเสียย้อนกลับที่ -18 dB) และช่วงความถี่ DC ถึง 6 GHz

AD-BNCJBNCJ-EE เต้ารับการจับคู่ (รูปที่ 5 ขวา) เป็นอะแดปเตอร์กั้นแบบแจ็คต่อแจ็คที่เป็นคอนเน็กเตอร์ 50 Ωด้วยความถี่สูงสุด 12 GHz VSWR ของมันคือ 1.30:1 (เทียบเท่ากับการสูญเสียส่งคืน -18 dB) จาก DC ถึง 4 GHz และน้อยกว่า 1.45:1 (เทียบเท่ากับการสูญเสียส่งคืน -15 dB) จาก 4 ถึง 12 GHz ช่วงอุณหภูมิในการทำงานคือ -40°C ถึง +85°C

รูปที่ 5: ส่วนประกอบคอนเน็กเตอร์ BNC แบบเอ็กซ์ตรีมใช้สำหรับการเชื่อมต่อ/ยกเลิกการเชื่อมต่ออย่างรวดเร็ว (แหล่งรูปภาพ: Amphenol RF)

สรุป

เมื่อออกแบบอุปกรณ์ไร้สาย นักออกแบบต้องพิจารณาข้อกำหนดการใช้งานทางกายภาพและทางไฟฟ้าเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์มีฟังก์ชันการทำงานและอายุการใช้งานยาวนาน ตัวเชื่อมต่อ RF แบบโคแอกเซียลที่ใช้ในระบบไร้สายมีหน้าที่หลักในการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณโดยไม่คำนึงถึงสภาพแวดล้อมโดยรอบ ด้วยเหตุนี้ การเลือกคอนเน็กเตอร์และอะแดปเตอร์ที่มีความน่าเชื่อถือสูงที่สามารถทนต่อการสั่นสะเทือน การรั่วซึมของของเหลว ฝุ่น และการกัดกร่อนจึงเป็นสิ่งสำคัญ คอนเน็กเตอร์ Extreme Exposure ของ Amphenol RF เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบที่มีจุดประสงค์เพื่อใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง