وبلاگ

انواع اصلی اتصال‌دهنده‌های RF و مشخصات عملکرد آن‌ها در فرکانس بالا

اتصال‌دهنده‌های SMA، 2.92mm، 2.4mm و SMP: محدوده فرکانسی، تکرارپذیری و موارد استفاده

کانکتورهای SMA همچنان در کاربردهای زیر 18 گیگاهرتزی که از تاورهای سلولی تا سیستم‌های رادیویی دیده می‌شوند، مورد استفاده قوی قرار دارند، زیرا دوام خوبی دارند و هزینه زیادی نمی‌کشند. نقطه ضعف آنها چیست؟ رزوهای روی این کانکتورها پس از حدود 500 بار وصل و قطع شدن شروع به فرسودگی می‌کنند که این امر باعث می‌شود اتصالات مکرر در طول زمان کمتر قابل اعتماد باشند. با این حال، هنگامی که سیستم‌ها باید در فرکانس‌های بالاتر کار کنند، مهندسان به گزینه‌های دیگر روی می‌آورند. کانکتور 2.92 میلی‌متری (که گاهی K-connector نامیده می‌شود) تا فرکانس 40 گیگاهرتز قابل استفاده است، در حالی که مدل کوچکتر 2.4 میلی‌متری تا حدود 50 گیگاهرتز را پوشش می‌دهد. این کانکتورها از هوا به جای مواد جامد بین هادی‌ها استفاده می‌کنند و مشخصات ساخت بسیار دقیق‌تری دارند، بنابراین افت سیگنال کمتری دارند و ارتباط الکتریکی بهتری در تمام طول اتصال حفظ می‌شود. سپس خانواده کانکتورهای SMP را داریم که دارای تماس‌های فنری لغزان هستند و به سادگی قفل می‌شوند. این کانکتورها فضای کمتری اشغال می‌کنند و می‌توانند کاملاً حول محور بچرخند، که آنها را به گزینه‌ای عالی برای سیستم‌های آرایه فازی شلوغ تبدیل می‌کند که در آنها فضا مهم است. این کانکتورها نیز به‌طور قابل اعتمادی تا فرکانس 40 گیگاهرتز قابل استفاده هستند. اما به یک نکته توجه کنید: این نقاط تماس انعطاف‌پذیر در واقع باعث اتلاف سیگنال بیشتری نسبت به کانکتورهای دقیق و سفت می‌شوند که براساس اندازه‌گیری‌ها حدود 0.3 دسی‌بل اتلاف اضافی در 30 گیگاهرتز ایجاد می‌کنند.

اتصال‌دهنده‌های دی‌الکتریک با دقت بالا (به عنوان مثال APC-7) و اتصال‌دهنده‌های BMAM: مزایای پایداری فاز و پهنای باند بالای 40 گیگاهرتز

هنگام کار در فرکانس‌های بالای 40 گیگاهرتز، اتصالات دی‌الکتریک هوا مانند سری APC-7 مشکلات ناشی از ماده PTFE که باعث ناپایداری فاز می‌شود را از بین می‌برند و ثبات دامنه قابل توجهی در حدود ±0.05 دسی‌بل تا فرکانس 110 گیگاهرتز حاصل می‌کنند. عدم وجود گوی‌های درونی در طراحی این اتصالات به کاهش پرش‌های آزاردهنده امپدانس کمک می‌کند و نسبت موج ایستای ولتاژ را حتی در سطح 50 گیگاهرتز نیز زیر 1.05 نگه می‌دارد. برای کاربردهایی که عملکرد طولانی‌تری نیاز دارند، اتصالات BMAM با درزهای هرمیتیک ادغام‌شده خاص خود کار را به سطح بالاتری می‌برند و از مشکلات اکسیداسیون جلوگیری می‌کنند — موضوعی که در مورد ماهواره‌هایی که نیاز به هزاران چرخه اتصال دارند، ضروری مطلق است. این رابط‌های پیشرفته امکان عملکرد همگام‌سازی‌شده در چندین پورت را در سیستم‌های راداری مدرن فراهم می‌کنند، جایی که ردیابی فاز با انحراف تنها 0.5 درجه در 70 گیگاهرتز به طور قابل توجهی دقیق باقی می‌ماند. آزمون‌های انجام‌شده مطابق استانداردهای IEEE MTT-S نشان می‌دهند که این اتصالات در مقایسه با گزینه‌های پر شده با پلیمر، در حفظ پایداری در طول زمان حدود 40٪ عملکرد بهتری دارند.

معیارهای انتخاب حیاتی کانکتورهای RF برای سیستم‌های میلی‌متری

انتخاب کانکتورهای RF برای سیستم‌های موج میلی‌متری (فرکانس‌های بالای 30 گیگاهرتز) نیازمند اعتبارسنجی دقیق در برابر سه خطر عملکرد الکترومغناطیسی است:

• رفتار قطع : ابعاد کانکتور باید از ایجاد مد‌های مرتبه بالاتر جلوگیری کند. در 40 گیگاهرتز، فرکانس قطع نظری یک کانکتور 2.92 میلی‌متری حدود 46 گیگاهرتز است — اما تحملات ساخت می‌توانند باعث تحریک زودهنگام مد شوند و کیفیت سیگنال را کاهش دهند.
• تحریف هارمونیک : رابط‌های تماسی غیرخطی سیگنال‌های ناخواسته را در مضرب‌های صحیح فرکانس اصلی تولید می‌کنند. تماس‌های روی‌آوری‌شده با طلا روی مس-بریلیوم در مقایسه با برنج روی‌آوری‌شده با نقره، اعوجاج ترکیبی را تا 15 دسی‌بل سی (dBc) کاهش می‌دهند و خلوص طیفی را حفظ می‌کنند.
• رنونانس دی‌الکتریک : عایق‌های پلیمری در فرکانس‌های بالای 26 گیگاهرتز دارای قله‌های جذب رزونانسی هستند. طراحی‌های با دی‌الکتریک هوایی به‌طور کامل این پدیده را حذف می‌کنند و ضریب موج ایستاده ولتاژ (VSWR) را تا 50 گیگاهرتز کمتر از 1.15 حفظ می‌کنند.

عوامل مؤثر بر تلفات انتقال: ماده هادی، زبری سطحی و اثرات مقیاس‌بندی هندسی بر تلفات کانکتورهای RF

اتلاف درج در اتصال‌دهنده‌های RF موج میلی‌متری به دلیل سه عامل غالب به صورت غیرخطی تغییر می‌کند:

1. مقاومت هادی : مس بدون اکسیژن (Î = 58 مگاسیمنس/متر) در فرکانس 60 گیگاهرتز نسبت به برنز، اتلاف ناشی از اثر پوستی را 22٪ کاهش می‌دهد.
2. خشونت سطح : زبری RMS بیش از 0.4 میکرومتر، در فرکانس 40 گیگاهرتز باعث افزایش اتلاف به میزان 0.05 دسی‌بل بر سانتی‌متر می‌شود؛ تماس‌های پولیش آینه‌ای کمتر از 0.01 دسی‌بل کاهش عملکرد در هر اتصال را حفظ می‌کنند.
3. ناپیوستگی‌های هندسی : عدم هم‌محوری 5 میکرومتری در هادی مرکزی در فرکانس 50 گیگاهرتز منجر به اتلاف اضافی 0.2 دسی‌بل می‌شود که ناشی از تراکم جریان است و لزوم استفاده از هندسه‌های تماسی هذلولوی یا دندانه‌دار را برجسته می‌کند.

اعتبارسنجی محدوده فرکانسی: رفتار قطع، سرکوب مد و خطرات هماهنگی بالاتر از 26 گیگاهرتز

عملکرد پایدار از نظر فاز بالاتر از 26 گیگاهرتز نیازمند کنترل دقیق سه پارامتر است:

• تحمل امپدانس : حفظ 50 اهم ±0.5 اهم، بازتاب‌های ناشی از VSWR را محدود می‌کند. اتصال‌دهنده‌های SMA استاندارد در فرکانس‌های بالاتر از 18 گیگاهرتز تحمل بیش از ±2 اهم دارند و بنابراین برای کاربردهای موج میلی‌متری مناسب نیستند.
• زیان بازگشت : مشخصات بیش از 20 دسی‌بل از ایجاد امواج ایستا در سیستم‌های آزمایش جلوگیری می‌کند؛ اتصال‌دهنده‌های دقیق به مقدار بیش از 26 دسی‌بل تا 40 گیگاهرتز دست می‌یابند.
• دift حرارتی : نسبت موج ایستا ولتاژی (VSWR) کمتر از 0.05 در محدوده دمایی −55°C تا +125°C، عملکرد یکنواخت را در محیط‌های راداری و هوافضایی تضمین می‌کند.

حفظ امپدانس و کنترل VSWR در رابط‌های اتصال RF با فرکانس بالا

تجمع تلرانس‌ها، هم‌محوری تماس مرکزی و کاهش تلفات بازتابی در فرکانس‌های بالای 20 گیگاهرتز

ثابت نگه داشتن امپدانس زمانی که به فرکانس‌های بالای 20 گیگاهرتز برسیم، بسیار دشوار می‌شود. در این سطوح بالا، حتی تغییرات ریز مکانیکی در مقیاس میکرون نیز می‌توانند نسبت موج ایستاده ولتاژ (VSWR) را به‌طور قابل توجهی مختل کنند. هنگامی که عدم تطابق 5 اهمی بین قطعات وجود داشته باشد، این امر در واقع باعث افزایش حدود 40 درصدی انعکاس سیگنال در آن سیستم‌های میلی‌متری می‌شود. نکته دیگری که باید به آن توجه کرد، مشکلات تراز مرکزی هادی مرکزی است. اگر این تراز بیش از 0.05 میلی‌متر خطا داشته باشد، که به دلیل انباشت خطاهای دقت در طول زمان اتفاق می‌افتد، افت بازگشتی بین 3 تا 6 دسی‌بل در 40 گیگاهرتز کاهش می‌یابد. این موضوع منجر به مشکلات واقعی مانند اتلاف توان و اعوجاج فاز می‌شود که برای عملکرد صحیح آنتن‌های آرایه فازی بسیار حیاتی است.

تکنیک‌های دقیق تراز‌دهی این اثرات را کاهش می‌دهند:

• پروفایل‌های تماس هذلولوی VSWR را به زیر 1.15:1 کاهش می‌دهند
• رابط‌های دندانه‌دار در حین چرخه‌های دمایی از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد، پایداری حرارتی به میزان 18 درصد بهتری نشان می‌دهند
• شکاف‌های هوایی کمینه شده، تغییرات امپدانس ناشی از دی‌الکتریک را جلوگیری می‌کنند

بالای 30 گیگاهرتز، زبری سطح رفتار تلفات را تحت سیطره قرار می‌دهد. تماس‌هایی که تا <0.1 میکرومتر Ra صیقل داده شده‌اند، افت درجی را به میزان کمتر از 0.1 دسی‌بل در هر اتصال حفظ می‌کنند. بدون چنین کنترل‌هایی، ضریب موج ایستاده ولتاژ (VSWR) بیش از 1.5:1 خواهد بود که بیش از 4٪ توان انتقالی را بازتاب می‌دهد و به‌طور جدی مقدار بردار خطای (EVM) در سیگنال‌های مدوله‌شده 256-QAM را تخریب می‌کند.

ادغام کابل با اتصال‌دهنده RF: به حداقل رساندن ناپیوستگی‌ها و بازتاب‌ها

در سیستم‌های با فرکانس بالا که روزانه با آن‌ها کار می‌کنیم، برقراری اتصال صحیح بین کابل‌ها و اتصال‌دهنده‌های RF اهمیت زیادی دارد. حتی اختلاف امپدانس کوچکی در حدود ۵ اهم می‌تواند باعث بازتاب سیگنال به میزان تا ۴۰٪ شود. این بازتاب‌ها واقعاً روی اندازه‌گیری‌های EVM در سیگنال‌های مدوله شده تأثیر می‌گذارند. مشکل در فرکانس‌های mmWave بدتر می‌شود، زیرا طول موج‌ها بسیار کوتاه هستند. آنچه ممکن است به نظر یک قطعیت جزئی بیاید، در این فرکانس‌های بالا تبدیل به منبع اصلی پراکندگی سیگنال می‌شود. مهندسان باید به این موضوع توجه کنند، زیرا نصب صحیح اتصال‌دهنده تفاوت چشمگیری در عملکرد سیستم ایجاد می‌کند. هنگامی که با این چالش‌ها روبرو هستیم، مهندسان معمولاً از چندین روش برای کاهش بازتاب‌های ناخواسته استفاده می‌کنند.

• حفظ پیوستگی امپدانس دقیق ۵۰Ω در تمامی رابط‌ها
• هدف قرار دادن VSWR <1.2:1، به ویژه در ایستگاه‌های پایه massive MIMO که در آن‌ها اختلاف‌های زنجیره‌ای تشدید می‌شوند
• از هادی‌های موج‌دار استفاده کنید که در دمای بین 40- تا 85+ درجه سانتی‌گراد، پایداری حرارتی بهتری تا 18٪ نسبت به انواع صاف فراهم می‌کنند

تراز دقیق تماس‌های مرکزی و ساختارهای نگهدارنده دی‌الکتریک باعث جلوگیری از کاهش بازده بازتابش در فرکانس‌های بالاتر از 20 گیگاهرتز می‌شود. تحلیل‌های صنعتی نشان می‌دهد تقریباً یک‌سوم مشکلات تأخیر در شبکه‌های 5G شهری به دلیل عدم تطابق خطوط هم‌محور رخ می‌دهد — که بر اهمیت ادغام بهینه با ثبات هندسی، مواد با زبری سطحی حداقل و کاهش تحریک مد پارازیتی تأکید دارد.

بخش سوالات متداول

• معایب اصلی اتصالات SMA چیست؟

  معیوب اصلی اتصالات SMA این است که رزوه‌های آنها پس از حدود 500 بار وصل و قطع ساییده می‌شوند و در نتیجه اتصالات مکرر با گذشت زمان کمتر قابل اعتماد می‌شوند.

• چرا از اتصالات دی‌الکتریک هوایی در فرکانس‌های بالای 40 گیگاهرتز استفاده می‌شود؟

  اتصال‌دهنده‌های دی‌الکتریک هوایی، از جمله سری APC-7، در فرکانس‌های بالای 40 گیگاهرتز ترجیح داده می‌شوند، زیرا مشکلات ناپایداری فاز را حذف کرده و سازگاری دامنه‌ای قابل توجهی را حفظ می‌کنند و همچنین نوسانات امپدانس را کاهش داده و عملکرد بهتری فراهم می‌آورند.

• عوامل مؤثر در تلفات القایی در اتصال‌دهنده‌های فرکانس رادیویی موج میلی‌متری چیست؟

  تلفات القایی در اتصال‌دهنده‌های فرکانس رادیویی موج میلی‌متری تحت تأثیر مقاومت هادی، زبری سطح و ناپیوستگی‌های هندسی قرار دارد.

• مهندسین چگونه بازتاب سیگنال را در سیستم‌های فرکانس بالا به حداقل می‌رسانند؟

  مهندسین با حفظ پیوستگی امپدانس دقیق 50 اهم، هدف قرار دادن VSWR کمتر از 1.2:1 و استفاده از هادی‌های دندانه‌دار برای پایداری حرارتی بهتر در حین چرخه‌های کاری، بازتاب سیگنال را به حداقل می‌رسانند.

• چرا ترازبندی تماس مرکزی در فرکانس‌های بالای 20 گیگاهرتز حیاتی است؟

  ترازبندی تماس مرکزی در فرکانس‌های بالای 20 گیگاهرتز حیاتی است، زیرا عدم ترازبندی می‌تواند بازده بازتاب را به شدت کاهش داده و منجر به اتلاف توان و اعوجاج فاز شود که برای عملکرد آنتن آرایه فازی ضروری است.