Blog

Főbb RF-kapcsoló típusok és magas frekvenciás teljesítményprofiljaik

SMA, 2,92 mm, 2,4 mm és SMP kapcsolók: Frekvenciahatárok, ismételhetőség és alkalmazási területek

Az SMA csatlakozók továbbra is kiválóan működnek azokban az alacsonyabb, 18 GHz alatti alkalmazásokban, amelyeket sejtoronyszerű rendszerektől kezdve rádiórendszerekig mindenütt láthatunk, mivel jól bírják a terhelést és nem kerülnek túl sok pénzbe. A hátrányuk? A meneteik kb. 500 csatlakoztatási és leválasztási ciklus után elkezdenek elkopni, ami idővel megbízhatatlanabbá teszi az ismételt csatlakozásokat. Amikor azonban magasabb frekvenciákon kell működnie a rendszernek, a mérnökök más megoldásokhoz fordulnak. A 2,92 mm-es csatlakozó (néha K-csatlakozó néven ismert) akár 40 GHz-es frekvenciáig képes működni, míg a kisebb, 2,4 mm-es változat még tovább, körülbelül 50 GHz-ig terjed. Ezek a csatlakozók szilárd anyagok helyett levegőt használnak az érintkezők között, és sokkal szigorúbb gyártási tűrésekkel rendelkeznek, így kevesebb jelet veszítenek, és jobb elektromos folytonosságot biztosítanak az egész kapcsolaton keresztül. Létezik még az SMP csatlakozócsalád is, amelyeknek csúszó, rugós érintkezői egyszerűen „kattannak” a helyükre. Ezek kevesebb helyet foglalnak, és teljesen körbeforgathatók, így kiválóan alkalmasak zsúfolt fáziseltolásos tömbökben való használatra, ahol a hely fontos szempont. Ezek is megbízhatóan kezelik a 40 GHz-es jeleket. Figyeljen azonban egy dologra: az ilyen rugalmas érintkezési pontok valójában nagyobb jelcsillapodást okoznak, mint a merevebb, pontos csatlakozók – mérések szerint kb. 0,3 dB-rel többet 30 GHz-en.

Pontos légtörzses (pl. APC-7) és BMAM csatlakozók: fázisstabilitás és sávszélesség előnyök 40 GHz felett

40 GHz-nél magasabb frekvenciákon történő működtetés esetén az APC-7 sorozatú levegő dielektrikumú csatlakozók kiküszöbölik a PTFE anyagból adódó fázisinstabilitást, és lenyűgöző amplitúdóállandóságot érnek el, ±0,05 dB-en belül egészen 110 GHz-ig. A tervezésben szereplő gyöngyök hiánya hozzájárul azoknak az idegesítő impedanciaugrásoknak a csökkentéséhez, és a feszültségállóhullám-viszonyt 1,05 alatt tartja még 50 GHz-es szinten is. Olyan alkalmazásokhoz, amelyek kiterjedt teljesítményt igényelnek, a BMAM csatlakozók tovább mennek, speciális olvasztott hermetikus tömítésekkel, amelyek megakadályozzák az oxidációs problémákat – ez elengedhetetlen olyan műholdaknál, amelyeknél több ezer csatlakozási ciklus szükséges. Ezek az előrehaladott interfészek lehetővé teszik a szinkronizált működést több porton keresztül a modern radarrendszerekben, ahol a fáziskövetés meglepően pontos, mindössze 0,5 fokos eltéréssel 70 GHz-en. Az IEEE MTT-S szabványok szerinti tesztek azt mutatják, hogy ezek a csatlakozók időbeli stabilitás szempontjából körülbelül 40%-kal felülmúlják a polimer töltésű megoldásokat.

Kritikus RF csatlakozókiválasztási szempontok milliméterhullámú rendszerekhez

Az RF-csatlakozók kiválasztása milliméterhullámú rendszerekhez (30 GHz-nél magasabb frekvenciák) szigorú ellenőrzést igényel három elektromágneses teljesítménykockázat vonatkozásában:

• Lezáródási viselkedés : A csatlakozó méreteinek gátolniuk kell a magasabb rendű módusokat. 40 GHz-en egy 2,92 mm-es csatlakozó elméleti lezáródása körülbelül 46 GHz, de a gyártási tűrések korai móduskeltést okozhatnak, ami rontja a jelminőséget.
• Harmonikus torzítás : A nemlineáris érintkezőfelületek zavarjeleket generálnak az alapfrekvencia egész számú többszörösein. Aranyozott berilliumréz érintkezők 15 dBc-kal csökkentik az intermodulációs torzítást az ezüstözött sárgarézzel szemben, így megőrzik a spektrális tisztaságot.
• Dielektrikumrezonancia : A polimer szigetelőanyagok rezonanciaelnyelési csúcsokat mutatnak 26 GHz felett. A levegőszigeteléses kialakítás teljesen kiküszöböli ezt a mechanizmust, és VSWR <1,15 értéket biztosít 50 GHz-ig.

Beszűrési veszteség okozói: vezető anyaga, felületi érdesség és geometriai skálázási hatások az RF csatlakozó veszteségén

A milliméterhullámú RF-kapcsolók beszűrődési vesztesége nemlineárisan változik három domináns tényező miatt:

1. Vezetőképesség : Az oxigéntelen réz (Î = 58 MS/m) 22%-kal csökkenti a bőrhattyú hatásból fakadó veszteséget 60 GHz-en a sárgarézzel összehasonlítva.
2. Felszín roughness : A 0,4 µm-t meghaladó RMS érdesség 0,05 dB/cm-es veszteségnövekedést okoz 40 GHz-en; a tükrösre polírozott érintkezők kapcsolatonkénti degradációját <0,01 dB szinten tartják.
3. Geometriai szakadások : Egy 5 µm-es középső vezető eltolódás áramkoncentráció következtében további 0,2 dB veszteséget okoz 50 GHz-en – hangsúlyozva a hiperbolikus vagy redelt érintkezőgeometriák szükségességét.

Frekvenciatartomány-érvényesítés: Vágási viselkedés, módusszuppresszió és harmonikus kockázatok 26 GHz felett

26 GHz feletti fázisstabil működéshez szigorú kontroll szükséges a következő három paraméter vonatkozásában:

• Impedancia tűréshatár : A 50 Ω ±0,5 Ω fenntartása korlátozza a VSWR-ből adódó visszaverődéseket. A szabványos SMA-kapcsolók 18 GHz felett túllépik a ±2 Ω tűréshatárt, így alkalmatlanok mmHullámú alkalmazásokra.
• Visszaveresztés : A 20 dB-nél nagyobb értékű specifikáció meggátolja a állóhullámok kialakulását a tesztelési kialakításokban; a pontos csatlakozók 26 dB-nél nagyobb értéket érnek el 40 GHz-ig.
• Hőmérsékleti elterjedés : Egy 0,05-nél kisebb VSWR érték -55 °C és +125 °C között biztosítja az állandó teljesítményt radar- és repülési környezetekben.

Impedancia integritás és VSWR-szabályozás nagyfrekvenciás RF csatlakozófelületeken

Tűréshatár összegződések, központi érintkező igazítás és visszaverődési veszteség romlása 20 GHz felett

Az impedancia stabil tartása nagyon nehézzé válik, amint elérjük a 20 GHz feletti frekvenciákat. Ilyen magas szinteken még a mikron méretű mechanikai változások is jelentősen ronthatják a feszültségálló hullámviszonyt (VSWR). Amikor 5 ohmos illesztetlenség van az alkatrészek között, a jelek visszaverődése körülbelül 40%-kal növekszik a milliméterhullámú rendszerekben. Egy másik érdemleges tényező a központi vezetők igazításának pontatlansága. Ha ez több, mint 0,05 mm-rel tér el – ami meglehetősen gyakori a hosszú idő alatt felhalmozódó tűrések miatt – a visszaverődés csillapítása 40 GHz-en 3–6 dB közé esik. Ez olyan valós problémákhoz vezet, mint teljesítményveszteség és fáziseltorzódás, amelyek kritikus fontosságúvá válnak a fázisvezérelt antennák megfelelő működéséhez.

A precíziós igazítási technikák csökkentik ezeket a hatásokat:

• Hiperbolikus érintkezési profilok csökkentik a VSWR-t 1,15:1 alá
• Hullámos felületek 18%-kal jobb hőstabilitást mutatnak −40°C és +85°C közötti hőmérséklet-ciklusok során
• A minimalizált légrés megakadályozza a dielektrikum okozta impedanciaugrásokat

30 GHz felett a felületi érdesség határozza meg a veszteségviselkedést. A <0,1 µm Ra értékre polírozott csatlakozók csillapítása alacsonyan tartja az illesztési veszteséget, 0,1 dB alatt minden csatlakozásnál. Ilyen szabályozások nélkül a VSWR meghaladhatja az 1,5:1 értéket, ami a leadott teljesítmény több mint 4%-át veri vissza – jelentősen rontva az 256-QAM modulált jelek hibavektor-mértékét (EVM).

Kábel-RF-csatlakozó integráció: Szakadások és visszaverődések minimalizálása

Nagyon fontos a megfelelő kapcsolat kialakítása a kábelek és az RF-kapcsolók között, különösen akkor, amikor a mindennapi munkánk során használt nagyfrekvenciás rendszerekben tiszta jeleket szeretnénk megtartani. Már az 5 ohmos impedancia kismértékű eltérései is olyan jelvisszaverődéseket okozhatnak, amelyek akár 40%-ra is nőhetnek. Ezek a visszaverődések jelentősen ronthatják a modulált jelek EVM-méréseit. A probléma súlyosbodik a mmWave frekvenciákon, mivel ott a hullámhosszok rendkívül rövidek. Ami alacsonyabb frekvencián folytonossági szakadásnak tűnhet, az ilyen magas frekvenciákon már komoly jelkisugárzás forrása lehet. Az építészeknek figyelemmel kell kísérniük ezt a tényt, hiszen a megfelelő csatlakozók beépítése döntő hatással van a rendszer teljesítményére. Ezekkel a kihívásokkal szembenállva az építészek általában több módszert alkalmaznak a nemkívánatos visszaverődések csökkentésére.

• Szoros 50Ω-os impedancia-folytonosság fenntartása minden interfészen
• Cél VSWR <1,2:1, különösen masszív MIMO bázisállomásoknál, ahol a kaszkádosodó illesztetlenségek összeadódnak
• Használjon hullámos vezetőket, amelyek 18%-kal jobb hőállóságot biztosítanak sima alternatívákkal szemben −40 °C és +85 °C közötti hőmérséklet-ciklusok során

A központi érintkezők és dielektrikus alátámasztó szerkezetek pontos igazítása megakadályozza a visszaverődés csökkenését 20 GHz felett. A szektor elemzései majdnem az urbanizált területek 5G késleltetési problémáinak egyharmadát koaxiális vonalak illesztési hibáinak tulajdonítják – hangsúlyozva, hogy az optimális integráció a geometriai konzisztenciát ötvözi olyan anyagokkal, amelyek minimális felületi érdességet és csökkentett parazita módusgerjesztést biztosítanak.

GYIK szekció

• Mi az SMA-kapcsolók fő hátránya?

  Az SMA-kapcsolók fő hátránya, hogy meneteik kb. 500 csatlakoztatás-leválasztás után elkopnak, emiatt az ismételt csatlakozások idővel kevésbé megbízhatók.

• Miért részesítik előnyben az air dielectric kapcsolókat 40 GHz felett?

  A levegő dielektrikumú csatlakozók, mint például az APC-7 sorozat, 40 GHz felett kerülnek előtérbe, mivel kiküszöbölik a fázisinstabilitás problémáját, és kiváló amplitúdó-konstanciát tartanak fenn, csökkentve az impedanciaugrásokat a jobb teljesítmény érdekében.

• Milyen tényezők járulnak hozzá a milliméterhullámú RF-csatlakozók beillesztési veszteségéhez?

  A milliméterhullámú RF-csatlakozók beillesztési veszteségét a vezetők ellenállása, a felületi érdesség és a geometriai szakadások befolyásolják.

• Hogyan minimalizálják a mérnökök a jelvisszaverődést nagyfrekvenciás rendszerekben?

  A mérnökök a szigorú 50Ω impedancia-folytonosság fenntartásával, az SWR <1,2:1 célponttal és a hullámosított vezetők használatával csökkentik a jelvisszaverődést, így biztosítva a jobb hőmérsékleti stabilitást üzem közben.

• Miért kritikus a központi érintkező igazítása 20 GHz felett?

  A központi érintkező igazítása kritikus 20 GHz felett, mert az igazítási hibák jelentősen ronthatják a visszaverődési veszteséget, teljesítményvesztést és fázistorzítást okozva, ami lényeges a fázishelyezhető antennatömbök működéséhez.