Guia do engenheiro para seleção e uso de cabos de conexão RF

Os cabos de conexão RF são usados em uma ampla variedade de aplicações, desde domínios bem estabelecidos, como aeroespacial e comunicações, até casos de uso mais recentes, como automotivo, industrial e a Internet das Coisas (IoT). Essa lista crescente de aplicações levou ao desenvolvimento de novos tipos de cabos de conexão RF, dando aos engenheiros mais oportunidades de otimizar seus projetos de sistemas de RF.

No entanto, todo esse crescimento está complicando o processo de design. Com tantos conjuntos no mercado, é difícil identificar a melhor opção para uma determinada aplicação. Além disso, o uso do cabeamento de RF em novas aplicações está colocando a tecnologia desconhecida diante de mais projetistas, instaladores e técnicos de manutenção. Aliado as considerações ambientais e de espaço, esses grupos agora precisam se familiarizar com a compatibilidade de frequência, o casamento de impedância, a relação de tensão da onda estacionária (VSWR), o acoplamento magnético e a blindagem.

Para garantir o desempenho e a confiabilidade dos sistemas de RF, os engenheiros precisam de uma abordagem atenta e um roteiro claro das opções e possíveis armadilhas que os aguardam.

Começando com uma breve visão geral das aplicações de RF, incluindo suas características elétricas, construção física e casos de uso típicos, este artigo serve como um guia para a complexa tarefa de escolher, instalar e prestar manutenção nos cabos de conexão de RF. Exemplos da Molex são apresentados para ilustrar os principais critérios de seleção e uso.

Os casos de uso crescente dos cabos de conexão RF

As tecnologias de RF abrangem uma grande variedade de setores, cada um com seus desafios exclusivos. As frequências variam de centenas de hertz (Hz) a dezenas de gigahertz (GHz). Algumas aplicações exigem robustez. Outras têm pegadas físicas extremamente limitadas. Para ilustrar a diversidade de casos de uso, considere estas aplicações comuns:

• Aeroespacial e defesa: Sistemas de radar, canais de comunicação e GPS
• Automotivo e transporte: Sistemas de infoentretenimento, navegação e redes de comunicação veicular
• Telecomunicações e transmissão: Sinais de vídeo 8K em redes Wi-Fi, LTE e 5G
• Industrial: Sensores de IoT, linhas de montagem automatizadas e telemetria
• Médicas: Sistemas de monitoramento remoto de pacientes, máquinas de diagnóstico avançadas e unidades de cirurgia robótica
• Teste e medição: Medições de bancada, testes de campo e garantia de qualidade em configurações de fabricação

Devido ao uso crescente de RF, mais engenheiros e projetistas estão se envolvendo com circuitos de alta frequência, muitos deles sem experiência nessa tecnologia. Diante de prazos e orçamentos apertados, eles precisam de soluções que simplifiquem suas tarefas e, ao mesmo tempo, garantam que seus sistemas funcionem de forma confiável.

É aí que entram os cabos de conexão RF. Esses conjuntos consistem em conectores e cabos pré-montados que atendem aos requisitos de desempenho especificados e, ao mesmo tempo, reduzem o esforço de engenharia. O uso de cabos de conexão RF pré-fabricados pode economizar tempo e custos durante o projeto e a criação de protótipos, além de melhorar a qualidade e a eficiência da produção.

Compatibilidade de frequência, casamento de impedância e VSWR

A escolha do cabo de conexão adequado requer a consideração cuidadosa de vários fatores. Primeiro, o conjunto deve ser capaz de acomodar a faixa de frequência do sinal de RF. Pode variar de algumas centenas de hertz até a banda de frequência superalta (SHF) de 3 a 30 GHz ou mais (Figura 1).

Figura 1: Os cabos de conexão RF são fornecidos em uma ampla variedade de designs, que podem ser categorizados pelo tamanho do conector e pela frequência máxima suportada, entre outros fatores. (Fonte da imagem: Molex)

Para obter o desempenho desejado, um cabo de conexão deve lidar com a faixa de frequência apropriada sem perda ou distorção significativa do sinal. Por exemplo, a SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) define requisitos rigorosos de qualidade de sinal de acordo com suas diretrizes 2082-1, que limitam a perda a 40 decibéis (dB) na metade da frequência de clock.

Uma maneira de atender a essas demandas é com os cabos de conexão RF mini BNC da Molex, que oferecem alto desempenho de perda de retorno em frequências de até 12 GHz. Esse desempenho excede os requisitos para a transmissão serial de vídeo de TV de alta definição (HDTV) de 8K, permitindo a expansão futura da largura de banda sem alterações no hardware.

O casamento de impedância é outro parâmetro importante. Os sinais de RF são suscetíveis à interferência de ondas incidentes e refletidas, causadas por uma incompatibilidade de impedância ao longo da linha de sinal. Para minimizar a perda de sinal, o cabo de conexão deve ter a mesma impedância que a carga conectada, normalmente 50 ou 75 ohms (Ω). É uma boa prática projetar os conectores e cabos juntos para obter a melhor combinação.

Um exemplo real dessa prática é o conjunto 0897629290 que combina conectores BNC da Molex com um cabo Belden 4794R para aplicações de 75 Ω de alta qualidade.

Para aplicações particularmente exigentes, como teste e medição, pode ser necessário considerar cuidadosamente parâmetros adicionais, como VSWR e perda de inserção. VSWR é a relação entre um sinal incidente e o sinal refletido que fornece uma medida da eficiência com que os sinais de RF são transportados da fonte para a carga. A perda de inserção é a quantidade de energia que um sinal perde ao percorrer um conector e um cabo. A Figura 2 ilustra alguns exemplos de cada um deles.

Figura 2: São mostrados exemplos de VSWR e valores de perda de inserção para cabos de micro-ondas eficientes e de baixa perda. (Fonte da imagem: Molex)

Blindagem, acoplamento magnético e outras considerações

A blindagem é outra consideração importante. Qualquer cabo que transporte sinais de RF pode atuar como uma antena e transmitir ou receber sinais, criando interferência. Para minimizar essa interferência, os cabos precisam ser blindados por uma capa metálica aterrada (Figura 3).

Figura 3: É mostrado um cabo blindado típico. Começando pelo interior do cabo, temos o condutor central, um material dielétrico que separa o núcleo da bainha, uma bainha metálica entrelaçada e a jaqueta do cabo. (Fonte da imagem: Molex)

A escolha do material de blindagem é influenciada por uma série de fatores, incluindo requisitos de desempenho, condições ambientais e restrições orçamentárias. Por exemplo, o cobre é altamente eficaz na maioria das frequências, mas também é relativamente pesado e caro, enquanto o alumínio é leve e barato, mas menos eficaz e mais propenso à corrosão.

Há também a forma de blindagem a ser considerada. As malhas metálicas, como as do conjunto 0897616761 MCX com cabos RG-136, oferecem excelente resistência mecânica e proteção física. Por outro lado, as bainhas em forma de folha são normalmente feitas de alumínio laminado a um filme de poliéster ou polipropileno para uma alternativa leve, barata e flexível. Há outros tipos, como espiral, fita e combinações, que variam em termos de porcentagem da cobertura de frequência, flexibilidade, vida útil, resistência mecânica, custo e facilidade de terminação.

Também pode haver requisitos de aplicações exclusivas a serem consideradas. Por exemplo, as aplicações médicas geralmente envolvem sensores que podem ser afetados por campos magnéticos. Nesse caso, uma solução como o cabo de conexão 0897616791 MMCX é uma opção viável, pois esses conjuntos estão disponíveis em versões de acoplamento não magnético para melhor compatibilidade do projeto.

Restrições de espaço, riscos ambientais e manutenção

Ao considerar os parâmetros físicos, as limitações de espaço e roteamento geralmente são os principais obstáculos. Considere as aplicações militares de defesa, que são notoriamente apertadas. Nesse caso, uma solução prática é o cabo de conexão 0897611760 SSMCX. Os conectores SSMCX são alguns dos menores do mercado e estão disponíveis com orientações verticais e em ângulo reto para acomodar restrições desafiadoras de espaço e roteamento.

Os projetistas também precisam considerar o raio de curvatura mínimo ao selecionar um conjunto. Devido à sua construção complexa, os cabos de RF tendem a ser bastante rígidos. Para situações que exigem voltas apertadas, procure soluções como os cabos flexíveis de micro-ondas da Molex (Figura 4). Esses cabos são projetados especificamente para um raio de curvatura estática menor.

Figura 4: É mostrada uma amostra de cabos de RF com um pequeno raio de curvatura estática. (Fonte da imagem: Molex)

As temperaturas extremas também podem ser um problema, principalmente para aplicações ao ar livre, como as do setor de telecomunicações. Para essas aplicações, as jaquetas termoplásticas comuns nos cabos de conexão RF não são adequadas. Em vez disso, são necessários materiais mais duráveis. Por exemplo, os conjuntos flexíveis de micro-ondas mencionados anteriormente usam o material de etileno propileno fluorado (FEP) Temp-Flex para a jaqueta, que é um material resistente semelhante ao Teflon.

A vibração e o choque podem comprometer um design, principalmente em aplicações como a aviação. Para garantir uma operação confiável, os cabos de conexão RF utilizados devem ter conexões extremamente seguras. Um bom exemplo é o cabo de conexão 0732306110 da Molex, que utiliza o mecanismo de travamento do conector MHF patenteado pela empresa (Figura 5).

Figura 5: O sistema de conectores MHF da Molex usa um mecanismo de travamento patenteado para garantir uma conexão segura. (Fonte da imagem: Molex)

A manutenção deve ser considerada como parte do processo de design. É importante observar o tempo médio entre falhas (MTBF) dos cabos de conexão e considerar como organizar um design para facilitar a manutenção e o reparo com acesso razoável aos subconjuntos e às conexões que podem precisar de mais cuidado.

Os projetistas também devem considerar a criação de cronogramas de inspeção para manutenção normal e listas de verificação do usuário para sinais de que um cabo de conexão pode precisar de reparo ou substituição para gerir as complicações de forma proativa. As etapas comuns de manutenção incluem a verificação de desgaste dos conjuntos, bem como a limpeza de cabos e conectores para remover contaminantes que possam penetrar nas conexões e prejudicar o desempenho.

Por fim, é importante avaliar o fabricante do cabo de conexão. Os critérios incluem certificações apropriadas, experiência na produção de conjuntos relevantes, opções de produtos suficientes para dar suporte à flexibilidade do projeto e processos de garantia de qualidade para evitar problemas de desempenho. Por exemplo, a Molex tem sido uma das principais desenvolvedoras de tecnologias de cabos e conectores, com inovação apoiada por mais de 8.100 patentes e uma sólida reputação de qualidade e suporte técnico, incluindo uma ferramenta de criação de cabos personalizados.

Conclusão

A seleção do cabo de conexão de RF é desafiadora, pois requer o entendimento e a consideração cuidadosa de fatores como compatibilidade de frequência, blindagem, condições ambientais, restrições de espaço e manutenção. Conforme demonstrado, a colaboração com um fabricante experiente que ofereça conhecimento especializado, garantia de qualidade e inovação pode ser a chave para enfrentar esses desafios, principalmente para engenheiros e projetistas iniciantes em RF. Esse parceiro pode orientar o processo de seleção, instalação e manutenção desses cabos para garantir que os dispositivos e sistemas operem de forma confiável em seu pico.