RFケーブルアセンブリの選択と使用に関するエンジニアガイド
著者 Kenton Williston 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2023-10-19
マルツ掲載日：2024-03-04
RFケーブルアセンブリは、航空宇宙や通信などの確立された分野から、自動車や産業用機器、IoTなどの新しいユースケースにまで幅広い用途で使用されています。このアプリケーションの拡大により、新しいタイプのRFケーブルアセンブリが開発され、エンジニアはRFシステム設計を最適化する機会が増えています。
しかし、こうした成長は設計プロセスを複雑にしています。市場には多くのアセンブリがあるため、特定の用途に最適なものを見極めるのは難しいものです。また、新しいアプリケーションでRFケーブルを使用することにより、より多くの設計者や設置者、メンテナンス技術者が経験のない技術を目の当たりにすることになります。したがって、スペースや環境への配慮に加えて、現在では多くのエンジニアが周波数の互換性、インピーダンス整合、電圧定在波比(VSWR)、磁気結合、シールドなどに関しても精通している必要があります。
RFシステムの性能と信頼性を確保するためには、エンジニアは細心の注意を払い、オプションと潜在的な落とし穴に関する明確なロードマップを用意する必要があります。
この記事では、電気的特性や物理的構造、および標準的なユースケースを含むRFアプリケーションの簡単な概要から始めて、RFケーブルアセンブリの選択、設置、保守の複雑な作業へのガイドを行います。そして、Molexの例を紹介し、主な選択基準と使用基準を説明します。
拡大するRFケーブルアセンブリのユースケース
RF技術は多くの分野にまたがっており、それぞれが独自の課題を抱えています。周波数は数百Hzから数十GHzの範囲です。アプリケーションによっては、頑丈さが要求されます。また、物理的な足跡が極めて限られているものもあります。ユースケースの多様性を説明するために、次のような一般的なアプリケーションを考えてみましょう。
・航空宇宙と防衛：レーダーシステム、通信チャンネル、GPS
・自動車と輸送：インフォテインメントシステム、ナビゲーション、車載通信ネットワーク
・通信と放送：Wi-Fi、LTE、5Gネットワークを介した8Kビデオ信号
・産業用途：IoTセンサ、自動組立ライン、テレメトリ
・医療機器：遠隔患者監視システム、高度診断機器、ロボット手術装置
・試験と測定：製造立ち上げにおけるベンチ測定、フィールドテスト、品質保証
RFの利用が拡大しているため、より多くのエンジニアや設計者が高周波回路に携わっていますが、その多くはこの技術のバックグラウンドを持っていません。厳しい納期と予算に直面しているため、システムの信頼性を確保しながらタスクを簡素化するソリューションが必要とされています。
そこでRFケーブルアセンブリの出番となります。これらのアセンブリは、エンジニアリングの労力を削減しながら、指定された性能要件を満たすように事前に組み立てられたコネクタとケーブルで構成されています。既製のRFケーブルアセンブリを使用することで、設計や試作時の時間とコストを節約し、製造の品質と効率を向上させることができます。
周波数互換性、インピーダンス整合、VSWR
適切なケーブルアセンブリを選択するには、複数の要因を慎重に考慮する必要があります。まず、アセンブリはRF信号の周波数範囲に対応できなければなりません。これらの帯域は、数百Hzから3～30GHz以上の超高周波(SHF)帯域までさまざまです(図1)。
図1：RFケーブルアセンブリには、多種多様なデザインがあり、コネクタのサイズや最大対応周波数などによって分類できます。(画像提供：Molex)
要求性能を達成するためには、ケーブルアセンブリは、大きな信号損失や歪みなしに、適切な周波数範囲を扱わなければなりません。たとえば、米国映画テレビ技術者協会(SMPTE)は、その2082-1ガイドラインで厳しい信号品質要件を設定しており、クロック周波数の半分で40dBに損失を制限しています。
このような要求を満たす方法の1つは、最大12GHzの周波数で高いリターンロス性能を実現するMolex BNCミニRFケーブルアセンブリを使用することです。この性能は、8K高精細テレビ(HDTV)映像のシリアル伝送の要件を上回っており、ハードウェアを変更することなく将来の帯域幅拡張を可能にします。
インピーダンスマッチングも重要なパラメータの1つです。RF信号は、信号線によるインピーダンスの不整合によって生じる入射波と反射波による干渉の影響を受けやすい性質を持っています。信号のロスを最小にするために、ケーブルアセンブリは接続された負荷と同じインピーダンスを持つべきです。最良のマッチングを得るために、コネクタとケーブルを一緒に設計するのはすごく実用的です。
この実用的な実例には、ハイエンドの75Ωアプリケーション用にMolexのBNCコネクタとBelden 4794Rケーブルをペアにした0897629290アセンブリがあります。
テストや計測のような特に要求の厳しいアプリケーションでは、VSWRや挿入損失のような追加パラメータを慎重に検討する必要があるかもしれません。VSWRは、入射信号と反射信号の比であり、RF信号がいかに効率よくソースから負荷に伝達されるかを示す指標となります。挿入損失とは、信号がコネクタやケーブルを伝送する際に失うエネルギー量のことです。図2は、それぞれの例を示しています。
図2：効率的な低損失マイクロ波周波数ケーブルのVSWRと挿入損失の例を示します。(画像提供：Molex)
シールド、磁気カップリング、その他の考慮事項
シールドも重要な検討事項です。RF信号を伝送するケーブルは、アンテナのような役割を果たし、信号を放射したり受信したりして干渉を引き起こす可能性があります。この干渉を最小限に抑えるため、ケーブルは接地された金属ハウジングでシールドする必要があります(図3)。
図3：標準的なシールドケーブルを示します。ケーブルの内側から順に、コア導体、コアとシールドを分ける誘電体、編まれた金属シールド、ケーブル外被となります。(画像提供：Molex)
シールド材料の選択は、性能要件、環境条件、予算制約など、さまざまな要因に影響されます。たとえば、銅はほとんどの周波数で高い効果を発揮しますが、比較的重くコストも高くなります。一方、アルミニウムは軽くて安価ですが、効果は低く腐食しやすくなります。
また、シールドの形も考慮しなければなりません。RG-136ケーブルの0897616761 MCXアセンブリのような金属編組は、優れた機械的強度と物理的保護を提供します。対照的に、金属箔シールドは一般的にアルミニウムをポリエステルやポリプロピレンのフィルムにラミネートしたもので、軽量、安価、フレキシブルな代替品となっています。
他にも、スパイラル、テープ、これらの組み合わせなどのタイプがあり、周波数カバー率、柔軟性、寿命、機械的強度、コスト、終端処理の容易さなどの点で異なります。
また、考慮すべき独自のアプリケーション要件があるかもしれません。たとえば、医療用アプリケーションでは、磁場の影響を受けるセンサを使うことが多いですが、この場合は0897616791 MMCXケーブルアセンブリのようなソリューションが有効な選択肢となります。これらのアセンブリは、より優れた設計互換性のために非磁性カップリングバージョンで利用できます。
スペースの制約、環境の危険性、メンテナンス
物理的なパラメータを考慮する場合、スペースやルーティングの制限が主な障害となることが多くなります。制約が厳しいことで有名な防衛用途を考えてみましょう。ここでは、0897611760 SSMCXケーブルアセンブリのようなソリューションが実用的です。SSMCXコネクタは、市場最小クラスのコネクタであり、スペースや配線の制約に対応するため、垂直および直角方向で使用できます。
設計者は、アセンブリを選択する際、最小曲げ半径も考慮する必要があります。複雑な構造のため、RFケーブルはかなり硬くなる傾向があります。タイトな曲げが必要な状況では、Molexのフレキシブルマイクロ波アセンブリ のようなソリューションをお探しください(図4)。これらのケーブルは、特に静的曲げ半径が小さくなるように設計されています。
図4：静的曲げ半径が小さいRFケーブルのサンプルを示します。(画像提供：Molex)
特に電気通信分野のような屋外アプリケーションでは、極端な温度変化も問題になります。このような用途では、RFケーブルアセンブリで一般的な熱可塑性プラスチック外被は適しません。その代わり、より耐久性のある素材が求められます。たとえば、先に述べたフレキシブルマイクロ波アセンブリは、外被にテフロンに似た強靭な素材であるTemp-Flexフッ素化エチレンプロピレン(FEP)素材を使用しています。
振動や衝撃は、特に航空機のような用途では設計を損なう可能性があります。信頼性の高い動作を保証するために、使用されるRFケーブルアセンブリは、極めて安全な接続でなければなりません。その良い例が、Molexの0732306110ケーブルアセンブリで、同社の特許取得済みMHFコネクタロック機構を利用しています(図5)。
図5：MolexのMHFコネクタシステムは、特許取得済みのロック機構を使用して確実な接続を実現しています。(画像提供：Molex)
メンテナンスは設計プロセスの一部として考慮されなければなりません。ケーブルアセンブリの平均故障間隔(MTBF)に注目し、最も注意が必要と思われるサブアセンブリや接続部への合理的なアクセスにより、メンテナンスと修理が容易になるように設計をアレンジする方法を検討することが重要です。
設計者は、通常のメンテナンスのための点検スケジュールや、ケーブルアセンブリの修理や交換が必要になる兆候を示すユーザーチェックリストの作成も検討し、複雑化しないように積極的に管理する必要があります。
一般的なメンテナンスの手順としては、アセンブリの磨耗のチェックや、接続部に浸透して性能を低下させる可能性のある汚染物質を除去するためのケーブルやコネクタのクリーニングなどがあります。
最後に、ケーブルアセンブリメーカーを評価することが重要です。基準には、適切な認証、関連アセンブリの製造経験、設計の柔軟性をサポートする十分な製品オプション、性能問題を回避するための品質保証プロセスなどが含まれます。
たとえば、Molexは、8,100件以上の特許に支えられたイノベーションと、 カスタムケーブルクリエータツールを含む品質と技術サポートに対する高い評価によって、ケーブルおよびコネクタ技術の開発をリードしてきました。
まとめ
適切なRFケーブルアセンブリを選択することは、周波数互換性、シールド、環境条件、スペースの制約、メンテナンスなどの要素を理解し、慎重に検討する必要があるため、簡単なことではありません。そこで、専門知識、品質保証、技術革新をもたらすベテランメーカーと協力することは、特にRFに不慣れなエンジニアや設計者にとって、これらの課題を乗り切る鍵となり得ます。このようなパートナーは、ケーブルの選択、設置、メンテナンスのプロセスを指導し、機器やシステムが確実に最大限のパフォーマンスを発揮できるようにしてくれます。
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