極限環境下での動作に向けたRF設計の最適化
著者 Art Pini 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2023-12-07
マルツ掲載日：2024-05-06
ワイヤレスコネクティビティへの依存度が高まる世界における、船舶用GPS、産業用IoT、スマート農業、無人航空機などのアプリケーションのシステム設計者は、過酷な環境条件下でも確実に動作するRFコンポーネントを必要としています。振動、埃、高湿度、水やその他の液体への曝露、塩水噴霧などがその課題になっています。
システムはこのような過酷な条件に耐えるように設計されなければなりませんが、主な懸念事項はRF相互接続です。RF相互接続においては、同軸接続によりデバイス間やデバイスとアンテナ間でRF信号が伝送されます。設計者は、使用するコネクタとケーブルが、増大する性能と接続密度の要件を満たしながら、その目的に適していることを確認する必要があります。
この記事では、 Amphenol RFのRFアダプタ、コネクタ、ケーブルアセンブリを紹介する前に、過酷な環境に対する設計の課題について簡単に説明します。高密度パッケージに適したコンパクトなコネクタボディで優れたRF性能を発揮しながら、湿気、埃、振動、腐食から保護し、エンクロージャを密閉するために、これらのコンポーネントがどのように役立つかを示しています。
過酷な環境
工場の現場から石油掘削施設まで、産業用IoT(IIoT)は、高湿度、蒸気、噴霧や飛散する液体、埃、塩水のような腐食性の化学物質を含む可能性のある環境でRFデバイスを使用するアプリケーションの1例です(図1)。
図1：エッジゲートウェイと通信する遠隔無線や有線センサを備えたIIoTシステムの概念図で、RFコネクタが至る所で使用されています。(画像提供：Art Pini氏)
IIoTは、スマートセンサ、アクチュエータ、ロボット、および同様のデバイスを使用して、製造プロセスを強化します。これらのデバイスはネットワーク化され、データの収集、交換、分析、制御を行います。複数の機械やシステムからのデータを共有することで、産業プロセスの効率性と信頼性を高めることができます。
このようなデバイスを設計する場合、環境を考慮しなければなりません。過酷な環境では、デバイスを密閉する必要があり、ポートは耐腐食性で漏れのないものでなければなりません。
金属製の筐体には外部アンテナが必要です。コネクタは、デバイス外部のセンサや他のデバイスとの信号相互接続にも必要です。アンテナや信号ケーブル用の同軸コネクタは、ハウジングとガスケットを使用して密閉され、これらの曝露の許容要件を満たす必要があります。
業界標準のIEC60529では、侵入保護(IP)等級を使用して、任意のコネクタが提供する保護の程度を定義しています。IP等級は、IPの文字の後に2桁の数字が続きます。最初の桁は、埃や固体粒子の侵入に対する保護等級を示します。2桁目は水の浸入に対する保護等級を示します。IP等級の定義は、保護なしから完全な保護までさまざまで、数字が大きいほど保護が厚いことを示します(図2)。
図2：IEC60529による埃や水の侵入に対する保護等級。(画像提供：Amphenol RF)
過酷な環境曝露に適したコネクタは、IP等級がIP67またはIP68でなければなりません。IP67等級は、水深1mで30分間の完全な水没を含む、防塵密閉と水に対する保護を示します。
IP67等級の同軸コネクタ
Amphenol RFは、防塵および防水IP等級のSMA、BNC、TNCタイプの同軸コネクタを幅広く提供しています。モデル901-10746-EEは、バルクヘッド取り付け用のRG-58ケーブル用SMAジャックの1例で、IP67に適合しています(図3)。
図3：RF901-10746-EEバルクヘッドジャックはIP67に適合し、防水性、防塵密閉、耐塩水腐食性を備えています。(画像提供：Amphenol RF)
このSMAメスコネクタの電気的特性は、RG-58同軸ケーブルの公称インピーダンス50Ωで、DC～6GHzの周波数範囲で動作し、最大電圧定在波比(VSWR)は1.30：1で、リターンロスは－18dBに相当し、絶縁破壊定格は1000Vrmsです。動作温度範囲は－65℃～＋165℃です。組み立て工程は、中心導体をコネクタピンにはんだ付けすることから始まります。ピンとケーブルを、編組がナールの上にくるようにコネクタに挿入します。その後、フェルールを編組に圧着します。Oリングガスケットは、コネクタ本体を取り付けパネルに固定します。
コネクタ本体は真鍮、フェルールは銅で、どちらも耐腐食性の錫-ニッケル合金メッキが施されています。メッキはMIL-STD-202メソッド101塩水噴霧標準に適合し、5%の塩溶液を720時間かけて繰り返し噴霧します。塩水噴霧にさらされた後、メッキの完全性が検証され、接触抵抗とリターンロスを含むコネクタのRF性能が再試験されます。
中心導体コンタクトは金メッキを施したベリリウム銅で、テフロン誘電体に挿入されています。ケーブルとフェルールが組み合わされていて、嵌合されていない状態ではIP67の要件を満たします。コネクタはステンレススチール製ハードウェアでパネルに取り付けられ、シリコンゴムガスケットで密閉され、物理的完全性とIP67適合性を保証します。
適合するSMAプラグはAmphenol RF901-9876-RFX-EEです。このインライン、ケーブルマウントSMAプラグは、バルクヘッドジャックと同じ材料構成とメッキで、同じ温度範囲で動作します。ジャックのネジ付きボディの上にネジ付きフェルールを使用してジャックと嵌合します。901-10746-EEと同様、プラグはIP67に適合し、RG-58ケーブルで動作するように設計されています。動作周波数範囲はDC～12.4GHzです。
これらの過酷な環境用のRFコネクタは、BNCタイプとTNCタイプもあります。TNCコネクタは、BNCコネクタのネジ付きバージョンです。ネジ式コネクタは、規定のトルクで締め付けた場合、耐振動性があります。031-6501-EE(図4、左)はTNC直角プラグで、SMAコネクタと同じ素材を使用し、同じIP67および耐食性規格に適合しています。
また、－40℃～＋85℃の動作温度範囲を備えています。電気的には50Ωの特性インピーダンスを持ち、動作周波数範囲は6GHzまでです。ライトアングルコネクタは、ケーブルの屈曲の必要性をなくし、同軸ケーブルの損傷の可能性を最小限に抑えるとともに、IIoTや同様のシステムで使用される小型筐体のスペースを節約します。031-6501-EEは、AD-TNCJTNCJ-EE(図4、右)のような相手側バルクヘッドアダプタと嵌合させることができます。
図4：ライトアングル031-6501-EE TNCプラグとAD-TNCJTNCJ-EE TNCバルクヘッドアダプタは、コンパクトなIIoT筐体のスペースを節約しながら、ケーブルを曲げることなく厳しい引き回しを可能にします。(画像提供：Amphenol RF)
AD-TNCJTNCJ-EEはIP68に適合し、耐腐食性で、動作温度範囲は－65℃～＋165℃です。特性インピーダンスは50Ωで、18GHzまで動作します。VSWRは0～11GHzで1.2：1(リターンロス－21dB相当)、11～18GHzで1.3：1(リターンロス－18dB相当)です。バルクヘッドアダプタを使用すると、ケーブルを取り付けパネルやドアから切り離すことができるため、保守のために簡単に取り外すことができます。
BNCコネクタはTNCユニットと同様で、主にロック機構が異なります。BNCは、ジャック側に2つのバヨネットラグを使用し、プラグアセンブリのスロットに噛み合わせ、1/4回転ひねることでロックするクイックコネクトとディスコネクトコネクタです。また、IP67の侵入保護と塩水噴霧に対する耐食性も備えています。
031-6924-EE BNCプラグ(図5、左)の動作温度範囲は－40℃～＋85℃です。特性インピーダンスは50Ωで、RG-58ケーブルとの相性が良好です。VSWRは1.30：1(リターンロス－18dB相当)、周波数範囲はDC～6GHzです。
AD-BNCJBNCJ-EE相手側レセプタクル(図5、右)は、ジャック対ジャックのバルクヘッドアダプタで、最大周波数12GHzの50Ωコネクタでもあります。そのVSWRは、DC～4GHzまで1.30：1(リターンロス－18dBに相当)、4GHz～12GHzまで1.45：1以下(リターンロス－15dBに相当)です。動作温度範囲は－40℃～＋85℃です。
図5：BNC極限曝露対応コネクタは、クイックコネクトとディスコネクトに使用されます。(画像提供：Amphenol RF)
まとめ
ワイヤレスデバイスを設計する場合、設計者は製品の機能性と寿命を確保するために、物理的や電気的なアプリケーション要件を考慮する必要があります。ワイヤレスシステムで使用される同軸RFコネクタの主要な役目は、周囲の環境に関係なく信号の完全性を維持することです。
そのためには、振動、液体の侵入、埃、腐食に耐える高信頼性のコネクタやアダプタを選ぶことが重要です。Amphenol RF極限曝露対応コネクタは、過酷な環境での動作を目的とした設計に最適です。
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