Cómo optimizar la elección e implementación de conectores de RF para aplicaciones militares

Los conectores y cables coaxiales de radiofrecuencia son componentes comunes que desempeñan un papel en gran medida invisible, pero muy crítico en las aplicaciones militares. El trabajo del ensamble es transmitir señales de RF -hasta frecuencias de decenas de gigahercios (GHz)- desde una antena a un receptor. Debe manejar y mantener de forma fiable la integridad de las señales sensibles de RF y, al mismo tiempo, ser lo suficientemente resistente como para soportar los rigores del campo de batalla.

Hay cientos de opciones para el ingeniero que busca un conector de RF, y puede ser tentador elegir el más barato bajo la premisa de que los conectores de RF son más o menos lo mismo una vez que cumplen algunos requisitos básicos. Eso sería un error. Muchos conectores de radiofrecuencia no se construyen con las especificaciones de ingeniería exactas y el fallo de una pieza mal diseñada puede hacer que el hardware militar multimillonario quede fuera de servicio en un momento crítico. Por eso es fundamental que los componentes seleccionados se construyan según las normas internacionales aceptadas.

Además de las propiedades mecánicas, como la durabilidad, la resistencia a la humedad y al polvo, y de las propiedades eléctricas, como la impedancia, el rango de frecuencias, la relación de ondas estacionarias de voltaje (VSWR) y la resistencia del aislamiento, hay otros factores que pueden marcar o romper el diseño. Por ejemplo, en determinadas aplicaciones militares, como los rieles de los lanzadores de cohetes, las superficies interiores de las piezas ópticas y las aplicaciones de armas pequeñas, la reflexión de la luz de los conectores estándar de acero inoxidable puede causar problemas de funcionamiento.

Recurrir a un fabricante de renombre que demuestre que sus conectores de RF están fabricados según las especificaciones y normas de rendimiento militares pertinentes es un buen punto de partida cuando se busca un conector de RF resistente y fiable.

Este artículo considera los criterios clave de selección eléctrica y mecánica de los conectores coaxiales de RF para aplicaciones militares. Ofrece ejemplos reales de Amphenol SV Microwave y analiza su aplicación. Se hace especial hincapié en el uso de un acabado de alta calidad, duradero y antirreflectante para las aplicaciones nicho que utilizan conectores de RF cromados de color negro.

Cables coaxiales y conectores de RF de alto rendimiento

La clave para garantizar que los componentes de radiofrecuencia estén a la altura de los rigores de las aplicaciones militares es comprar componentes que cumplan la especificación de rendimiento militar correspondiente (MIL-PRF). Sólo un grupo selecto de fabricantes puede suministrar conectores de RF conformes. Una empresa que da la talla es Amphenol SV Microwave. La empresa ofrece más de 400 conectores de RF que cumplen con la norma MIL-PRF M39012.

MIL-PRF-39012 es la norma clave para los conectores de RF. Exige la realización de pruebas visuales, mecánicas y eléctricas en varias fases de fabricación para garantizar su cumplimiento. El pliego de condiciones también exige que las instalaciones y los procesos de fabricación cumplan las normas de calidad. Los conectores y adaptadores coaxiales que cumplen con la norma MIL-PRF-39012 son adecuados para aplicaciones militares (y otras de alta fiabilidad), incluyendo radares, equipos terrestres SATCOM y conjuntos aeroespaciales de RF/microondas.

Un criterio clave de los conectores MIL-PRF-39012 es que la clavija central debe estar laminada en oro con una profundidad, una calidad de adhesión y un acabado estandarizados. El chapado en oro de los contactos cautivos garantiza una pérdida de inserción mínima y un buen contacto eléctrico durante largos periodos en entornos difíciles (Figura 1).

Figura 1: Un criterio clave de los conectores MIL-PRF-39012 es que el pin/clavija central debe estar laminado en oro con una profundidad, calidad de adhesión y acabado estandarizados. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Consideraciones sobre el diseño del cable coaxial de RF

Al diseñar soluciones coaxiales de RF para aplicaciones militares, es importante considerar el cable y el conector como un sistema completo. El rendimiento de ese sistema depende en gran medida de que los dos componentes funcionen en perfecta armonía.

Un cable coaxial típico está formado por un núcleo de cobre o de acero recubierto de cobre. El núcleo transporta las señales de entrada/salida de alta frecuencia hacia/desde los equipos conectados. Un aislante dieléctrico, a menudo de plástico, rodea el núcleo. El aislante tiene un grosor constante y garantiza que el hueco entre el núcleo y la pantalla metálica que rodea al dieléctrico se mantenga constante. Esto es importante porque cualquier variación en el grosor provoca una variación en la impedancia con el consiguiente impacto en la integridad de la señal.

El escudo metálico está hecho de cobre, aluminio u otros metales, y envuelve firmemente el aislante. Su función es proteger el núcleo interno de las interferencias electromagnéticas (EMI) externas. A continuación, el ensamble se enfunda en una cubierta de goma o plástico para aislar y proteger los conductores internos (Figura 2). Los cables para exteriores necesitan un aislamiento adicional y cubiertas especiales para proteger los cables del sol y la humedad.

El núcleo interior transmite la señal de alta frecuencia mientras que el apantallamiento actúa únicamente como línea de retorno. Existe un campo electromagnético entre los dos conductores, pero no se extiende más allá de la pantalla. Esto significa que la señal de RF que viaja por el cable no afectará a los equipos eléctricos y electrónicos cercanos.

Figura 2: Un cable coaxial se compone de cuatro partes: el conductor interior, un dieléctrico de plástico, el conductor de retorno/apantallamiento y la cubierta exterior (negra) de goma o plástico. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Donde el aislante dieléctrico toca el conductor central, absorbe parte de la energía eléctrica. En los tramos largos de cable, la atenuación de la señal puede ser significativa. Los cables de alta eficiencia utilizan espaciadores que hacen un contacto mínimo con el conductor interno y forman un entrehierro consistente entre los conductores internos y externos que actúa como un dieléctrico eficiente.

La importancia de la impedancia

En los sistemas de RF de alta frecuencia, la eficacia de la transmisión depende de la adaptación de la impedancia de la antena a la del transmisor o el receptor.

Un desajuste importante da lugar a una escasa eficacia de la antena porque interfiere con la potencia que viaja hacia delante y crea una onda de tensión estacionaria. Una medida común de lo bien que se iguala la impedancia es la relación de ondas estacionarias de voltaje (VSWR). Una VSWR de 1 indica que no hay pérdidas por desajuste de impedancia, mientras que los números más altos indican pérdidas crecientes. Por ejemplo, una VSWR de 3.0 indica que alrededor del 25% de la potencia del transmisor se pierde en el sistema de antena.

El conector de RF y el cable forman parte de la impedancia de la antena, por lo que es importante que el diseñador conozca el valor de la impedancia de los componentes para maximizar la eficiencia del sistema de RF. La impedancia característica de un cable coaxial es proporcional a la relación entre el diámetro exterior del conductor interno y el diámetro interior del conductor externo. La función principal del aislante dieléctrico es establecer y mantener esta separación.

En la mayoría de los casos, los fabricantes de cables suministran cables de RF con impedancias de 50, 75 o 95 ohmios (Ω), aunque existen otras impedancias. Además de una gama de impedancias fijas, los cables se suministran con diferentes tipos dieléctricos, capacitancias, diámetros exteriores, características de atenuación y materiales de apantallamiento.

Las versiones se clasifican generalmente en dos sistemas, LMR (el significado de las letras es histórico: lo importante es saber que estos cables son de bajas pérdidas) y radioguía (RG). El tipo RG tiene un mayor número de opciones, sin embargo, no todas cumplen con las especificaciones militares. Un proveedor de confianza puede ayudar en la selección para aplicaciones militares.

Consideraciones sobre el conector coaxial de RF

El conector coaxial de RF permite fijar el cable al equipo de radio. Por muy bueno que sea el cable, un conector mal ajustado mermará el rendimiento eléctrico. Un acoplamiento mecánicamente seguro y eléctricamente robusto entre el cable y el conector garantizará una buena integridad de la señal y una impedancia constante, incluso a altas frecuencias. Una forma de garantizar la integridad es especificar el cable y el conector juntos y hacer que el fabricante los entregue como un conjunto completo. El fabricante es el más indicado para garantizar una conexión de alta calidad y también probará la integridad del ensamble antes de la entrega.

Los conectores macho polarizados estándar tienen hilos de ejecución en el interior de la carcasa y un pin central, mientras que los conectores hembra polarizados estándar tienen hilos de ejecución en el interior de la carcasa y no tienen pin central. No es una buena práctica de diseño unir los cables acoplando un conector macho con uno hembra, ya que esto aumentará la pérdida de señal inherente al cable. Es mejor especificar un cable continuo para tramos largos, ya que así se garantiza una menor pérdida de señal y una impedancia constante. La forma correcta de conectar un conector macho a otro macho, o una hembra a otra hembra, es con un adaptador de cable coaxial. Esto funcionará, pero en aplicaciones de altas especificaciones no se recomienda, ya que también aumentará la pérdida de señal.

Al igual que los cables, los conectores de RF se presentan en varios tipos y con valores de impedancia fijos. Un ejemplo común es la versión A subminiatura (SMA). Los conectores cuentan con un robusto mecanismo de acoplamiento de tipo tornillo, tienen una impedancia estándar de 50 Ω y están diseñados para su uso desde CC (0 Hertz (Hz)) hasta 18 GHz. Entre sus aplicaciones se encuentran los sistemas de microondas y las radios portátiles (Figura 3).

Figura 3: Los conectores SMA ofrecen una conexión a rosca, una impedancia de 50 Ω y pueden manejar señales de RF de hasta 18 GHz. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Otro tipo común es la versión B subminiatura (SMB). Son más pequeños que los SMA y cuentan con un diseño de acoplamiento a presión. Están disponibles en impedancias de 50 y 75 Ω y funcionan hasta 4 GHz. Menos robustos que los productos SMA, los conectores no son adecuados para entornos difíciles.

Otros tipos de conectores de RF son: el tipo F, utilizado para aplicaciones como los módems por cable y la televisión por cable; el tipo N, utilizado para aplicaciones comerciales que utilizan cable grueso; el FME, utilizado para dispositivos de comunicación celular; el TNC, utilizado para aplicaciones celulares en exteriores; y el UHF, para radioaficionados y marinos.

El conector de RF unido al cable coaxial de RF suele atornillarse a un conector del tipo opuesto unido a un mamparo, o directamente al equipo que recibe o envía la señal de RF. El tipo de mampara tiene hilos externos en los que se unen los hilos internos de los conectores de los cables (figura 4). Los fabricantes del conector RF del cable son la mejor fuente de conectores pasantes, aunque la estandarización garantiza que los conectores del mismo tipo de cualquier fabricante funcionarán satisfactoriamente juntos.

Figura 4: Los conectores pasantes de SMA tienen hilos externos en los que se unen los hilos internos de los conectores de los cables. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Opciones de conectores RF no reflectantes

Los fabricantes de renombre ofrecen una gama de conectores rectos, acodados y machos y hembras. Pero algunos, como Amphenol SV Microwave, también incluyen componentes especiales entre su oferta. Una adición clave a la gama de la Empresa es un conector RF SMA no reflectante para aplicaciones de cables y mamparas.

Hay muchas aplicaciones militares en las que el acabado estándar de acero inoxidable o latón de los conectores industriales de RF podría causar problemas. Por ejemplo, si se utilizan en armas pequeñas, estos conectores de radiofrecuencia podrían reflejar la luz natural y revelar la posición de un combatiente. O los conectores de radiofrecuencia utilizados en la óptica de un avión o helicóptero podrían generar artefactos luminosos que minaran la precisión de un sistema de puntería.

Para satisfacer la demanda de conectores de RF no reflectantes, Amphenol ha introducido un conector de cable SMA macho cromado negro, el 2911-61008 (Figura 5 (izquierda)), y un conector de mamparo SMA hembra cromado negro complementario, el 2921-61689 (Figura 5 (derecha)). Los productos presentan una impedancia de 50 Ω y pueden soportar señales de RF de hasta 18 GHz con hasta 500 ciclos de conexión. El contacto central en cada caso es de cobre de berilio laminado en oro. Los conectores de RF están diseñados para ser utilizados con el cable coaxial de RF semirígido RG-405 (0.085 pulgadas), un tipo que cumple con las especificaciones militares y es popular en las aplicaciones de defensa.

Figura 5: El conector de cable macho SMA de especificación militar de Amphenol (izquierda) y el conector pasante hembra (derecha) pueden suministrarse con una placa de cromo negro no reflectante. (Fuente de la imagen: Amphenol)

El material del cuerpo de los conectores de RF es acero inoxidable, al que se ha aplicado una placa de cromo negro que cumple la norma MIL-C-14538. La placa de cromo negro contemplada en esta especificación es exclusiva para el ejército y es dura, adherente, resistente al calor y completamente antirreflectante. Los conectores se apoyan en un tapón antipolvo macho SMA no reflectante, el 2911-61009, para utilizarlo con el conector pasante hembra cuando el cable está desconectado.

Conclusión:

Aplicaciones militares están sujetas a polvo, grasa, calor y vibración. Se espera que los conectores y cables para estas aplicaciones transmitan de forma fiable señales de alta frecuencia durante períodos de muchos años. Las variantes de estos conectores necesitan revestimientos no reflectantes que sean lo suficientemente resistentes y duraderos como para soportar el calor y los impactos sin astillarse ni desgastarse.

Los diseñadores de aplicaciones militares de RF pueden asegurarse de que sus diseños cumplen los requisitos necesarios acudiendo a proveedores, como Amphenol SV Microwave, que ofrecen productos que cumplen con las especificaciones y normas de rendimiento militar.