USD

Comprender los principios de los adaptadores coaxiales para hacer un mejor uso de estos componentes tan útiles

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los usuarios de equipos de instrumentación electrónica que implican la transmisión o recepción de señales eléctricas de alta frecuencia están familiarizados con las conexiones coaxiales, ya que se utilizan de forma proliferativa. Tanto es así que estos tipos de conexión pueden ser tomados un poco como una concesión, hasta que llegue el momento de conectar múltiples instrumentos juntos o extender los cables coaxiales. En este punto, los diseñadores u otros usuarios de equipos pueden recurrir a los adaptadores; pero antes de hacerlo, deben comprender plenamente las implicaciones y características de cada tipo de adaptador que puedan utilizar.

Hay una gran variedad de adaptadores por una razón. Las "Tes" conectan una sola fuente de señal a múltiples instrumentos, mientras que los "barriles" extienden las conexiones del cable coaxial. Luego están los bloqueos de CC, las tes de polarización, las almohadillas de impedancia, los protectores de sobretensión y las terminaciones, todos los cuales se usan comúnmente, pero a veces no se comprenden del todo. El uso correcto de estos adaptadores requiere algunos conocimientos básicos de las líneas de transmisión y cuidado durante la selección.

En este artículo se ofrece un breve resumen de las líneas de transmisión. A continuación, introduce varios tipos de adaptadores coaxiales, describe cómo funcionan y muestra la mejor manera de aplicarlos. Se utilizan ejemplos reales de Amphenol RF, Amphenol's Times Microwave Systems y Crystek Corporation.

¿Qué son las líneas de transmisión?

Las líneas de transmisión, en forma de cables coaxiales, línea plana, microtiras, u otras, conectan una fuente de señal a una carga. Las líneas de transmisión tienen una impedancia característica determinada por las dimensiones físicas de los conductores, su espaciamiento y el material dieléctrico utilizado para aislar los conductores. Los cables coaxiales suelen tener una impedancia característica de 50 Ohms (W) para el trabajo general de RF, o 75 W para las aplicaciones de video.

Para asegurar la máxima eficiencia en la transferencia de energía de la fuente a la carga, la impedancia de la fuente, la impedancia característica de la línea de transmisión y la impedancia de la carga deben coincidir. Si las impedancias difieren, entonces algo de energía se refleja en la unión desajustada. Por ejemplo, si la impedancia de la carga difiere de la impedancia de la fuente y de la línea de transmisión, entonces la energía se refleja desde la carga hacia la fuente (Figura 1).

Imagen de la línea coaxial con una carga desajustadaFigura 1: Una línea coaxial con una carga desajustada refleja la energía de la carga hacia la fuente creando ondas estacionarias en el camino de transmisión. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Las ondas incidentes y reflejadas se combinan adicionalmente a lo largo del camino de transmisión formando ondas estacionarias donde la amplitud varía periódicamente a lo largo de la longitud física del camino. Las ondas estacionarias causan errores de medición y pueden provocar daños en los componentes. La coincidencia de impedancia de la fuente, la línea de transmisión y la carga evita la creación de ondas estacionarias, y por lo tanto ayuda a asegurar la transmisión más eficiente de energía de la fuente a la carga.

Debido a los requisitos de adaptación de la impedancia, es importante utilizar el adaptador adecuado; pero como el diseñador pronto descubrirá, los adaptadores son muchos y variados, y a menudo vienen con características que van más allá de formar una conexión básica.

Adaptadores de Tee

Considere un sistema de instrumentos básico que consiste en una sola fuente, un osciloscopio y un analizador de espectro (Figura 2).

Diagrama de conexión de los tres instrumentos en este ejemploFigura 2: La conexión de los tres instrumentos de este ejemplo mediante un adaptador en T requiere el ajuste de la impedancia de entrada del osciloscopio para evitar un desajuste en la fuente de la señal. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La fuente de la señal tiene una impedancia de salida de 50 Ω y está destinada a operar en una carga de 50 Ω. Si se utiliza un adaptador en T para conectar el osciloscopio y el analizador de espectro con ambos ajustados a 50 Ω terminaciones de entrada, la fuente de la señal verá una carga de 25 Ω, reduciendo su salida y estableciendo ondas estacionarias en los cables. El secreto aquí es poner el instrumento en el medio del recorrido coaxial a una terminación de entrada de alta impedancia, y el instrumento en el lado más alejado del recorrido coaxial a su terminación de entrada 50 Ω, como se muestra. La fuente de la señal verá esto como una carga de 50 Ω, y todo estará bien.

El 112461 de Amphenol RF (Figura 3) es una te BNC con un solo enchufe BNC, dos tomas BNC y un ancho de banda de 4 gigahertz (GHz). Podría utilizarse en la configuración mostrada en nuestro ejemplo para instrumentos con anchos de banda inferiores a 4 GHz.

Imagen de la T BNC 112461 de AmphenolFigura 3: La T BNC 112461 de Amphenol ofrece un ancho de banda de 4 GHz. En el ejemplo de la figura 1, el enchufe se conecta a la entrada del osciloscopio y los cables coaxiales se conectan desde las tomas BNC a la fuente de la señal y al analizador de espectro. (Fuente de la imagen: Amphenol RF)

El tipo de T a seleccionar depende de los conectores utilizados en los instrumentos y se basará en los anchos de banda de los respectivos instrumentos. En general, los adaptadores coaxiales como las tes no están disponibles para anchos de banda superiores a 40 GHz, ya que las pérdidas de señal se vuelven problemáticas en los adaptadores a estas frecuencias. Se muestra una lista de los conectores coaxiales de instrumentos comunes para los que se dispone generalmente de adaptadores, junto con sus atributos más destacados (Cuadro 1).

Tipo Ancho de banda (GHz) Impedancia VSWR Método de acoplamiento Tamaño Especificación Notas
2.92 mm K 40 50 Ω 1.34:1 Roscado Subminiatura IEEE Std. 287 Se acopla con 3.5 mm y SMA (limitado)
Par de torsión a 8 in-lb (90 N-cm)
3.5 mm 33 50 Ω 1.30:1 Roscado Subminiatura IEEE Std. 287 Se acopla con 2.92 mm y SMA (limitado)
Par de torsión a 8 in-lb (90 N-cm)
BNC 6 50 Ω
75 Ω
1.2:1 Bayoneta Miniatura MIL-STD-348
MIL-C-39012
N 18 50 Ω 1.35:1 Roscado Estándar IEEE Std. 287
MIL-C-39012
Par de torsión a 12 in-lb (135 N-cm)
SMA 18 50 Ω 1.2:1 Roscado Subminiatura MIL-STD-348
MIL-C-39012
Par de torsión a 5 in-lb (56 N-cm)

Tabla 1: Familias de conectores coaxiales comunes para los que hay adaptadores disponibles. Por encima de 40 GHz, los adaptadores tienen pérdidas que los hacen inadecuados para su funcionamiento. (Fuente de la tabla: Digi-Key Electronics)

Adaptadores de la familia de conectores

El hecho de tener múltiples tipos de conectores da lugar a la necesidad de poder convertir de un tipo de conector a otro. Considere la posibilidad de tener que ajustar un cable SMA del conector BNC de entrada en un osciloscopio o analizador de espectro. Para esta situación, el Amphenol RF 242103 proporciona un enchufe BNC para conectar al instrumento y un conector SMA para recibir el cable SMA (Figura 4).

Imagen del adaptador de Amphenol RF BNC a SMAFigura 4: Un adaptador de BNC a SMA encaja entre una toma BNC y un enchufe SMA como podría ser necesario para conectar un cable SMA a la entrada de un instrumento. (Fuente de la imagen: Amphenol RF)

Los usuarios de equipos deben tener en cuenta que cuando se utiliza un adaptador, el ancho de banda de la interconexión se reduce al ancho de banda inferior de las dos familias de conectores. En el caso del adaptador de BNC a SMA, el ancho de banda es de 4 GHz, heredado del BNC.

También hay adaptadores que ofrecen cambios de impedancia de 50 a 75 Ω y viceversa.

Adaptadores para barriles y mamparas

Extender cables o pasar un cable a través de un panel requiere el uso de adaptadores de paso directo (barril) o de mamparo. Estos están disponibles para las familias de conectores que se muestran en la Tabla 1. Un ejemplo es el adaptador de mamparo 132170 de Amphenol RF, que tiene dos enchufes SMA a los que se pueden conectar cables que usan enchufes SMA a ambos lados de un mamparo o panel (Figura 5).

Imagen del conector SMA de mamparo de Amphenol RFFigura 5: Ejemplo de un conector SMA de mamparo, que se puede montar en un panel para pasar una conexión coaxial a través de él. (Fuente de la imagen: Amphenol RF)

Los conectores de barril pueden ser configurados como jack a jack, o como enchufe a enchufe, y menos comúnmente como enchufe a jack.

Terminaciones

La conexión en serie de múltiples instrumentos de entrada de alta impedancia desde una fuente 50 Ω requiere una terminación 50 Ω (Figura 6).

Imagen de la terminación 202120 de 50 Ω de Amphenol RFFigura 6: Cuando se conectan varios dispositivos de entrada de alta impedancia a una fuente 50 Ω, se requiere un terminador externo 50 Ω para evitar la reflexión en las líneas coaxiales. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El terminador 202120 de 50 Ω de Amphenol RF es un ejemplo de una terminación coaxial configurada como un jack BNC (Figura 7).

Imagen de Crystek CBLK-300-3 que bloquea la CC y pasa las señalesFigura 7: El 202120 de Amphenol RF es una terminación de 50 Ω configurada como una jack BNC. (Fuente de la imagen: Amphenol RF)

El conector BNC acepta cable coaxial directamente. También hay terminaciones en forma de enchufes BNC que se acoplan a una jack BNC. Son útiles cuando se termina un instrumento directamente en su panel frontal. Mientras que la mayoría de los osciloscopios ofrecen tanto alta impedancia como entradas de 50 Ω, hay un límite de voltaje en las entradas de 50 Ω, normalmente 5 voltios. Los osciloscopios también tienen un límite de potencia de 0.5 vatios en sus entradas de 50 Ω. El 202120 tiene una potencia nominal de 1 vatio y puede manejar más de 7 voltios.

También se dispone de terminaciones para otras impedancias. Por ejemplo, los terminadores de 75 Ω se utilizan comúnmente en aplicaciones de televisión y video. Las terminaciones de cortocircuito o de cero Ω se utilizan al calibrar los analizadores de red.

Bloques de CC y tees sesgadas

El bloque de CC es un adaptador coaxial que bloquea las señales de corriente directa y permite el paso de las señales de RF. Se utiliza para proteger los componentes sensibles de RF de la CC, que es bloqueada por un condensador. Hay tres tipos de bloqueo de CC:

  • Un bloque interno de CC utiliza un solo condensador en serie con el conductor interno o central del cable coaxial
  • Un bloque externo de CC tiene un condensador en serie con el conductor de blindaje del cable coaxial
  • Un bloque interno/externo de CC tiene condensadores en serie con el conductor interno y externo.

Todos los tipos de bloques de CC se designan para impedancias características específicas, normalmente 50 o 75 Ω. CBLK-300-3 de Crystek Corporation es un bloque de 50 Ω, conductor interno de CC que pasa señales con frecuencias de 300 kilohercios (kHz) a 3 GHz, mientras bloquea niveles de CC de hasta 16 voltios con bajas pérdidas de inserción y retorno en su rango de frecuencia de operación (Figura 8).

Diagrama de Crystek CBLK-300-3 que bloquea la CC y pasa las señalesFigura 8: El Crystek CBLK-300-3 bloquea la corriente continua y pasa señales con frecuencias de 300 kHz a 3 GHz. (Fuente de la imagen: Crystek Corporation)

T de polarización

La T de polarización está relacionado con el bloqueo de CC. Es un adaptador de tres puertos donde la energía de CC se aplica a un puerto. Un segundo puerto combina la polarización de CC con la señal de RF incidente de un puerto de RF aislado (Figura 9).

Imagen de T de polarización de Crystek que tiene tres puertosFigura 9: La T de polarización tiene tres puertos: uno para aplicar una polarización de CC, un segundo es un puerto de RF aislado, mientras que el tercero combina la señal de RF y la polarización de CC. (Fuente de la imagen: Crystek Corporation)

Las tes de polarización se utilizan para suministrar energía a los aparatos electrónicos remotos, como un amplificador de bajo ruido (LNA) montado en una antena con alimentación de CC, mientras que proporcionan un puerto sin CC para conectar un receptor de RF. La polarización de CC se aplica a través de un inductor en serie, que bloquea la aplicación de RF a la fuente de CC. Como un bloque de CC, el puerto de solo RF está aislado de la entrada de CC por un condensador en serie. El puerto combinado pasa por los componentes de RF y CC.

El BTEE-01-50-6000 de Crystek Corporation es una T de polarización con un ancho de banda de RF de 50 megahertz (MHz) a 6 GHz usando conectores SMA. El puerto RF acepta una señal de RF con un nivel de potencia máximo de 2 vatios. El puerto de CC tiene una entrada de CC máxima de 16 voltios. La pérdida de inserción de la T de polarización es generalmente de 0.5 decibelios (dB) a 2 GHz. En funcionamiento, el puerto RF+CC está conectado al LNA y a la antena. La fuente de alimentación de CC está conectada al puerto de CC y el receptor está conectado al puerto de RF.

Filtros en línea

Otro adaptador coaxial útil es el filtro en línea. Hay filtros de paso bajo, paso alto y paso de banda disponibles para los tipos de conectores BNC o SMA. Se aplican para controlar el espectro de la señal que se transmite por el cable. Por ejemplo, para medir el número efectivo de bits en un convertidor analógico-digital (ADC), se insertaría un filtro de paso bajo entre el generador de señales y el ADC. El filtro atenuará los niveles armónicos del generador, mejorando así enormemente la precisión de la medición. Esto permite utilizar un generador de señales de menor costo.

Un buen ejemplo de este tipo de dispositivo es el CLPFL-0100 de Crystek, un filtro de paso bajo de 7º orden de 100 MHz con una frecuencia de corte de 100 MHz (Figura 10).

Imagen del filtro de paso bajo de siete polos de 100 MHz CLPFL-0100 de CrystekFigura 10: El CLPFL-0100 es un filtro de paso bajo de siete polos de 100 MHz para la inserción en línea en un cable SMA. (Fuente de la imagen: Crystek Corporation)

Una señal de entrada de 100 MHz tendrá su segundo armónico atenuado en 30 dB y su armónico superior atenuado en mejor de 60 dB. Si el generador de señal del ejemplo anterior tuviera una especificación de nivel armónico de -66 dB, el filtro lo reduciría por debajo de -96 dB.

Protectores contra sobretensiones

Los protectores de sobretensión, a veces llamados pararrayos, protegen los aparatos electrónicos sensibles de las sobretensiones transitorias, como los rayos. Esto se puede hacer con los huecos de chispa, tubos de gas o diodos que se rompen eléctricamente para descargar las sobretensiones eléctricas a tierra antes de que puedan dañar los dispositivos protegidos.

El LP-GTR-NFF de Amphenol Time Microwave Systems es un protector de sobretensión en línea con conector tipo N que utiliza un tubo de descarga de gas reemplazable. El tubo se rompe con voltajes de CC superiores a ±90 voltios/20 A y puede soportar sobretensiones de hasta 50 vatios. Se inserta en línea y tiene un ancho de banda de CC a 3 GHz con una pérdida de inserción de 0.1 dB hasta 1 GHz y de 0.2 dB hasta 3 GHz (Figura 11).

Imagen del protector de sobretensión LP-GTR-NFF de Amphenol Times Microwave SystemsFigura 11: El protector de sobretensión LP-GTR-NFF de Amphenol Times Microwave Systems es un dispositivo conector en línea N que se utiliza para proteger las líneas coaxiales contra sobretensiones transitorias de hasta 50 vatios. (Fuente de la imagen: Amphenol Times Microwave Systems)

Los protectores de sobretensión se montan generalmente en soportes en L que se atan eléctrica y mecánicamente a una conexión a tierra de baja impedancia mediante grandes conductores de baja inducción. Es importante señalar que la calidad de la conexión a tierra afecta al rendimiento del protector de sobretensión.

Atenuadores en línea

Los atenuadores reducen el nivel de potencia de una señal sin distorsionar la forma de onda de la señal. Las versiones coaxiales en línea ofrecen una atenuación fija y están disponibles en un gran número de tipos de conectores con una variedad de configuraciones de enchufes y tomas.

CATTEN-03R0-BNC de Crystek Corporation es un atenuador BNC de 3 dB, 50 Ω, con un ancho de banda de 0 a 1 GHz y una potencia de 2 vatios (Figura 12). Es uno de los trece modelos de atenuador disponibles en su línea de productos con atenuaciones de 1 a 20 dB.

Imagen de CATTEN-03RO-BNC de CrystekFigura 12: El CATTEN-03RO-BNC de Crystek es un atenuador coaxial BNC de 3 dB en línea con un ancho de banda de 0 a 1 GHz. (Fuente de la imagen: Crystek Corporation)

Los atenuadores en línea se utilizan obviamente para reducir el nivel de potencia de una señal, pero menos obviamente, también se utilizan para proporcionar aislamiento entre las impedancias en los dispositivos conectados en serie, así como para reducir los desajustes de impedancia y los reflejos no deseados.

Considere la posibilidad de insertar un atenuador de 3 dB delante de una impedancia de carga no coincidente. La señal de entrada del atenuador se reduce en 3 dB por el atenuador a medida que se propaga a la carga desajustada. Asumiendo que el desajuste es un circuito abierto, entonces toda la señal se refleja en la carga y rebota a través del atenuador donde sufre otra pérdida de 3 dB en la entrada del atenuador. La pérdida de retorno en la entrada del atenuador se mejora en 6 dB. El desajuste observado a la entrada del atenuador se mejora en una cantidad igual al doble del valor del atenuador; en este caso la reducción total es de 6 dB.

Esta técnica tiene la desventaja de que la amplitud de la señal pasante se reduce en 3 dB, lo que debe ser compensado en otras partes de la red. CATTEN-03R0-BNC de Crystek funcionaría bien en esta aplicación.

Conclusión

Cuando se conectan instrumentos u otros dispositivos con adaptadores coaxiales, los diseñadores y otros usuarios del equipo deben conocer los fundamentos de las líneas de transmisión. Una vez que se entienden, los usuarios pueden aprovechar mejor estos componentes tan útiles con su amplia gama de utilidad, incluyendo el cambio de tipos de conectores e impedancias características, ramificación de señales, filtrado, protección contra sobretensiones, atenuación de señales y control y aislamiento de CC.

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.

Acerca de este autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

Acerca de este editor

Editores de Digi-Key de América del Norte