Guide de l'ingénieur pour la sélection et l'utilisation des assemblages de câbles RF

Les assemblages de câbles RF sont utilisés dans un large éventail d'applications, qu'il s'agisse de domaines bien établis comme l'aérospatiale et les communications ou de cas d'utilisation plus récents comme l'automobile, l'industrie et l'Internet des objets (IoT). Cette liste croissante d'applications a stimulé le développement de nouveaux types d'assemblages de câbles RF, offrant ainsi aux ingénieurs de nouvelles opportunités d'optimiser la conception de leurs systèmes RF.

Cependant, cette croissance complique le processus de conception. Avec de si nombreux assemblages sur le marché, il est difficile d'identifier le meilleur choix pour une application spécifique. De plus, avec l'utilisation de câbles RF dans de nouvelles applications, un plus grand nombre de concepteurs, d'installateurs et de techniciens de maintenance sont confrontés à des technologies inconnues. Outre les considérations d'espace et d'environnement, ces groupes doivent désormais se familiariser avec la compatibilité de fréquence, l'adaptation d'impédance, le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS), le couplage magnétique et le blindage.

Pour garantir les performances et la fiabilité des systèmes RF, les ingénieurs doivent adopter une approche attentive et avoir une vision claire des options et des pièges potentiels qui les attendent.

En commençant par un bref aperçu des applications RF, y compris leurs caractéristiques électriques, leur construction physique et leurs cas d'utilisation typiques, cet article sert de guide pour la tâche complexe de sélection, d'installation et de maintenance des assemblages de câbles RF. Des exemples de Molex sont présentés pour illustrer les principaux critères de sélection et d'utilisation.

Cas d'utilisation en expansion des assemblages de câbles RF

Les technologies RF couvrent une multitude de secteurs, chacun avec ses défis uniques. Les fréquences s'étendent de centaines de hertz (Hz) à des dizaines de gigahertz (GHz). Certaines applications nécessitent une construction renforcée. D'autres ont des empreintes physiques extrêmement limitées. Pour illustrer la diversité des cas d'utilisation, considérons ces applications courantes :

• Aérospatiale et défense : Systèmes radar, canaux de communication et GPS
• Automobile et transports : Systèmes d'infodivertissement, navigation et réseaux de communications véhiculaires
• Télécommunications et diffusion : Signaux vidéo 8K sur réseaux Wi-Fi, LTE et 5G
• Industrie : Capteurs IoT, chaînes de montage automatisées et télémétrie
• Médical : Systèmes de surveillance à distance des patients, machines de diagnostic avancées et unités de chirurgie robotisée
• Test et mesure : Mesures sur banc, tests sur le terrain et assurance qualité dans les installations de fabrication

En raison de l'utilisation RF croissante, de plus en plus d'ingénieurs et de concepteurs s'intéressent aux circuits haute fréquence, souvent sans avoir de connaissances préalables dans ce domaine. Confrontées à des délais et à des budgets serrés, ils ont besoin de solutions qui simplifient leurs tâches tout en garantissant la fiabilité de leurs systèmes.

C'est là que les assemblages de câbles RF entrent en jeu. Ces assemblages sont constitués de connecteurs et de câbles pré-assemblés qui répondent aux exigences de performances spécifiées tout en réduisant les efforts d'ingénierie. L'utilisation d'assemblages de câbles RF peut permettre de gagner du temps et de l'argent lors de la conception et du prototypage, et d'améliorer la qualité et le rendement de production.

Compatibilité de fréquence, adaptation d'impédance et ROS

Le choix de l'assemblage de câble approprié nécessite de prendre en compte plusieurs facteurs. Tout d'abord, l'assemblage doit pouvoir s'adapter à la gamme de fréquences du signal RF. Ces fréquences peuvent s'étendre de quelques centaines de hertz à la bande des super-hautes fréquences (SHF) de 3 à 30 GHz ou plus (Figure 1).

Figure 1 : Les assemblages de câbles RF sont disponibles dans une grande variété de conceptions, qui peuvent être catégorisés, entre autres facteurs, selon la taille du connecteur et la fréquence maximale supportée. (Source de l'image : Molex)

Pour atteindre les performances souhaitées, un assemblage de câble doit gérer la gamme de fréquences appropriée sans perte ou distorsion significative du signal. Par exemple, la SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) définit des exigences strictes en matière de qualité du signal dans le cadre de ses directives 2082-1, qui limitent la perte à 40 décibels (dB) à la moitié de la fréquence d'horloge.

Les assemblages de câbles RF mini BNC de Molex, qui offrent des performances de pertes par réflexion élevées à des fréquences jusqu'à 12 GHz, constituent un moyen de répondre à ces exigences. Ces performances dépassent les exigences en matière de transmission série de vidéo TV haute définition (TVHD) 8K, permettant l'extension future de la bande passante sans modifications matérielles.

L'adaptation d'impédance constitue un autre paramètre clé. Les signaux RF sont sensibles aux interférences dues aux ondes incidentes et réfléchies, causées par une désadaptation d'impédance le long de la ligne de signaux. Pour minimiser la perte de signal, l'assemblage de câble doit présenter la même impédance que la charge connectée, généralement 50 ou 75 ohms (Ω). Une bonne pratique consiste à concevoir les connecteurs et les câbles ensemble pour obtenir la meilleure adaptation.

Un exemple concret de cette pratique est l'assemblage 0897629290 qui associe des connecteurs BNC de Molex à un câble 4794R de Belden pour les applications 75 Ω haut de gamme.

Pour les applications particulièrement exigeantes telles que le test et la mesure, il peut être nécessaire de prendre en compte des paramètres supplémentaires tels que le ROS et la perte d'insertion. Le ROS est le rapport entre un signal incident et le signal réfléchi, qui permet de mesurer l'efficacité avec laquelle les signaux RF sont transmis de la source à la charge. La perte d'insertion est la quantité d'énergie perdue par un signal lorsqu'il se déplace dans un connecteur et un câble. La Figure 2 illustre quelques exemples de chacun de ces paramètres.

Figure 2 : Exemples de valeurs de ROS et de perte d'insertion pour des câbles hyperfréquences à faible perte efficaces. (Source de l'image : Molex)

Blindage, couplage magnétique et autres considérations

Le blindage est une autre considération importante. Tout câble transportant des signaux RF peut agir comme une antenne et diffuser ou recevoir des signaux, créant ainsi des interférences. Pour minimiser ces interférences, les câbles doivent être blindés avec un boîtier métallique mis à la terre (Figure 3).

Figure 3 : Câble blindé typique. En partant de l'intérieur du câble, on trouve le conducteur, un matériau diélectrique qui sépare le conducteur du blindage, un blindage métallique tissé et la gaine du câble. (Source de l'image : Molex)

Le choix du matériau de blindage est influencé par une série de facteurs, notamment les exigences de performances, les conditions environnementales et les contraintes budgétaires. Par exemple, le cuivre est très efficace sur la plupart des fréquences mais également relativement lourd et coûteux, tandis que l'aluminium est léger et économique mais moins efficace et plus sujet à la corrosion.

Il faut également considérer la forme du blindage. Des tresses métalliques comme celles de l'assemblage MCX 0897616761 avec des câbles RG-136 offrent une excellente résistance mécanique et une excellente protection physique. Par contraste, les blindages de type feuille sont généralement constitués d'aluminium laminé sur un film polyester ou polypropylène pour une alternative légère, flexible et économique. Il existe d'autres types, tels que les spirales, les rubans et les combinaisons, qui varient en termes de pourcentage de couverture de fréquence, de flexibilité, de durée de vie, de résistance mécanique, de coût et de facilité de terminaison.

Il se peut également qu'il faille tenir compte d'exigences d'application uniques. Par exemple, les applications médicales impliquent souvent des capteurs qui peuvent être affectés par les champs magnétiques. Ici, une solution comme l'assemblage de câble MMCX 0897616791 constitue un choix viable, car ces assemblages sont disponibles en versions à couplage non magnétique pour une meilleure compatibilité de conception.

Contraintes d'espace, risques environnementaux et maintenance

Lorsque l'on considère les paramètres physiques, les limitations d'espace et de routage sont souvent les principaux obstacles. Pensez aux applications dans le domaine de la défense, où l'on sait que l'espace est très restreint. Ici, une solution comme l'assemblage de câble SSMCX 0897611760 est pratique. Les connecteurs SSMCX sont parmi les plus petits du marché et ils sont disponibles avec des orientations verticales et à angle droit pour s'adapter aux contraintes d'espace et de routage difficiles.

Les concepteurs doivent également prendre en compte le rayon de courbure minimum lors de la sélection d'un assemblage. En raison de leur construction complexe, les câbles RF ont tendance à être plutôt rigides. Pour les situations qui requièrent des courbures serrées, des solutions comme les assemblages hyperfréquences flexibles de Molex (Figure 4) s'imposent. Ces câbles sont spécialement conçus pour un rayon de courbure statique plus petit.

Figure 4 : Sélection de câbles RF avec un petit rayon de courbure statique. (Source de l'image : Molex)

Les températures extrêmes peuvent également poser problème, en particulier pour les applications en extérieur, comme dans le secteur des télécommunications. Pour de telles applications, les gaines thermoplastiques courantes sur les assemblages de câbles RF ne conviennent pas. Des matériaux plus durables sont nécessaires. Par exemple, les assemblages hyperfréquences flexibles mentionnés précédemment utilisent un matériau éthylène-propylène fluoré (FEP) Temp-Flex pour la gaine, qui est un matériau résistant similaire au téflon.

Les vibrations et les chocs peuvent nuire à une conception, en particulier dans des applications telles que l'aéronautique. Pour garantir un fonctionnement fiable, les assemblages de câbles RF utilisés doivent disposer de connexions extrêmement sécurisées. Un bon exemple est l'assemblage de câble 0732306110 de Molex, qui utilise le mécanisme de verrouillage de connecteur MHF breveté de la société (Figure 5).

Figure 5 : Le système de connecteur MHF de Molex utilise un mécanisme de verrouillage breveté pour garantir une connexion sécurisée. (Source de l'image : Molex)

La maintenance doit être prise en compte dans le cadre du processus de conception. Il est important de considérer le temps moyen entre pannes (MTBF) des assemblages de câbles et de réfléchir à la configuration d'une conception afin de faciliter la maintenance et la réparation, avec un accès raisonnable aux sous-assemblages et connexions susceptibles de nécessiter le plus d'attention.

Les concepteurs doivent également envisager de mettre en place des programmes d'inspection pour la maintenance normale, et des listes de contrôle utilisateur pour détecter les signes indiquant qu'un assemblage de câble peut nécessiter une réparation ou un remplacement, afin de gérer les complications de manière proactive. Les étapes de maintenance courantes incluent la vérification de l'usure des assemblages, ainsi que le nettoyage des câbles et des connecteurs pour éliminer les contaminants susceptibles de pénétrer dans les connexions et de dégrader les performances.

Enfin, il est important d'évaluer le fabricant d'assemblages de câbles. Les critères incluent les certifications appropriées, l'expérience dans la production des assemblages concernés, des options de produits suffisantes pour soutenir la flexibilité de conception et des processus d'assurance qualité pour éviter les problèmes de performances. Par exemple, Molex est un développeur leader de technologies de câbles et de connecteurs, avec des innovations soutenues par plus de 8100 brevets et une solide réputation en matière de qualité et d'assistance technique, avec notamment un outil de création de câbles personnalisés.

Conclusion

Le choix d'un assemblage de câble RF approprié est un défi car il implique la compréhension et l'examen minutieux de facteurs tels que la compatibilité de fréquence, le blindage, les conditions environnementales, les contraintes d'espace et la maintenance. Comme illustré, faire confiance à un fabricant chevronné qui apporte expertise, assurance qualité et innovation peut être la clé pour relever ces défis, en particulier pour les ingénieurs et les concepteurs qui débutent dans le domaine RF. Un tel partenaire peut offrir un accompagnement dans le processus de sélection, d'installation et de maintenance de ces câbles afin de garantir que les dispositifs et les systèmes fonctionnent de manière fiable et optimale.