Comment choisir, utiliser et entretenir des connecteurs coaxiaux pour les applications RF ?

Les circuits radiofréquences (RF) abondent dans les communications câblées et sans fil, notamment le Wi-Fi et les nombreuses technologies sans fil utilisées pour l'Internet des objets (IoT). Ces signaux haute fréquence doivent être distribués entre les systèmes, les composants du circuit et les sous-assemblages avec un minimum de perte ou de radiation parasite.

Bien qu'il s'agisse normalement du rôle des câbles et connecteurs coaxiaux RF, sous les contraintes de temps, de coûts et de fiabilité, les concepteurs doivent veiller à choisir rapidement le meilleur connecteur RF et à l'appliquer de manière adaptée pour des performances maximales et une durée de vie prolongée.

Cet article traite des paramètres critiques des connecteurs RF, comme la taille, la plage de fréquences, la perte et la durabilité, afin d'aider les concepteurs à adapter leur connecteur à leur application RF. L'article présente également des solutions adaptées accompagnées d'informations pratiques sur leur application et leur maintenance.

Connecteurs coaxiaux RF

Les connecteurs et câbles coaxiaux RF fournissent des liaisons RF clés dans les communications, la diffusion et les systèmes sans fil, ainsi que dans les applications de test et de mesure. Ils fournissent une fonction de propagation à faibles pertes entre les systèmes RF, les composants, les sous-assemblages et les dispositifs utilisant un câble coaxial ou des lignes rubans. La structure coaxiale de base comprend un conducteur central entouré d'une couche concentrique diélectrique isolante. Cette dernière est à son tour enfermée dans un capot conducteur cylindrique. Les dimensions des éléments du câble sont contrôlées avec précision pour l'uniformité de la dimension et de l'espacement du conducteur, un critère essentiel pour l'efficacité de son fonctionnement en tant que ligne de transmission. Les connecteurs RF fournissent des jonctions pour le raccordement des câbles coaxiaux et des lignes rubans de transmission à d'autres composants ou sous-assemblages. Ils prolongent la structure coaxiale en ajoutant des conducteurs de verrouillage et un mécanisme de blocage, tout en maintenant une impédance électrique constante. Deux éléments d'un connecteur subminiature type A (SMA) d'Amphenol RF sont représentés à la Figure 1.

Figure 1 : La paire de connecteurs SMA est un exemple de connecteur coaxial. L'image représente le conducteur de raccordement intérieur, la couche diélectrique et le conducteur de blocage extérieur. (Source de l'image : Amphenol RF)

L'image de gauche représente la moitié mâle ou la fiche. L'image de droite représente la moitié femelle, le jack ou la prise de la paire de connecteurs. En général, la fiche possède un conducteur central qui dépasse et un filetage de blocage interne au niveau du conducteur extérieur. La prise possède un conducteur intérieur encastré et un filetage de blocage externe. Il est à noter que certains types de connecteurs à polarité inverse ont des filetages de blocage inversés, avec un filetage externe sur le composant mâle et un filetage interne sur le composant femelle. D'autres mécanismes de blocage peuvent comprendre un système rotatif, un raccordement à baïonnette ou des anneaux encliquetables.

La plupart des connecteurs coaxiaux, comme cette paire de connecteurs SMA, sont classés en tant que mâles ou femelles, c'est-à-dire que chaque moitié présente une structure différente. Certains connecteurs ont des structures identiques de chaque côté de la jonction. Il s'agit principalement des connecteurs haute précision conçus pour les applications de laboratoire.

Types de connecteurs coaxiaux

Bien qu'il y ait une multitude de connecteurs RF, il est possible de les différentier grâce à un certain nombre de paramètres clés. Ces spécifications incluent la taille physique, l'impédance, le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS), le type de raccordement et la bande passante ou la plage de fréquences (Tableau 1).

Tableau 1 : Tableau récapitulatif des spécifications des connecteurs coaxiaux fréquemment utilisés. (Source des données : DigiKey Electronics)

Bande passante d'un connecteur

La principale spécification d'un connecteur coaxial est sa bande passante. Il s'agit de la fréquence maximale à laquelle il peut être utilisé. La fréquence utile maximale d'un connecteur dépend du diamètre du capot extérieur et du matériau utilisé comme couche diélectrique. Plus le diamètre du capot est petit, plus la fréquence utile maximale est élevée. De même, l'utilisation de l'air comme couche diélectrique fournit une fréquence plus élevée que les autres matériaux de couche diélectrique. Par conséquent, les connecteurs ayant la bande passante la plus élevée utilisent l'air comme couche diélectrique.

Impédance d'un connecteur

Pour assurer un transfert de puissance maximal et réduire la perte de puissance issue des réflexions, l'impédance caractéristique du connecteur doit correspondre à la source et à la charge. La plupart des connecteurs dédiés aux applications RF générales sont conçus pour présenter une impédance de 50 Ω, tandis que des connecteurs de 75 Ω sont disponibles pour les applications vidéo.

ROS

Le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) est une mesure de l'impédance efficace du connecteur après raccordement. Plus le ROS est élevé, plus la puissance réfléchie par le connecteur est élevée en raison des écarts d'impédance. Il est à noter que le ROS dépend de la fréquence et que les valeurs du ROS des connecteurs ne doivent être comparées qu'à la même fréquence.

Mécanisme de raccordement

La colonne du tableau dédiée au raccordement indique le type de mécanisme de verrouillage mécanique utilisé. Il s'agit d'un facteur extrêmement important pour les applications dans lesquelles le connecteur est exposé à des vibrations. Le raccordement fait généralement l'objet d'un compromis entre simplicité de connexion et verrouillage sécurisé. La paire de connecteurs SMA précédemment illustrée à la Figure 1 est un exemple de raccordement fileté. Des exemples de raccordement à baïonnette et encliquetable sont illustrés à la Figure 2, avec les types de connecteurs BNC et SMP, respectivement.

Figure 2 : Exemples de raccordements à baïonnette et encliquetable. La méthode de raccordement est importante pour les applications exposées aux vibrations. Il s'agit souvent d'un compromis entre simplicité d'utilisation et verrouillage sécurisé. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Taille et durabilité des connecteurs

Compte tenu de la tendance à la miniaturisation, la taille joue un rôle majeur dans la sélection d'un connecteur. Le Tableau 1 indique également les classes de taille des connecteurs répertoriés. Un autre compromis doit être fait entre la taille et la durée de vie du connecteur. Les petits connecteurs ont généralement des cycles de raccordement (branchement/débranchement) moins nombreux. Si le grand connecteur N peut avoir une durabilité supérieure à 500 cycles de raccordement, la durabilité du connecteur microminiature U.FL se limite à 30 cycles de raccordement. La durée de vie de chaque connecteur varie selon le fabricant. Il est impératif de consulter les spécifications si la durée de vie constitue un paramètre important.

Les connecteurs coaxiaux utilisés dans les applications comme les instruments de test et de mesure, où les cycles de raccordement sont très nombreux, sont généralement protégés par des « économiseurs de connecteur ». Ces adaptateurs facilement remplaçables se raccordent aux connecteurs de l'instrument et présentent un corps de connecteur extensible adapté à de multiples utilisations.

Classes de connecteurs et spécifications industrielles

Les connecteurs sont répartis en plusieurs classes distinctes. Dans le Tableau 1, les connecteurs de précision comme ceux de 1 mm à 2,92 mm et de type N relèvent de la norme IEEE-STD-287. Ces connecteurs présentent des tolérances dimensionnelles plus précises, dictées par leurs applications à large bande passante. Les connecteurs plus courants relèvent de la norme MIL-STD-348 ou de l'une des normes européennes, comme la norme CECC 22220. Les tolérances de ces connecteurs sont plus souples, ce qui permet de réduire les coûts.

Compatibilité de raccordement

La capacité de raccordement à des connecteurs de différentes gammes dépend de la classe du connecteur. Le Tableau 1 indique un certain nombre de raccordements interchangeables pour les connecteurs. Les connecteurs de 1,85 mm et 2,4 mm sont interchangeables, tout comme les connecteurs de 2,92 mm et 3,5 mm. Le corps des connecteurs mâles de 2,92 mm et 3,5 mm peut être raccordé à des connecteurs femelles SMA avec une réduction de la bande passante globale. En raison de leurs classes de tolérance différentes, il est recommandé de ne pas essayer de raccorder un connecteur mâle SMA à un connecteur femelle de 2,92 mm ou 3,5 mm. Les tolérances mécaniques étendues du SMA peuvent endommager le brochage de la prise des connecteurs de précision.

Puissance nominale des connecteurs

Les fabricants ne spécifient pas la dissipation de puissance de leurs connecteurs, car cette spécification dépend de chaque application. Elle varie en fonction de la fréquence, du ROS du système, de la température, de l'altitude et des impédances de charge. En général, la tenue en puissance varie directement en fonction de la taille du connecteur et de sa capacité à dissiper la chaleur. La dissipation de puissance maximale diminue à mesure que la fréquence augmente.

Le connecteur doté de la meilleure tenue en puissance est le connecteur N, qui peut supporter 300 et 400 W. Viennent ensuite les connecteurs BNC et SMA. Les connecteurs de précision se limitent à quelques dizaines de watts. Une fois encore, si un fonctionnement haute puissance est nécessaire, il est important de contacter le fabricant pour obtenir des détails sur les spécifications de dissipation de puissance.

Utilisation des connecteurs

Avant d'utiliser un connecteur, il est important de vérifier qu'il n'est pas endommagé : il ne doit y avoir aucune particule de métal, les conducteurs centraux ne doivent pas être tordus et les capots extérieurs ne doivent pas être déformés ni aplatis (Figure 3). Un connecteur endommagé doit être réparé ou remplacé. Les connecteurs doivent être propres, sans saleté ni autres contaminants. Le corps des connecteurs doit se raccorder facilement, sans blocage ni obstruction. Ne forcez pas le raccordement des connecteurs. En cas de problème, vérifiez à nouveau le connecteur pour déterminer la source.

Lors du raccordement d'un connecteur fileté, tournez uniquement le capot extérieur et non pas le corps ni le câble. Le fait de tourner le corps du connecteur peut endommager les conducteurs centraux. Après le serrage manuel de la bague extérieure, utilisez une clé dynamométrique étalonnée pour appliquer le couple de serrage spécifié dans les instructions du fabricant.

Figure 3 : Un exemple de connecteur SMA avec des dépôts de saleté et des particules de métal sur la couche diélectrique (gauche), et le même connecteur après un nettoyage avec du coton et de l'alcool isopropylique (droite). (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Entretien des connecteurs

Les connecteurs doivent toujours être propres. Le mieux est de mettre des capots de protection sur les connecteurs lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Un connecteur sale doit être nettoyé. Les connecteurs avec des couches diélectriques solides peuvent être nettoyés à l'aide d'un tampon en coton non pelucheux imbibé d'alcool isopropylique. Veillez à ne pas tordre les broches du conducteur central. Il est également recommandé de nettoyer les filetages intérieurs et extérieurs des connecteurs filetés. N'utilisez pas de tampon sur les connecteurs ayant une couche diélectrique composée d'air, car les solvants peuvent endommager les perles diélectriques qui servent à maintenir les éléments en place. Nettoyez-les à l'aide d'un système à air comprimé sec.

Choisir des connecteurs coaxiaux

La sélection d'un connecteur coaxial commence par la détermination de la bande passante nécessaire pour traiter les signaux utilisés, puis des facteurs de taille et de configuration mécanique (fiche, prise, à souder, montage sur panneau, etc.). Prenons l'exemple d'un connecteur de sortie pour un générateur de signal de 1 GHz. Comme il s'agit d'une source de signal de test et de mesure, le connecteur BNC est un choix courant. La bande passante du BNC est supérieure à 1 GHz et ce connecteur est disponible sous forme de prise à montage sur panneau. La prise BNC 31-221-RFX d'Amphenol RF constitue un excellent choix.

Lors de la sélection d'un connecteur pour un signal de fréquence supérieur à 10 GHz, optez pour un connecteur SMA comme le SF2950-6062 d'Amphenol SV Microwave, ou pour un connecteur de précision de 2,92 mm comme le SF1521-60013 d'Amphenol SV Microwave. Ce choix peut être dicté par le compromis entre bande passante et coût. Le connecteur de 2,9 mm a une bande passante deux fois plus élevée que celle du SMA, mais cet avantage implique un coût presque trois fois supérieur.

Si la taille est la spécification déterminante, prenez en compte la durabilité du connecteur. Par exemple, le modèle de jack MMCX 0734152063 de Molex LLC est certifié à 500 cycles de raccordement. Le connecteur U.FL-R-SMT(10) de Hirose Electric Co. est plus petit, mais peut uniquement supporter 30 cycles de raccordement. Il peut également y avoir une différence de coût considérable.

Conclusion

Cet article a étudié la gamme de connecteurs coaxiaux RF en synthétisant leurs principaux attributs. Il constitue un excellent point de départ pour les concepteurs qui souhaitent choisir un connecteur adapté à leur conception. Comme indiqué, lors de la sélection d'un connecteur coaxial RF en apparence simple, il est essentiel d'étudier minutieusement les exigences techniques. Nous vous recommandons également de consulter de manière approfondie les fiches techniques du fabricant pour en savoir plus.