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Comprendre les principes fondamentaux des adaptateurs coaxiaux pour mieux utiliser ces composants très utiles

Par Art Pini

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Les utilisateurs d'équipements d'instrumentation électroniques impliquant la transmission ou la réception de signaux électriques haute fréquence connaissent bien les connexions coaxiales car elles sont utilisées de manière prolifique. À tel point que ces types de connexion peuvent être considérés comme acquis — jusqu'à ce qu'il soit nécessaire de connecter plusieurs instruments ensemble ou de prolonger les câbles coaxiaux. À ce stade, les concepteurs ou autres utilisateurs d'équipement peuvent se tourner vers les adaptateurs ; mais avant cela, ils doivent bien comprendre les implications et les caractéristiques de chaque type d'adaptateur qu'ils peuvent utiliser.

Il existe une grande variété d'adaptateurs pour une raison bien précise. Les adaptateurs en T relient une source de signal unique à plusieurs instruments, tandis que les adaptateurs cylindriques étendent les connexions de câbles coaxiaux. Il y a également les blocs CC, les tés de polarisation, les tampons d'impédance, les limiteurs de surtension et les terminaisons, qui sont tous fréquemment utilisés, mais pas toujours entièrement compris. L'utilisation correcte de ces adaptateurs nécessite une connaissance de base des lignes de transmission et un soin particulier lors de la sélection.

Cet article donne un bref aperçu des lignes de transmission. Il présente ensuite différents types d'adaptateurs coaxiaux, puis décrit leur fonctionnement et montre comment les utiliser au mieux. Des exemples concrets d'Amphenol RF, d'Amphenol Times Microwave Systems et de Crystek Corporation sont utilisés.

Lignes de transmission

Les lignes de transmission, sous la forme de câbles coaxiaux, de lignes plates, de microrubans ou autres, relient une source de signal à une charge. Les lignes de transmission ont une impédance caractéristique déterminée par les dimensions physiques des conducteurs, leur espacement et le matériau diélectrique utilisé pour isoler les conducteurs. Les câbles coaxiaux ont le plus souvent une impédance caractéristique de 50 ohms (Ω) pour les tâches RF générales, ou de 75 Ω pour les applications vidéo.

Pour assurer un rendement maximal dans le transfert d'énergie de la source à la charge, l'impédance de la source, l'impédance caractéristique de la ligne de transmission et l'impédance de la charge doivent être adaptées. Si les impédances diffèrent, une partie de l'énergie est réfléchie par la jonction mal adaptée. Par exemple, si l'impédance de la charge diffère de l'impédance de la source et de la ligne de transmission, alors l'énergie est réfléchie de la charge vers la source (Figure 1).

Image d'une ligne coaxiale avec une charge mal adaptéeFigure 1 : Une ligne coaxiale dont la charge est mal adaptée réfléchit l'énergie de la charge vers la source en créant des ondes stationnaires dans le trajet de transmission. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Les ondes incidentes et réfléchies se combinent de manière cumulative le long du trajet de transmission pour former des ondes stationnaires où l'amplitude varie périodiquement sur la longueur physique du trajet. Les ondes stationnaires provoquent des erreurs de mesure et peuvent endommager les composants. L'adaptation de l'impédance de la source, de la ligne de transmission et de la charge prévient la création d'ondes stationnaires, et contribue ainsi à assurer la transmission la plus efficace de l'énergie de la source à la charge.

En raison des exigences en matière d'adaptation d'impédance, il est important d'utiliser l'adaptateur approprié ; mais comme le concepteur le découvrira bientôt, les adaptateurs sont divers et variés, et sont souvent dotés de caractéristiques qui vont au-delà de la simple connexion.

Adaptateurs en T

Considérons un système d'instruments de base composé d'une seule source, d'un oscilloscope et d'un analyseur de spectre (Figure 2).

Schéma de connexion des trois instruments dans cet exempleFigure 2 : La connexion des trois instruments dans cet exemple à l'aide d'un adaptateur en T exige l'ajustement de l'impédance d'entrée de l'oscilloscope afin d'éviter une désadaptation à la source du signal. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La source de signal a une impédance de sortie de 50 Ω et est prévue pour fonctionner dans une charge de 50 Ω. Si un adaptateur en T est utilisé pour connecter l'oscilloscope et l'analyseur de spectre, avec les deux définis sur des terminaisons d'entrée de 50 Ω, la source de signal verra une charge de 25 Ω, réduisant sa sortie et créant des ondes stationnaires sur les câbles. Le secret ici consiste à placer l'instrument au milieu de la longueur coaxiale vers une terminaison d'entrée haute impédance, et l'instrument à l'autre bout de la longueur coaxiale vers sa terminaison d'entrée 50 Ω, comme illustré. La source du signal considérera qu'il s'agit d'une charge de 50 Ω, et tout ira bien.

Le 112461 d'Amphenol RF (Figure 3) est un adaptateur en T BNC avec une seule fiche BNC, deux jacks BNC et une bande passante de 4 gigahertz (GHz). Il pourrait être utilisé dans la configuration illustrée dans notre exemple pour les instruments avec une bande passante inférieure à 4 GHz.

Image de l'adaptateur en T BNC 112461 d'AmphenolFigure 3 : L'adaptateur en T BNC 112461 d'Amphenol offre une bande passante de 4 GHz. Dans l'exemple de la Figure 1, la fiche est connectée à l'entrée de l'oscilloscope, et les câbles coaxiaux sont connectés des jacks BNC à la source du signal et à l'analyseur de spectre. (Source de l'image : Amphenol RF)

Le type d'adaptateur en T à sélectionner dépend des connecteurs utilisés sur les instruments et il est basé sur la bande passante des instruments respectifs. En général, les adaptateurs coaxiaux tels que les adaptateurs en T ne sont pas disponibles pour les bandes passantes supérieures à 40 GHz, car les pertes de signal deviennent problématiques dans les adaptateurs à ces fréquences. Une liste des connecteurs coaxiaux d'instruments courants pour lesquels des adaptateurs sont généralement disponibles est présentée, ainsi que leurs principales caractéristiques (Tableau 1).

Type Bande passante (GHz) Impédance ROS Méthode de couplage Format Spécification Notes
2,92 mm K 40 50 Ω 1.34:1 Fileté Subminiature IEEE Std. 287 Raccordement avec 3,5 mm et SMA (limité)
Couple à 90 N-cm (8 in-lb)
3,5 mm 33 50 Ω 1.30:1 Fileté Subminiature IEEE Std. 287 Raccordement avec 2,92 mm et SMA (limité)
Couple à 90 N-cm (8 in-lb)
BNC 6 50 Ω
75 Ω
1.2:1 Baïonnette Miniature MIL-STD-348
MIL-C-39012
N 18 50 Ω 1.35:1 Fileté Standard IEEE Std. 287
MIL-C-39012
Couple à 135 N-cm (12 in-lb)
SMA 18 50 Ω 1.2:1 Fileté Subminiature MIL-STD-348
MIL-C-39012
Couple à 56 N-cm (5 in-lb)

Tableau 1 : Types de connecteurs coaxiaux courants pour lesquels des adaptateurs sont disponibles. Au-dessus de 40 GHz, les adaptateurs présentent des pertes qui les rendent inutilisables. (Source du tableau : Digi-Key Electronics)

Adaptateurs de gammes de connecteurs

Si vous utilisez plusieurs types de connecteurs, vous devez pouvoir passer d'un type de connecteur à un autre. Envisagez de devoir installer un câble SMA à partir du connecteur BNC d'entrée sur un oscilloscope ou un analyseur de spectre. Pour cette situation, le 242103 d'Amphenol RF fournit une fiche BNC à connecter à l'instrument et un jack SMA pour recevoir le câble SMA (Figure 4).

Image de l'adaptateur BNC vers SMA d'Amphenol RFFigure 4 : Un adaptateur BNC vers SMA s'insère entre un jack BNC et une fiche SMA pour permettre la connexion d'un câble SMA à une entrée d'instrument. (Source de l'image : Amphenol RF)

Les utilisateurs d'équipements doivent garder à l'esprit que chaque fois qu'un adaptateur est utilisé, la bande passante de l'interconnexion est réduite à la bande passante inférieure des deux gammes de connecteurs. Dans le cas de l'adaptateur BNC vers SMA, la bande passante est de 4 GHz, héritée du BNC.

Il existe également des adaptateurs qui offrent des changements d'impédance de 50 Ω à 75 Ω et vice versa.

Adaptateurs cylindriques et de traversée

L'extension des câbles ou le passage d'un câble à travers un panneau requiert l'utilisation d'adaptateurs cylindriques ou de traversée. Ceux-ci sont disponibles pour les gammes de connecteurs indiquées dans le Tableau 1. Un exemple est l'adaptateur de traversée 132170 d'Amphenol RF, qui possède deux jacks SMA auxquels des câbles utilisant des fiches SMA peuvent se connecter de chaque côté d'une traversée ou d'un panneau (Figure 5).

Image du connecteur SMA de traversée d'Amphenol RFFigure 5 : Exemple de connecteur SMA de traversée, pouvant être monté sur un panneau pour y faire passer une connexion coaxiale. (Source de l'image : Amphenol RF)

Les connecteurs cylindriques peuvent être configurés comme jack-à-jack ou comme fiche-à-fiche, mais plus rarement comme fiche-à-jack.

Terminaisons

La connexion en série de plusieurs instruments à entrée haute impédance à partir d'une source de 50 Ω exige une terminaison de 50 Ω (Figure 6).

Image de la terminaison 50 Ω 202120 d'Amphenol RFFigure 6 : Lors de la connexion de plusieurs dispositifs à entrée haute impédance à une source de 50 Ω, un terminateur de 50 Ω externe est nécessaire pour éviter toute réflexion dans les lignes coaxiales. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Le terminateur de 50 Ω 202120 d'Amphenol RF est un exemple de terminaison coaxiale configurée en tant que jack BNC (Figure 7).

Image du CBLK-300-3 de Crystek bloquant le courant continu et transmettant des signauxFigure 7 : Le 202120 d'Amphenol RF est une terminaison de 50 Ω configurée en tant que jack BNC. (Source de l'image : Amphenol RF)

Le jack BNC accepte directement le câble coaxial. Il existe également des terminaisons sous la forme de fiches BNC qui se raccordent à un jack BNC. Elles sont utiles pour terminer un instrument directement sur son panneau avant. Alors que la plupart des oscilloscopes offrent à la fois des entrées de 50 Ω et haute impédance, il y a une limite de tension sur les entrées d'oscilloscope de 50 Ω, généralement 5 volts (V). Les oscilloscopes ont également une limite de puissance de 0,5 watt (W) sur leurs entrées de 50 Ω. Le 202120 est répertorié à 1 W et peut supporter plus de 7 V.

Des terminaisons sont également disponibles pour d'autres impédances. Par exemple, des terminateurs de 75 Ω sont fréquemment utilisés dans les applications de télévision et de vidéo. Les terminaisons de court-circuit ou zéro Ω sont utilisées lors de l'étalonnage des analyseurs de réseau.

Blocs CC et tés de polarisation

Le bloc CC est un adaptateur coaxial qui bloque les signaux de courant continu et permet le passage des signaux RF. Il est utilisé pour protéger les composants RF sensibles contre le courant continu, qui est bloqué par un condensateur. Il existe trois types de bloc CC :

  • Un bloc CC interne utilise un seul condensateur en série avec le conducteur interne ou central du câble coaxial
  • Un bloc CC externe comporte un condensateur en série avec le conducteur de blindage du câble coaxial
  • Un bloc CC interne/externe comporte des condensateurs en série avec le conducteur interne et externe

Tous les types de blocs CC sont désignés pour des impédances caractéristiques spécifiques, généralement 50 Ω ou 75 Ω. Le CBLK-300-3 de Crystek Corporation est un bloc CC à conducteur interne, 50 Ω, qui transmet des signaux à des fréquences de 300 kilohertz (kHz) à 3 GHz, tout en bloquant des niveaux de courant continu jusqu'à 16 V avec de faibles pertes d'insertion et de faibles pertes par réflexion sur sa plage de fréquences de fonctionnement (Figure 8).

Schéma du CBLK-300-3 de Crystek bloquant le courant continu et transmettant les signauxFigure 8 : Le CBLK-300-3 de Crystek bloque le courant continu et transmet les signaux à des fréquences de 300 kHz à 3 GHz. (Source de l'image : Crystek Corporation)

Tés de polarisation

Le té de polarisation est lié au bloc CC. Il s'agit d'un adaptateur à trois ports où l'alimentation CC est appliquée à un port. Un deuxième port combine la polarisation continue avec le signal RF incident d'un port RF isolé (Figure 9).

Image du té de polarisation de Crystek à trois portsFigure 9 : Le té de polarisation a trois ports : un pour appliquer une polarisation continue, un deuxième étant un port RF isolé, et un troisième combinant le signal RF et la polarisation continue. (Source de l'image : Crystek Corporation)

Les tés de polarisation sont utilisés pour alimenter des dispositifs électroniques à distance, comme un amplificateur à faible bruit (LNA) monté sur une antenne avec une alimentation CC, tout en fournissant un port sans courant continu pour connecter un récepteur RF. La polarisation continue est appliquée via une inductance série, qui bloque l'application RF à la source CC. Comme un bloc CC, le port uniquement RF est isolé de l'entrée CC par un condensateur en série. Le port combiné permet la transmission des composantes RF et CC.

Le BTEE-01-50-6000 de Crystek Corporation est un té de polarisation avec une bande passante RF de 50 mégahertz (MHz) à 6 GHz, utilisant des jacks SMA. Le port RF accepte un signal RF avec un niveau de puissance maximum de 2 W. Le port CC a une entrée CC maximum de 16 V. La perte d'insertion du té de polarisation est typiquement de 0,5 décibel (dB) à 2 GHz. En fonctionnement, le port RF+CC est connecté au LNA et à l'antenne. La source d'alimentation CC est connectée au port CC et le récepteur est connecté au port RF.

Filtres en ligne

Un autre adaptateur coaxial utile est le filtre en ligne. Des filtres passe-bas, passe-haut et passe-bande sont disponibles pour les types de connecteurs BNC ou SMA. Ils sont appliqués pour contrôler le spectre du signal transmis sur le câble. Par exemple, pour mesurer le nombre effectif de bits dans un convertisseur analogique-numérique (CAN), un filtre passe-bas peut être inséré entre le générateur de signaux et le CAN. Le filtre atténue les niveaux d'harmoniques du générateur, améliorant ainsi considérablement la précision de la mesure. Cela permet d'utiliser un générateur de signaux moins coûteux.

Un bon exemple d'un tel dispositif est le CLPFL-0100 de Crystek, un filtre passe-bas du 7e ordre de 100 MHz avec une fréquence de coupure de 100 MHz (Figure 10).

Image du filtre passe-bas de 100 MHz à sept pôles CLPFL-0100 de CrystekFigure 10 : Le CLPFL-0100 est un filtre passe-bas de 100 MHz à sept pôles, destiné à être inséré en ligne dans un câble SMA. (Source de l'image : Crystek Corporation)

Un signal d'entrée de 100 MHz aura sa deuxième harmonique atténuée de 30 dB et sa plus haute harmonique atténuée de plus de 60 dB. Si le générateur de signaux dans l'exemple ci-dessus avait une spécification de niveau d'harmonique de -66 dB, le filtre le réduirait à moins de -96 dB.

Limiteurs de surtension

Les limiteurs de surtension, également appelés parasurtenseurs, protègent les équipements électroniques sensibles contre les surtensions transitoires, comme la foudre. Cela peut se faire avec des éclateurs, des tubes à gaz ou des diodes qui s'amorcent électriquement pour décharger les surtensions électriques à la terre avant qu'elles ne puissent endommager les dispositifs protégés.

Le LP-GTR-NFF d'Amphenol Times Microwave Systems est un limiteur de surtension en ligne à connecteur de type N, utilisant un tube à décharge gazeuse remplaçable. Le tube s'amorce à des tensions CC au-dessus de ±90 V/20 A et peut supporter des pointes jusqu'à 50 W. Il est inséré en ligne et a une bande passante de CC à 3 GHz avec une perte d'insertion de 0,1 dB jusqu'à 1 GHz et de 0,2 dB jusqu'à 3 GHz (Figure 11).

Image du limiteur de surtension LP-GTR-NFF d'Amphenol Times Microwave SystemsFigure 11 : Le limiteur de surtension LP-GTR-NFF d'Amphenol Times Microwave Systems est un dispositif à connecteur N en ligne utilisé pour protéger les lignes coaxiales contre les pointes transitoires jusqu'à 50 W. (Source de l'image : Amphenol Times Microwave Systems)

Les limiteurs de surtension sont généralement montés sur des supports en L qui sont reliés électriquement et mécaniquement à une terre de faible impédance à l'aide de grands conducteurs à faible inductance. Il est important de noter que la qualité de la connexion à la terre affecte les performances du limiteur de surtension.

Atténuateurs en ligne

Les atténuateurs réduisent le niveau de puissance d'un signal sans déformer la forme d'onde du signal. Les versions coaxiales en ligne offrent une atténuation fixe et sont disponibles dans un grand nombre de types de connecteurs avec une variété de configurations de fiches et de jacks.

Le CATTEN-03R0-BNC de Crystek Corporation est un atténuateur BNC de 3 dB, 50 Ω, avec une bande passante de 0 à 1 GHz et une puissance nominale de 2 W (Figure 12). C'est l'un des treize modèles d'atténuateurs disponibles dans la ligne de produits avec des atténuations de 1 à 20 dB.

Image du CATTEN-03R0-BNC de CrystekFigure 12 : Le CATTEN-03R0-BNC de Crystek est un atténuateur BNC 3 dB coaxial en ligne avec une bande passante de 0 à 1 GHz. (Source de l'image : Crystek Corporation)

Les atténuateurs en ligne sont évidemment utilisés pour abaisser le niveau de puissance d'un signal, mais, de manière moins évidente, ils sont également utilisés pour fournir l'isolation entre les impédances des dispositifs connectés en série, et pour réduire les désadaptations d'impédance et les réflexions indésirables.

Envisagez d'insérer un atténuateur de 3 dB adapté devant une impédance de charge non adaptée. Le signal d'entrée de l'atténuateur est réduit de 3 dB par l'atténuateur lorsqu'il se propage vers la charge non adaptée. En supposant que la désadaptation est un circuit ouvert, alors le signal entier est réfléchi à la charge et rebondit vers l'atténuateur où il subit une autre perte de 3 dB à l'entrée de l'atténuateur. La perte par réflexion à l'entrée de l'atténuateur est améliorée de 6 dB. La désadaptation observée à l'entrée de l'atténuateur est améliorée d'une quantité égale au double de la valeur de l'atténuateur — dans ce cas, la réduction totale est de 6 dB.

Cette technique présente l'inconvénient de réduire l'amplitude du signal traversant de 3 dB, valeur qui doit être compensée ailleurs dans le réseau. Le CATTEN-03R0-BNC de Crystek est bien adapté au fonctionnement dans cette application.

Conclusion

Lorsqu'ils connectent des instruments ou d'autres dispositifs à l'aide d'adaptateurs coaxiaux, les concepteurs et autres utilisateurs d'équipements doivent connaître les principes de base des lignes de transmission. Une fois que ces éléments sont compris, les utilisateurs peuvent mieux tirer parti de ces composants très utiles avec leur vaste gamme d'applications, y compris le changement des types de connecteurs et des impédances caractéristiques, la dérivation des signaux, le filtrage, la protection contre les surtensions, l'atténuation des signaux et le contrôle CC et l'isolation.

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À propos de l'auteur

Art Pini

Arthur (Art) Pini est un auteur-collaborateur chez Digi-Key Electronics. Il est titulaire d'une licence en génie électrique du City College of New York et d'un master en génie électrique de la City University of New York. Il affiche plus de 50 ans d'expérience en électronique et a occupé des postes clés en ingénierie et en marketing chez Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek et Nicolet Scientific. Il s'intéresse aux technologies de mesure et possède une vaste expérience des oscilloscopes, des analyseurs de spectre, des générateurs de formes d'ondes arbitraires, des numériseurs et des wattmètres.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key