Optimierung der Auswahl und Implementierung von HF-Steckverbindern für militärische Anwendungen

HF-Koaxialsteckverbinder und -kabel sind gängige Komponenten, die in militärischen Anwendungen eine weitgehend unsichtbare, aber äußerst wichtige Rolle spielen. Die Baugruppe hat die Aufgabe, Hochfrequenzsignale - bis zu Frequenzen von mehreren zehn Gigahertz (GHz) - von einer Antenne zu einem Empfänger zu übertragen. Sie muss die Integrität empfindlicher HF-Signale zuverlässig aufrechterhalten und gleichzeitig robust genug sein, um den harten Bedingungen auf dem Schlachtfeld standzuhalten.

Es gibt Hunderte von Optionen bei der Suche nach einem HF-Steckverbinder, und es kann verlockend sein, den günstigsten zu wählen, unter der Prämisse, dass HF-Steckverbinder mehr oder weniger gleich sind, sobald sie einige grundlegende Anforderungen erfüllen. Das wäre ein Fehler. Viele HF-Steckverbinder werden nicht nach genauen technischen Spezifikationen hergestellt, und der Ausfall eines schlecht konstruierten Teils kann dazu führen, dass militärische Hardware im Wert von mehreren Millionen Dollar in einem kritischen Moment nicht mehr funktioniert. Deshalb ist es wichtig, dass die ausgewählten Komponenten nach anerkannten internationalen Standards gebaut werden.

Neben den mechanischen Eigenschaften wie Haltbarkeit, Feuchtigkeits- und Staubbeständigkeit und den elektrischen Eigenschaften wie Impedanz, Frequenzbereich, Stehwellenverhältnis (VSWR) und Isolationswiderstand können auch andere Faktoren über das Design entscheiden. Bei bestimmten militärischen Anwendungen wie Schienen für Raketenwerfer, Innenflächen optischer Teile und Handfeuerwaffen kann die Lichtreflexion von Standard-Edelstahlverbindern zu Problemen im Betrieb führen.

Bei der Suche nach einem robusten und zuverlässigen HF-Steckverbinder ist es ratsam, sich an einen renommierten Hersteller zu wenden, der nachweist, dass seine HF-Steckverbinder nach den einschlägigen militärischen Leistungsspezifikationen und -normen hergestellt werden.

Dieser Artikel befasst sich mit den wichtigsten elektrischen und mechanischen Auswahlkriterien für HF-Koaxialsteckverbinder für militärische Anwendungen. Er enthält Beispiele aus der Praxis von Amphenol SV Microwave und erörtert deren Anwendung. Besonderer Wert wird auf die Verwendung einer hochwertigen, dauerhaften, nicht reflektierenden Oberfläche für Nischenanwendungen mit schwarz verchromten HF-Steckverbindern gelegt.

Leistungsstarke HF-Koaxialkabel und -Steckverbinder

Der Schlüssel zur Gewährleistung, dass HF-Komponenten den strengen Anforderungen militärischer Anwendungen gerecht werden, ist der Kauf von Komponenten, die den einschlägigen militärischen Leistungsspezifikationen (MIL-PRF) entsprechen. Nur eine begrenzte Gruppe von Herstellern kann HF-Steckverbinder liefern, die den Anforderungen entsprechen. Ein Unternehmen, das die Anforderungen erfüllt, ist Amphenol SV Microwave. Das Unternehmen bietet über 400 HF-Steckverbinder an, die der Norm MIL-PRF M39012 entsprechen.

MIL-PRF-39012 ist die wichtigste Norm für HF-Steckverbinder. Sie erfordert visuelle, mechanische und elektrische Prüfungen in mehreren Fertigungsstufen, um die Einhaltung der Vorschriften zu gewährleisten. Die Spezifikation schreibt außerdem vor, dass die Produktionsanlagen und -verfahren den Qualitätsstandards entsprechen müssen. Koaxialsteckverbinder und Adapter, die der Norm MIL-PRF-39012 entsprechen, eignen sich gut für militärische (und andere hochzuverlässige) Anwendungen, einschließlich Radar, SATCOM-Bodengeräte und HF-/Mikrowellenbaugruppen für die Luft- und Raumfahrt.

Ein Schlüsselkriterium der MIL-PRF-39012-Steckverbinder ist, dass der Mittelstift mit einer standardisierten Tiefe, Haftqualität und Oberfläche vergoldet sein muss. Die Vergoldung der gekapselten Kontakte sorgt für eine minimale Einfügedämpfung und einen guten elektrischen Kontakt über lange Zeiträume in rauen Umgebungen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein wesentliches Kriterium der MIL-PRF-39012-Steckverbinder ist, dass der Mittelstift mit einer standardisierten Tiefe, Haftqualität und Oberfläche vergoldet sein muss. (Bildquelle: Amphenol)

Überlegungen zum HF-Koaxialkabel

Bei der Entwicklung von HF-Koaxiallösungen für militärische Anwendungen ist es wichtig, das Kabel und den Stecker als Gesamtsystem zu betrachten. Die Performance dieses Systems hängt in hohem Maße davon ab, dass die beiden Komponenten perfekt miteinander harmonieren.

Ein typisches Koaxialkabel besteht aus einem Kern aus Kupfer oder kupferbeschichtetem Stahldraht. Der Kern überträgt die Hochfrequenz-Eingangs-/Ausgangssignale zu/von den angeschlossenen Geräten. Ein dielektrischer Isolator, oft aus Kunststoff, umgibt den Kern. Der Isolator hat eine konstante Dicke und sorgt dafür, dass der Abstand zwischen dem Kern und der Metallabschirmung, die das Dielektrikum umgibt, konstant gehalten wird. Dies ist wichtig, da jede Veränderung der Dicke zu einer Veränderung der Impedanz führt, was sich wiederum auf die Signalintegrität auswirkt.

Die Metallabschirmung besteht aus gewebtem Kupfer, Aluminium oder anderen Metallen und legt sich eng um den Isolator. Seine Aufgabe ist es, den inneren Kern gegen externe elektromagnetische Störungen (EMI) abzuschirmen. Die Baugruppe wird dann mit einem Gummi- oder Kunststoffmantel umhüllt, um die Innenleiter zu isolieren und zu schützen (Abbildung 2). Für den Außenbereich geeignete Kabel benötigen eine zusätzliche Isolierung und spezielle Ummantelungen, um die Drähte vor Sonne und Feuchtigkeit zu schützen.

Der innere Kern überträgt das Hochfrequenzsignal, während die Abschirmung lediglich als Rückleitung dient. Zwischen den beiden Leitern besteht ein elektromagnetisches Feld, das jedoch nicht über die Abschirmung hinausreicht. Das bedeutet, dass das HF-Signal, das durch das Kabel fließt, keine Auswirkungen auf elektrische und elektronische Geräte in der Nähe hat.

Abbildung 2: Ein Koaxialkabel besteht aus vier Teilen: dem Innenleiter, einem Kunststoffdielektrikum, dem Rückleiter/der Abschirmung und dem äußeren (schwarzen) Gummi- oder Kunststoffmantel. (Bildquelle: Amphenol)

Dort, wo der dielektrische Isolator den Mittelleiter berührt, absorbiert er einen Teil der elektrischen Energie. Bei langen Kabelstrecken kann die Signalabschwächung erheblich sein. Hocheffiziente Kabel verwenden Abstandshalter, die den Innenleiter nur minimal berühren und einen gleichmäßigen Luftspalt zwischen Innen- und Außenleiter bilden, der als effizientes Dielektrikum wirkt.

Die Bedeutung der Impedanz

In hochfrequenten HF-Systemen hängt die Effizienz der Übertragung von der Anpassung der Impedanz der Antenne an die des Senders oder Empfängers ab.

Eine erhebliche Fehlanpassung führt zu einer schlechten Wirksamkeit der Antenne, da sie die vorwärts gerichtete Leistung stört und eine stehende Spannungswelle erzeugt. Ein gängiges Maß dafür, wie gut die Impedanz ausgeglichen ist, ist das Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR). Ein VSWR von 1 bedeutet keinen Verlust durch Impedanzfehlanpassung, während höhere Zahlen zunehmende Verluste anzeigen. Ein VSWR von 3,0 bedeutet zum Beispiel, dass etwa 25 Prozent der Sendeleistung im Antennensystem verloren gehen.

Der HF-Stecker und das Kabel sind Teil der Antennenimpedanz. Daher ist es wichtig, dass der Entwickler den Impedanzwert der Komponenten kennt, um die Effizienz des HF-Systems zu maximieren. Der Wellenwiderstand eines Koaxialkabels ist proportional zum Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des Innenleiters und dem Innendurchmesser des Außenleiters. Die Hauptfunktion des dielektrischen Isolators besteht darin, diese Trennung herzustellen und aufrechtzuerhalten.

In den meisten Fällen liefern die Kabelhersteller HF-Kabel mit Impedanzen von 50, 75 oder 95 Ohm (Ω), es sind aber auch andere Impedanzen erhältlich. Neben einer Reihe fester Impedanzen werden Kabel mit verschiedenen dielektrischen Typen, Kapazitäten, Außendurchmessern, Dämpfungseigenschaften und Abschirmungsmaterialien angeboten.

Die Versionen werden im Allgemeinen in zwei Systeme eingeteilt: LMR (die Bedeutung der Buchstaben ist historisch bedingt: wichtig ist, dass es sich bei diesen Kabeln um einen verlustarmen Typ handelt) und Radio Guide (RG). Der RG-Typ verfügt über eine größere Anzahl von Optionen, von denen jedoch nicht alle den militärischen Spezifikationen entsprechen. Ein seriöser Anbieter kann bei der Auswahl für militärische Anwendungen helfen.

Überlegungen zu HF-Koaxialsteckverbindern

Mit dem HF-Koaxialsteckverbinder kann das Kabel sicher an der HF-Anlage befestigt werden. Unabhängig davon, wie gut das Kabel ist, beeinträchtigt ein schlecht sitzender Steckverbinder die elektrische Leistung. Eine mechanisch sichere und elektrisch robuste Verbindung zwischen Kabel und Steckverbinder gewährleistet eine gute Signalintegrität und eine gleichbleibende Impedanz, selbst bei hohen Frequenzen. Eine Möglichkeit, für Integrität zu sorgen, besteht darin, Kabel und Steckverbinder zusammen zu spezifizieren und sie vom Hersteller als komplette Kabelkonfektion liefern zu lassen. Der Hersteller ist am besten in der Lage, eine qualitativ hochwertige Verbindung zu gewährleisten, und er wird auch die Unversehrtheit der Kabelkonfektion vor der Auslieferung prüfen.

Standardmäßig polarisierte Stecker haben ein Gewinde auf der Innenseite des Gehäuses und einen Mittelstift, während standardmäßig polarisierte Buchsen ein Gewinde auf der Innenseite des Gehäuses und keinen Mittelstift haben. Es ist keine gute Konstruktionspraxis, Kabel miteinander zu verbinden, indem man einen Stecker mit einer Buchse zusammensteckt, da dies zu einem zusätzlichen Signalverlust des Kabels führt. Es ist besser, ein durchgehendes Kabel für lange Strecken zu verwenden, da dies einen geringeren Signalverlust und eine gleichbleibende Impedanz gewährleistet. Die richtige Art, einen Stecker mit einem anderen Stecker oder eine Buchse mit einer Buchse zu verbinden, ist ein Koaxialkabeladapter. Das funktioniert zwar, ist aber bei anspruchsvollen Anwendungen ebenfalls nicht zu empfehlen, da auch dies zu einem höheren Signalverlust führt.

Wie die Kabel gibt es auch die HF-Steckverbinder in verschiedenen Ausführungen und mit festen Impedanzwerten. Ein gängiges Beispiel ist die Subminiaturversion A (SMA). Die Steckverbinder verfügen über einen robusten Schraubkupplungsmechanismus, bieten eine Standardimpedanz von 50 Ω und sind für den Einsatz von DC (0 Hertz (Hz)) bis 18 GHz ausgelegt. Zu den Anwendungen gehören Mikrowellensysteme und Handfunkgeräte (Abbildung 3).

Abbildung 3: SMA-Stecker bieten eine Schraubverbindung, eine Impedanz von 50 Ω und können HF-Signale bis zu 18 GHz übertragen. (Bildquelle: Amphenol)

Ein weiterer gängiger Typ ist die Subminiaturversion B (SMB). Sie sind kleiner als SMAs und verfügen über eine Schnappverbindung. Sie sind mit Impedanzen von 50 und 75 Ω erhältlich und arbeiten bei bis zu 4 GHz. Die Steckverbinder sind weniger robust als SMA-Produkte und eignen sich nicht für raue Umgebungen.

Andere Arten von HF-Steckverbindern sind: F-Typ, der für Anwendungen wie Kabelmodems und Kabelfernsehen verwendet wird; N-Typ, der für kommerzielle Anwendungen mit dicken Kabeln verwendet wird; FME, der für Mobilfunkgeräte verwendet wird; TNC, der für Mobilfunkanwendungen im Freien verwendet wird; und UHF, für Amateur- und Seefunk.

Der am HF-Koaxialkabel angebrachte HF-Steckverbinder wird in der Regel in einen Steckverbinder des anderen Typs geschraubt, der an einer Trennwand (auch Schottwand oder Bulkhead genannt) oder direkt an dem Gerät angebracht ist, das das HF-Signal empfängt oder sendet. Die Schottverschraubung hat ein Außengewinde, in das die Innengewinde der Kabelstecker eingreifen (Abbildung 4). Die Hersteller der HF-Kabelsteckverbinder sind die beste Quelle für Schottsteckverbinder, obwohl die Standardisierung sicherstellt, dass Steckverbinder desselben Typs von jedem Hersteller zufriedenstellend zusammenarbeiten.

Abbildung 4: SMA-Schottwand-Steckverbinder haben Außengewinde, an denen die Innengewinde der Kabelsteckverbinder anliegen. (Bildquelle: Amphenol)

Nicht-reflektierende HF-Steckeroptionen

Namhafte Hersteller bieten eine Reihe von geraden und abgewinkelten Steckern und Buchsen an. Einige, wie z. B. Amphenol SV Microwave, haben aber auch Spezialkomponenten im Angebot. Eine wichtige Ergänzung des Sortiments ist ein nicht reflektierender SMA-HF-Steckverbinder für Kabel- und Schottwand-Anwendungen.

Es gibt viele militärische Anwendungen, bei denen die Standard-Edelstahl- oder Messingoberfläche von industriellen HF-Steckverbindern Probleme verursachen könnte. Bei der Verwendung an Handfeuerwaffen könnten solche HF-Steckverbinder beispielsweise natürliches Licht reflektieren und die Position eines Kämpfers verraten. Oder HF-Steckverbinder, die in der Optik eines Flugzeugs oder Hubschraubers verwendet werden, könnten Lichtartefakte erzeugen, die die Präzision eines Zielsystems beeinträchtigen.

Um die Nachfrage nach nicht reflektierenden HF-Steckverbindern zu befriedigen, hat Amphenol einen schwarz verchromten SMA-Kabelstecker, den 2911-61008 (Abbildung 5 (links)), und eine entsprechende schwarz verchromte SMA-Buchse, die 2921-61689 (Abbildung 5 (rechts)), eingeführt. Die Produkte weisen eine Impedanz von 50 Ω auf und können HF-Signale bis zu 18 GHz mit bis zu 500 Steckzyklen unterstützen. Der Mittelkontakt ist jeweils aus vergoldetem Berylliumkupfer. Die HF-Steckverbinder sind für die Verwendung mit halbstarren HF-Koaxialkabeln des Typs RG-405 (0,085 Zoll) ausgelegt, die den militärischen Spezifikationen entsprechen und in Verteidigungsanwendungen beliebt sind.

Abbildung 5: Amphenols SMA-Kabelstecker (links) und -Schottwandbuchse (rechts) nach Militärspezifikation können mit einer nicht reflektierenden schwarz verchromten Oberfläche geliefert werden. (Bildquelle: Amphenol)

Der Körper der HF-Steckverbinder besteht aus rostfreiem Stahl, auf den die schwarze Verchromung aufgebracht wurde, die der Norm MIL-C-14538 entspricht. Die schwarze Chromoberfläche, die unter diese Spezifikation fällt, ist einzigartig für das Militär und ist hart, haftend, hitzebeständig und völlig reflexionsfrei. Die Steckverbinder werden von einer nicht reflektierenden SMA-Staubschutzkappe (2911-61009) unterstützt, die mit der Schottbuchse verwendet werden kann, wenn das Kabel getrennt ist.

Fazit

Militärische Anwendungen sind Staub, Fett, Hitze und Vibrationen ausgesetzt. Von Steckverbindern und Kabeln für diese Anwendungen wird erwartet, dass sie Hochfrequenzsignale über viele Jahre hinweg zuverlässig übertragen. Varianten dieser Steckverbinder benötigen nicht-reflektierende Beschichtungen, die robust und haltbar genug sind, um Hitze und Stößen standzuhalten, ohne abzusplittern oder sich abzunutzen.

Entwickler von HF-Militäranwendungen können sicherstellen, dass ihre Entwürfe die erforderlichen Anforderungen erfüllen, indem sie sich an Lieferanten wie Amphenol SV Microwave wenden, die Produkte anbieten, die den militärischen Leistungsspezifikationen und Normen entsprechen.