最佳化 RF 設計以便在極端環境中作業

由於全球裝置越來越依賴無線連接，因此海洋 GPS、工業物聯網、智慧農業、無人機等應用的系統設計人員需要能夠在極端環境條件下可靠運作的 RF 組件。會面臨的挑戰包括振動、灰塵、高濕度、接觸水或其他液體，以及鹽霧。系統的設計必須要能夠承受這些惡劣條件，其關鍵問題是 RF 互連，用於在裝置之間或裝置與天線之間以同軸連接方式傳輸 RF 訊號。設計人員需要確保使用非常合適的連接器和纜線，同時滿足不斷攀升的效能和連接密度要求。

本文簡要探討極端環境設計所面臨的挑戰，接著介紹 Amphenol RF 的 RF 配接器、連接器和纜線組件。並說明這些組件如何有效防止潮濕、灰塵、振動、腐蝕，其密封外殼如何為高密度封裝的緊湊連接器主體提供卓越的 RF 效能。

極端環境

工業物聯網 (IIoT) 包含從廠區到石油鑽井平台，在可能有高濕度、蒸汽、噴霧或飛濺液體、灰塵、腐蝕性化學物質 (如鹽水) 的環境中使用 RF 裝置的應用範例 (圖 1) 。

圖 1：包含以邊緣閘道進行通訊的遠端無線和有線感測器的 IIoT 系統概念圖；皆使用 RF 連接器。(圖片來源：Art Pini)

IIoT 使用智慧感測器、執行器、機器人，以及類似裝置強化製造流程。這些裝置會連網，進行資料收集、交換、分析、控制等作業。從多台機器和系統共享資料，可提升工業製程的效率和可靠性。

設計此類裝置時，須考量環境因素。極端環境要求裝置密封，且任何連接埠都必須耐腐蝕、防洩漏。金屬外殼需要外接天線。裝置外部的感測器以及與其他裝置的訊號互連也需要連接器。天線或訊號纜線的同軸連接器必須以外罩和墊圈進行密封，滿足這些暴露容差要求。業界標準 IEC 60529 使用侵入防護 (IP) 等級定義任何特定連接器的防護等級。IP 等級由字母 IP 及其後兩位數字組成。第一個數字代表防止灰塵和固體粒子侵入的防護等級。第二個數字代表防水程度。IP 等級定義從毫無保護到完全保護，數字越高表示保護程度越高 (圖 2)。

圖 2：依據 IEC 60529 的防塵和防水侵入防護等級。(圖片來源：Amanol RF)

裝置若暴露於極端環境中，其連接器的 IP 等級應為 67 或 68。IP67 等級表示防塵密封和防水保護，包括浸沒於 1 m 深度達 30 分鐘。

IP67 等級同軸連接器

Amanol RF 提供各種防塵及防水 IP 等級 SMA、BNC、TNC 型同軸連接器。901-10746-EE 型號 SMA 插孔適用於隔板安裝的 RG-58 纜線，其防護等級為 IP67 (圖 3) 。

圖 3：RF 901-10746-EE 隔板式插孔的防護等級為 IP67，代表防水、防塵且耐鹽水腐蝕。(圖片來源：Amanol RF)

此 SMA 母端連接器的電氣特性包括 RG-58 同軸纜線的標稱阻抗為 50 Ω。其工作頻率範圍為 DC 至 6 GHz，最大電壓駐波比 (VSWR) 為 1.30:1，相當於 -18 dB 的回波損耗，且其介電崩潰額定值為 1000 Vrms。其工作溫度範圍為 -65°C 至 +165°C。組裝時，先由中心導線焊接到連接器引腳，再將引腳和纜線插入連接器，讓編織覆蓋在滾花上。接著將套圈壓接在編織上，由 O 型環將連接器主體密封至安裝面板。

連接器主體為黃銅，套圈為銅，兩者皆具有耐腐蝕的錫鎳合金鍍層。此鍍層符合 MIL-STD-202 方法 101 鹽霧標準 (重複使用 5% 鹽溶液超過 720 小時)。經過鹽霧暴露，可驗證電鍍完整性，並重新測試連接器的 RF 效能，包括接觸電阻和回波損耗。

中心導線接點採用鍍金鈹銅材質，插入聚四氟乙烯介電質中。與纜線和套圈組裝時，在未配接狀態下符合 IP67 要求。

此連接器安裝在含有不鏽鋼五金件的面板上，並用矽橡膠墊圈密封，可確保其實體完整性和 IP67 一致性。

配接的 SMA 插頭是 Amanol RF 的 901-9876-RFX-EE。此直列式纜線安裝 SMA 插頭採用與隔板式插孔相同的材料組成和鍍層，並可在相同的溫度範圍內使用。以插孔螺紋主體上的螺紋套圈與插孔配接。此插頭與 901-10746-EE 一樣，防護等級為 IP67，設計用於與 RG-58 纜線搭配使用。其工作頻率範圍為 DC 至 12.4 GHz。

這些 RF 連接器適用於極端環境，並提供 BNC 和 TNC 類型。TNC 連接器是 BNC 連接器的螺紋版本。螺紋連接器在轉緊至規定扭力時具有抗振性。031-6501-EE (圖 4，左) 是一款 TNC 直角插頭，與 SMA 連接器使用相同的材料，並符合相同的 IP67 和耐腐蝕標準。其額定工作溫度範圍為 -40°C 至 85°C。電氣方面，具有 50 Ω 特性阻抗，工作頻率範圍高達 6 GHz。直角連接器消除彎折纜線的需求，因此將同軸纜線損壞的機會降至最低，同時也能為工業物聯網和類似系統中使用的小型外殼節省內部空間。031-6501-EE 可與配接的隔板式配接器匹配，例如 AD-TNCJTNCJ-EE (圖 4，右)。

圖 4：直角 031-6501-EE TNC 插頭和 AD-TNCJTNCJ-EE TNC 隔板式配接器可達到急彎，因此無需彎折纜線，同時能節省緊湊型 IIoT 外殼的空間。(圖片來源：Amanol RF)

AD-TNCJTNCJ-EE 的防護等級為 IP68，可耐腐蝕，工作溫度範圍為 -65°C 至 +165°C。其特性阻抗為 50 Ω，工作頻率高達 18 GHz。0 至 11 GHz 頻率的駐波比為1.2:1 (相當於-21 dB 回波損耗)；11 至 18 GHz 頻率的駐波比為1.3:1 (相當於-18 dB 回波損耗)。隔板式配接器允許纜線從安裝面板或門上斷開，以便輕鬆拆卸，進行維修。

BNC 連接器與 TNC 單元類似，主要區別在於鎖定機制。BNC 是一種快速連接／斷開連接器，在插孔側使用兩個卡口式接片與插頭組件上的插槽接合，扭轉四分之一圈鎖定。亦提供 IP67 侵入防護和耐鹽霧腐蝕。

031-6924-EE BNC 插頭 (圖 5，左) 的工作溫度範圍為 -40°C 至 +85°C。其 50 Ω 特性阻抗與 RG-58 纜線相容。駐波比為 1.30:1 (相當於 -18 dB 的回波損耗)，頻率範圍為 DC 至 6 GHz。

AD-BNCJBNCJ-EE 配接的插座 (圖 5，右) 是一款插孔對插孔隔板式配接器，也是最大頻率為 12 GHz 的 50 Ω 連接器。其駐波比在 DC 至 4 GHz 範圍內為 1.30:1 (相當於 -18 dB 回波損耗) ，在 4 至 12 GHz 範圍內小於 1.45:1 (相當於 -15 dB 回波損耗) 。其工作溫度範圍為 -40°C 至 +85°C。

圖 5：BNC 極端環境連接器組件用於快速連接／斷開連接。(圖片來源：Amanol RF)

結論

在設計無線裝置時，設計人員必須考慮實體和電氣應用要求，以確保產品的功能和使用壽命。無線系統中使用的同軸 RF 連接器的主要任務是無論周圍環境如何，皆要保持訊號完整性。為此，選擇能夠承受振動、液體侵入、灰塵和腐蝕的高可靠性連接器和配接器就非常重要。Amphenol RF 極端環境連接器非常適合設計用於惡劣環境的裝置。