Technischer Leitfaden zur Auswahl und Verwendung von HF-Kabelkonfektionen

HF-Kabelkonfektionen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von etablierten Bereichen wie Luft- und Raumfahrt und Kommunikation bis hin zu neueren Anwendungsfällen wie Automotive, Industrie und Internet der Dinge (IoT). Diese wachsende Liste von Anwendungen hat zur Entwicklung neuer Arten von HF-Kabelkonfektionen geführt, die weitere Möglichkeiten zur Optimierung von HF-Systemdesigns bieten.

All dieses Wachstum erschwert jedoch den Entwurfsprozess. Bei der Vielzahl der auf dem Markt befindlichen Kabelkonfektionen ist es schwierig, die beste Wahl für eine bestimmte Anwendung zu treffen. Auch der Einsatz von HF-Verkabelungen in neuen Anwendungen führt dazu, dass immer mehr technisches Personal in den Bereichen Entwicklung, Installation und Wartung mit ungewohnten Technologien konfrontiert wird. Neben Platz- und Umweltaspekten müssen sich diese Gruppen nun auch mit Frequenzkompatibilität, Impedanzanpassung, Stehwellenverhältnis (VSWR), magnetischer Kopplung und Abschirmung vertraut machen.

Um die Performance und Zuverlässigkeit von HF-Systemen zu gewährleisten, wird ein aufmerksamer Ansatz und eine klare Übersicht über die Optionen und potenziellen Fallstricke benötigt.

Dieser Artikel beginnt mit einem kurzen Überblick über HF-Anwendungen, einschließlich ihrer elektrischen Eigenschaften, ihres physischen Aufbaus und typischer Anwendungsfälle, und dient als Leitfaden für die komplexe Aufgabe der Auswahl, Installation und Wartung von HF-Kabelkonfektionen. Anhand von Beispielen aus dem Hause Molex werden die wichtigsten Auswahl- und Einsatzkriterien erläutert.

Die zunehmenden Einsatzmöglichkeiten von HF-Kabelkonfektionen

HF-Technologien umfassen eine Vielzahl von Sektoren, von denen jeder seine eigenen Herausforderungen hat. Die Frequenzen reichen von Hunderten von Hertz (Hz) bis zu Dutzenden von Gigahertz (GHz). Einige Anwendungen erfordern eine robuste Bauweise. Andere wiederum haben extreme räumliche Begrenzungen. Um die Vielfalt der Anwendungsfälle zu verdeutlichen, seien hier einige gängige Anwendungen genannt:

• Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: Radarsysteme, Kommunikationskanäle und GPS
• Automobiltechnik und Transport: Infotainment-Systeme, Navigation und Kommunikationsnetze für Fahrzeuge
• Telekommunikation und Rundfunk: 8K-Videosignale über Wi-Fi-, LTE- und 5G-Netzwerke
• Industrie: IoT-Sensoren, automatisierte Montagelinien und Telemetrie
• Medizin: Fernüberwachungssysteme für Patienten, moderne Diagnostik und robotergestützte chirurgische Geräte
• Test- und Messtechnik: Messungen auf dem Prüfstand, Feldtests und Qualitätssicherung in der Fertigung

Aufgrund des zunehmenden Einsatzes von Hochfrequenztechnik beschäftigt sich immer mehr technisches Personal mit Hochfrequenzschaltungen, viele davon ohne Hintergrundwissen in dieser Technologie. Angesichts knapper Fristen und Budgets benötigen sie Lösungen, die ihre Aufgaben vereinfachen und gleichzeitig eine zuverlässige Leistung ihrer Systeme gewährleisten.

Hier kommen die HF-Kabelkonfektionen ins Spiel. Diese Baugruppen bestehen aus vorkonfektionierten Steckern und Kabeln, die die vorgegebenen Leistungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig den technischen Aufwand reduzieren. Die Verwendung von vorgefertigten HF-Kabeln spart Zeit und Kosten bei Entwurf und Prototyping und verbessert die Qualität und Effizienz der Produktion.

Frequenzkompatibilität, Impedanzanpassung und VSWR

Bei der Wahl der richtigen Kabelkonfektionierung müssen mehrere Faktoren sorgfältig berücksichtigt werden. Erstens muss die Baugruppe für den Frequenzbereich des HF-Signals geeignet sein. Dieser kann von einigen hundert Hertz bis zum Superhochfrequenzband (SHF) von 3 bis 30 GHz oder höher reichen (Abbildung 1).

Abbildung 1: HF-Kabelkonfektionen gibt es in einer Vielzahl von Ausführungen, die unter anderem nach der Größe des Steckers und der maximal unterstützten Frequenz kategorisiert werden können. (Bildquelle: Molex)

Um die gewünschte Performance zu erzielen, muss ein Kabel den entsprechenden Frequenzbereich ohne nennenswerte Signalverluste oder Verzerrungen übertragen. So stellt beispielsweise die Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) in ihren Richtlinien 2082-1 strenge Anforderungen an die Signalqualität, die den Verlust auf 40 Dezibel (dB) bei der halben Taktfrequenz begrenzt.

Eine Möglichkeit, diese Anforderungen zu erfüllen, sind die BNC-Mini-HF-Kabelkonfektionen von Molex, die eine hohe Performance bezüglich der Rückflussdämpfung bei Frequenzen von bis zu 12 GHz bieten. Diese Performance übertrifft die Anforderungen für die serielle Übertragung von hochauflösendem 8K-Fernsehen (HDTV) und ermöglicht eine künftige Bandbreitenerweiterung ohne Hardwareänderungen.

Die Impedanzanpassung ist ein weiterer wichtiger Parameter. HF-Signale sind anfällig für Störungen durch einfallende und reflektierte Wellen, die durch eine Impedanzfehlanpassung entlang der Signalleitung verursacht werden. Um Signalverluste zu minimieren, sollte das Kabel die gleiche Impedanz wie die angeschlossene Last haben, in der Regel entweder 50 oder 75 Ohm (Ω). Es hat sich bewährt, Stecker und Kabel gemeinsam zu entwerfen, um die beste Übereinstimmung zu erzielen.

Ein praktisches Beispiel für diese Praxis ist die Baugruppe 0897629290, die BNC-Steckverbinder von Molex mit einem 4794R-Kabel von Belden für 75 Ω High-End-Anwendungen verbindet.

Bei besonders anspruchsvollen Anwendungen, wie z. B. Tests und Messungen, kann es erforderlich sein, zusätzliche Parameter wie VSWR und Einfügedämpfung sorgfältig zu berücksichtigen. VSWR ist das Verhältnis eines einfallenden Signals zum reflektierten Signal, das ein Maß dafür ist, wie effizient HF-Signale von der Quelle zur Last übertragen werden. Die Einfügedämpfung ist die Menge an Energie, die ein Signal auf dem Weg durch einen Stecker und ein Kabel verliert. In Abbildung 2 sind einige Beispiele dafür dargestellt.

Abbildung 2: Beispiele für VSWR und Einfügedämpfung für effiziente, verlustarme Mikrowellenkabel. (Bildquelle: Molex)

Abschirmung, magnetische Kopplung und andere Überlegungen

Die Abschirmung ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Jedes Kabel, das HF-Signale überträgt, kann wie eine Antenne wirken und Signale ausstrahlen oder empfangen, was zu Störungen führt. Um diese Störungen zu minimieren, müssen die Kabel durch ein geerdetes Metallgehäuse abgeschirmt werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Abgebildet ist ein typisches geschirmtes Kabel. Ausgehend von der Innenseite des Kabels befinden sich die leitende Ader, ein dielektrisches Material, das die Ader von der Abschirmung trennt, ein Metallgeflecht und der Kabelmantel. (Bildquelle: Molex)

Die Wahl des Abschirmungsmaterials wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst, darunter Leistungsanforderungen, Umweltbedingungen und Budgetbeschränkungen. Kupfer zum Beispiel ist bei den meisten Frequenzen hochwirksam, aber auch relativ schwer und teuer, während Aluminium leicht und preiswert ist, aber weniger wirksam und korrosionsanfälliger.

Auch die Form der Abschirmung ist zu berücksichtigen. Metallische Geflechte wie bei der MCX-Baugruppe 0897616761 mit RG-136-Kabeln bieten hervorragende mechanische Festigkeit und physikalischen Schutz. Im Gegensatz dazu bestehen Folienabschirmungen in der Regel aus Aluminium, das mit einer Polyester- oder Polypropylenfolie laminiert ist, um eine leichte, kostengünstige und flexible Alternative zu bieten. Es gibt noch andere Arten, wie z. B. Spiralen, Bänder und Kombinationen, die sich in Bezug auf den Prozentsatz der Frequenzabdeckung, die Flexibilität, die Lebensdauer, die mechanische Festigkeit, die Kosten und die Einfachheit des Anschlusses unterscheiden.

Möglicherweise gibt es auch besondere Anforderungen an die Anwendung zu berücksichtigen. Bei medizinischen Anwendungen kommen beispielsweise häufig Sensoren zum Einsatz, die von Magnetfeldern beeinflusst werden können. Hier bietet sich eine Lösung wie die MMCX-Kabelkonfektion 0897616791 an, da diese Baugruppen für eine bessere Designkompatibilität in Versionen mit nichtmagnetischer Kupplung erhältlich sind.

Platzbeschränkungen, Umweltgefahren und Wartung

Wenn es um physikalische Parameter geht, sind Platz- und Streckenbeschränkungen oft die größten Hindernisse. Denken Sie an Anwendungen im Verteidigungsbereich, die bekanntermaßen sehr beengt sind. Hier bietet sich eine Lösung wie die SSMCX-Kabelkonfektion 0897611760 an. SSMCX-Steckverbinder gehören zu den kleinsten auf dem Markt und sind in vertikaler und rechtwinkliger Ausrichtung erhältlich, um schwierigen Platz- und Routing-Bedingungen gerecht zu werden.

Bei der Auswahl einer Kabelkonfektion muss auch oft der Mindestbiegeradius berücksichtigt werden. Aufgrund ihrer komplexen Konstruktion sind HF-Kabel in der Regel recht steif. Für Situationen, die enge Radien erfordern, bieten sich Lösungen wie die flexiblen Mikrowellen-Kabelkonfektionen von Molex an (Abbildung 4). Diese Kabel sind speziell für einen kleineren statischen Biegeradius ausgelegt.

Abbildung 4: Abgebildet ist eine Stichprobe von HF-Kabeln mit einem kleinen statischen Biegeradius. (Bildquelle: Molex)

Auch Temperaturextreme können ein Problem darstellen, insbesondere bei Außenanwendungen wie im Telekommunikationssektor. Für solche Anwendungen sind die bei HF-Kabeln üblichen thermoplastischen Ummantelungen nicht geeignet. Stattdessen werden haltbarere Materialien benötigt. Bei den bereits erwähnten flexiblen Mikrowellen-Kabelkonfektionen wird für die Ummantelung Temp-Flex aus fluoriertem Ethylenpropylen (FEP) verwendet, einem zähen, Teflon-ähnlichen Material.

Vibrationen und Erschütterungen können die Konstruktion beeinträchtigen, insbesondere bei Anwendungen in der Luftfahrt. Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, müssen die verwendeten HF-Kabelbaugruppen außerordentlich sichere Verbindungen aufweisen. Ein gutes Beispiel dafür ist die Kabelkonfektion 0732306110 von Molex, die den patentierten MHF-Steckverbinder-Verriegelungsmechanismus des Unternehmens nutzt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das MHF-Stecksystem von Molex verwendet einen patentierten Verriegelungsmechanismus, um eine sichere Verbindung zu gewährleisten. (Bildquelle: Molex)

Auch die Wartung muss bereits bei der Planung berücksichtigt werden. Es ist wichtig, die mittlere Betriebsdauer zwischen zwei Ausfällen (MTBF) von Kabelkonfektionen zu berücksichtigen und zu überlegen, wie eine Konstruktion so gestaltet werden kann, dass sie einfach zu warten und zu reparieren ist und einen angemessenen Zugang zu den Unterbaugruppen und Verbindungen bietet, die die meiste Pflege benötigen könnten.

Es sollten auch die Erstellung von Inspektionsplänen für die normale Wartung und von Benutzer-Checklisten für Anzeichen, dass eine Kabelkonfektion repariert oder ausgetauscht werden muss, in Betracht gezogen werden, um Komplikationen proaktiv zu bewältigen. Zu den üblichen Wartungsmaßnahmen gehören die Überprüfung der Baugruppen auf Verschleiß sowie die Reinigung von Kabeln und Steckern, um Verunreinigungen zu entfernen, die in die Verbindungen eindringen und die Performance beeinträchtigen könnten.

Abschließend ist es wichtig, den Hersteller der Kabelkonfektion zu bewerten. Zu den Kriterien gehören entsprechende Zertifizierungen, Erfahrung in der Herstellung der betreffenden Kabelkonfektionen, ausreichende Produktoptionen zur Unterstützung der Designflexibilität und Qualitätssicherungsprozesse zur Vermeidung von Performanceproblemen. So ist Molex beispielsweise ein führender Entwickler von Kabel- und Steckverbindertechnologien mit Innovationen, die durch mehr als 8100 Patente und einen guten Ruf in Bezug auf Qualität und technischen Support, einschließlich eines Tools zur Erstellung kundenspezifischer Kabel, unterstützt werden.

Fazit

Die Auswahl der richtigen HF-Kabelkonfektion ist eine Herausforderung, da sie ein Verständnis und eine sorgfältige Abwägung von Faktoren wie Frequenzkompatibilität, Abschirmung, Umgebungsbedingungen, Platzbeschränkungen und Wartung erfordert. Wie gezeigt, kann die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Hersteller, der Fachwissen, Qualitätssicherung und Innovation mitbringt, der Schlüssel zur Bewältigung dieser Herausforderungen sein, insbesondere wenn der HF-Bereich neu für das technische Personal ist. Ein solcher Partner kann den Prozess der Auswahl, Installation und Wartung dieser Kabel leiten, um sicherzustellen, dass Geräte und Systeme zuverlässig mit Höchstleistung arbeiten.