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Das Verständnis der Grundlagen von Koaxialadaptern ermöglicht eine bessere Nutzung dieser sehr nützlichen Komponenten

Von Art Pini

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Anwender von elektronischen Instrumenten, die mit der Übertragung oder dem Empfang von hochfrequenten elektrischen Signalen arbeiten, sind mit Koaxialverbindungen vertraut, da sie weit verbreitet sind. So sehr, dass man diese Anschlussarten als selbstverständlich ansieht - bis es an der Zeit ist, mehrere Geräte miteinander zu verbinden oder Koaxialkabel zu verlängern. An diesem Punkt können sich Entwickler oder andere Geräteanwender an Adapter wenden; aber bevor sie dies tun, müssen sie die Auswirkungen und Eigenschaften jedes Adapters, den sie verwenden können, vollständig verstehen.

Nicht umsonst gibt es eine große Auswahl an Adaptern. „T-Stücke“ verbinden eine einzelne Signalquelle mit mehreren Geräten, während „Zylinderadapter“ Koaxialkabelverbindungen verlängern. Dann gibt es noch DC-Sperrelemente, Bias-T-Stücke, Impedanzpads, Überspannungsschutz und Abschlüsse - allesamt häufig verwendet, aber manchmal nicht vollständig verstanden. Der richtige Einsatz dieser Adapter erfordert einige Grundkenntnisse über Übertragungsleitungen und Sorgfalt bei der Auswahl.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über Übertragungsleitungen. Anschließend werden verschiedene Typen von Koaxialadaptern vorgestellt, ihre Funktionsweise beschrieben und ihre optimale Anwendung gezeigt. Es werden Beispiele aus der Praxis von Amphenol RF, Amphenols Times Microwave Systems und der Crystek Corporation verwendet.

Was sind Übertragungsleitungen?

Übertragungsleitungen, in Form von Koaxialkabeln, Flachbandleitungen, Microstrip oder anderen, verbinden eine Signalquelle mit einer Last. Übertragungsleitungen haben einen Wellenwiderstand (Impedanz), der durch die physikalischen Abmessungen der Leiter, deren Abstand und das zur Isolierung der Leiter verwendete dielektrische Material bestimmt wird. Koaxialkabel haben in der Regel einen Wellenwiderstand von 50 Ohm (Ω) für allgemeine HF-Arbeiten oder 75 Ω für Videoanwendungen.

Um einen maximalen Wirkungsgrad bei der Übertragung der Leistung von der Quelle zur Last zu gewährleisten, sollten die Impedanz der Quelle, der Wellenwiderstand der Übertragungsleitung und die Lastimpedanz aufeinander abgestimmt sein. Wenn die Impedanzen unterschiedlich sind, wird ein Teil der Energie von der nicht angepassten Verbindung reflektiert. Wenn zum Beispiel die Lastimpedanz von der Impedanz der Quelle und der Übertragungsleitung abweicht, wird Energie von der Last zurück zur Quelle reflektiert (Abbildung 1).

Bild einer Koaxialleitung mit einer fehlangepassten LastAbbildung 1: Eine Koaxialleitung mit einer fehlangepassten Last reflektiert Energie von der Last zurück zur Quelle, wodurch stehende Wellen im Übertragungsweg entstehen. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die einfallenden und reflektierten Wellen verbinden sich additiv entlang der Übertragungsstrecke und bilden stehende Wellen, deren Amplitude sich periodisch über die physikalische Länge der Strecke ändert. Stehende Wellen verursachen Messfehler und können zu Schäden an Bauteilen führen. Die Impedanzanpassung von Quelle, Übertragungsleitung und Last verhindert die Entstehung von stehenden Wellen und trägt so zu einer möglichst effizienten Leistungsübertragung von der Quelle zur Last bei.

Aufgrund der Anforderungen an die Impedanzanpassung ist es wichtig, den richtigen Adapter zu verwenden; aber wie der Entwickler bald feststellen wird, gibt es eine Vielzahl von Adaptern, die oft mit Merkmalen ausgestattet sind, die über die Herstellung einer einfachen Verbindung hinausgehen.

T-Adapter

Betrachten Sie ein grundlegendes Gerätesystem, das aus einer einzelnen Quelle, einem Oszilloskop und einem Spektrumanalysator besteht (Abbildung 2).

Diagramm zum Anschluss der drei Geräte in diesem BeispielAbbildung 2: Der Anschluss der drei Geräte in diesem Beispiel über einen T-Adapter erfordert die Anpassung der Eingangsimpedanz des Oszilloskops, um eine Fehlanpassung an der Signalquelle zu vermeiden. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die Signalquelle hat eine Ausgangsimpedanz von 50 Ω und ist für den Betrieb an einer 50Ω-Last vorgesehen. Wenn ein T-Stück zum Anschluss des Oszilloskops und des Spektrumanalysators verwendet wird und beide auf 50Ω-Eingangsanschlüsse eingestellt sind, sieht die Signalquelle eine 25Ω-Last, wodurch ihre Leistung reduziert wird und stehende Wellen auf den Kabeln entstehen. Die Lösung ist, das Gerät in der Mitte der Koaxialstrecke auf einen hochohmigen Eingangsabschluss und das Gerät auf der anderen Seite der Koaxialstrecke auf seinen 50Ω-Eingangsabschluss einzustellen, wie gezeigt. Die Signalquelle sieht dies als 50Ω-Last und alles ist gut.

Der 112461 (Abbildung 3) von Amphenol RF ist ein BNC-T-Adapter mit einem BNC-Stecker, zwei BNC-Buchsen und einer Bandbreite von 4 Gigahertz (GHz). Er könnte in der in unserem Beispiel gezeigten Konfiguration für Geräte mit Bandbreiten unter 4 GHz verwendet werden.

Bild des BNC-T-Adapters 112461 von AmphenolAbbildung 3: Das BNC-T-Stück 112461 von Amphenol bietet eine Bandbreite von 4 GHz. In dem in Abbildung 1 gezeigten Beispiel ist der Stecker mit dem Oszilloskopeingang verbunden und die Koaxialkabel sind von den BNC-Buchsen mit der Signalquelle und dem Spektrumanalysator verbunden. (Bildquelle: Amphenol RF)

Welches T-Stück gewählt werden muss, hängt von den an den Geräten verwendeten Anschlüssen ab und richtet sich nach den Bandbreiten der jeweiligen Geräte. Im Allgemeinen sind koaxiale Adapter wie T-Stücke nicht für Bandbreiten über 40 GHz verfügbar, da Signalverluste in Adaptern bei diesen Frequenzen problematisch werden. Eine Auflistung der gängigen Koaxialsteckverbinder, für die in der Regel Adapter erhältlich sind, wird zusammen mit ihren hervorstechenden Eigenschaften gezeigt (Tabelle 1).

Typ Bandbreite (GHz) Impedanz VSWR Kopplung Größe Spezifikation Hinweise
2,92 mm K 40 50 Ω 1,34:1 Gewinde Subminiatur IEEE-Std. 287 Passt zu 3,5 mm und SMA (begrenzt)
Drehmoment bis 8 in-lb (90 N·cm)
3,5 mm 33 50 Ω 1,30:1 Gewinde Subminiatur IEEE-Std. 287 Passt zu 2,92 mm und SMA (begrenzt)
Drehmoment bis 8 in-lb (90 N·cm)
BNC 6 50 Ω
75 Ω
1,2:1 Bajonett Miniatur MIL-STD-348
MIL-C-39012
N 18 50 Ω 1,35:1 Gewinde Standard IEEE-Std. 287
MIL-C-39012
Drehmoment bis zu 12 in-lb (135 N·cm)
SMA 18 50 Ω 1,2:1 Gewinde Subminiatur MIL-STD-348
MIL-C-39012
Drehmoment bis zu 5 in-lb (56 N·cm)

Tabelle 1: Gängige Koaxialstecker-Familien, für die Adapter erhältlich sind. Oberhalb von 40 GHz haben die Adapter Verluste, die sie für den Betrieb ungeeignet machen. (Quelle der Tabelle: Digi-Key Electronics)

Adapter für die Steckerfamilien

Wenn Sie mehrere Steckertypen haben, müssen Sie in der Lage sein, von einem Steckertyp zu einem anderen zu wechseln. Stellen Sie sich vor, Sie müssten ein SMA-Kabel an den BNC-Eingangsanschluss eines Oszilloskops oder Spektrumanalysators anschließen. Für diese Situation bietet der 242103 von Amphenol RF einen BNC-Stecker zum Anschluss an das Gerät und eine SMA-Buchse zur Aufnahme des SMA-Kabels (Abbildung 4).

Bild des BNC-zu-SMA-Adapters von Amphenol RFAbbildung 4: Ein BNC-zu-SMA-Adapter passt zwischen eine BNC-Buchse und einen SMA-Stecker, wie er z. B. für den Anschluss eines SMA-Kabels an einen Geräteeingang benötigt wird. (Bildquelle: Amphenol RF)

Geräteanwender sollten bedenken, dass bei Verwendung eines Adapters die Bandbreite der Verbindung auf die geringere Bandbreite der beiden Steckerfamilien reduziert wird. Beim BNC-zu-SMA-Adapter beträgt die Bandbreite 4 GHz, vererbt vom BNC.

Es gibt auch Adapter, die Impedanzänderungen von 50 auf 75 Ω und umgekehrt bieten.

Adapter für Zylinder- und Einbauelemente

Die Verlängerung von Kabeln oder das Verlegen eines Kabels durch eine Schalttafel erfordert die Verwendung von Durchgangsadaptern (Zylinder) oder Schottadaptern. Diese sind für die in Tabelle 1 dargestellten Steckerfamilien verfügbar. Ein Beispiel ist der Schottadapter 132170 von Amphenol RF, der über zwei SMA-Buchsen verfügt, an die Kabel mit SMA-Steckern auf beiden Seiten eines Schotts oder einer Platte angeschlossen werden können (Abbildung 5).

Bild des SMA-Schottadapters von Amphenol RFAbbildung 5: Ein Beispiel für einen SMA-Schottadapter, der auf einer Platte montiert werden kann, um eine Koaxialverbindung hindurchzuführen. (Bildquelle: Amphenol RF)

Zylinder-Steckverbinder können als Buchse-zu-Buchse oder als Stecker-zu-Stecker und seltener als Stecker-zu-Buchse konfiguriert werden.

Abschlusswiderstände

Der Anschluss mehrerer hochohmiger Eingangsinstrumente in Reihe mit einer 50Ω-Quelle erfordert einen 50Ω-Abschluss (Abbildung 6).

Bild der 50Ω-Terminierung 202120 von Amphenol RFAbbildung 6: Beim Anschluss mehrerer hochohmiger Eingangsgeräte an eine 50Ω-Quelle ist ein externer 50Ω-Abschlusswiderstand erforderlich, um Reflexionen in den Koaxialleitungen zu verhindern. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Der 50Ω-Abschluss 202120 von Amphenol RF ist ein Beispiel für einen als BNC-Buchse konfigurierten Koaxialabschluss (Abbildung 7).

Bild: Der CBLK-300-3 von Crystek sperrt Gleichstrom und leitet Signale weiterAbbildung 7: Der 202120 von Amphenol RF ist ein 50Ω-Abschluss, der als BNC-Buchse konfiguriert ist. (Bildquelle: Amphenol RF)

Die BNC-Buchse nimmt Koaxialkabel direkt auf. Es gibt auch Abschlüsse in Form von BNC-Steckern, die mit einer BNC-Buchse zusammenpassen. Diese sind nützlich, wenn Sie ein Gerät direkt an dessen Frontplatte abschließen. Während die meisten Oszilloskope sowohl hochohmige als auch 50Ω-Eingänge bieten, gibt es für die 50Ω-Oszilloskopeingänge eine Spannungsbegrenzung, normalerweise 5 Volt. Oszilloskope haben außerdem eine Leistungsbegrenzung von 0,5 Watt an ihren 50Ω-Eingängen. Das 202120 hat eine Nennleistung von 1 Watt und kann über 7 Volt verarbeiten.

Es sind auch Abschlüsse für andere Impedanzen erhältlich. 75Ω-Abschlusswiderstände werden z. B. häufig in Fernseh- und Videoanwendungen verwendet. Null-Ω- oder Kurzschlussabschlüsse werden bei der Kalibrierung von Netzwerkanalysatoren verwendet.

DC-Sperren und Bias-T-Stücke

Die DC-Sperre ist ein Koaxialadapter, der Gleichstromsignale sperrt und den Durchgang von HF-Signalen ermöglicht. Er wird verwendet, um empfindliche HF-Komponenten vor Gleichstrom zu schützen, der durch einen Kondensator abgeblockt wird. Es gibt drei Arten von DC-Sperren:

  • Eine innere DC-Sperre verwendet einen einzelnen Kondensator in Reihe mit dem Innen- oder Mittelleiter des Koaxialkabels
  • Eine äußere DC-Sperre verwendet einen Kondensator in Reihe mit dem Schirmleiter des Koaxialkabels
  • Eine Innen/Außen-DC-Sperre verwendet Kondensatoren in Reihe sowohl mit dem Innen- als auch mit dem Außenleiter

Alle Typen von DC-Sperren sind für bestimmte Impedanzen, in der Regel 50 oder 75 Ω, vorgesehen. Der CBLK-300-3 der Crystek Corporation ist eine 50Ω-Innenleiter-Gleichstromsperre, die Signale mit Frequenzen von 300 Kilohertz (kHz) bis 3 GHz durchlässt und dabei Gleichstrompegel von bis zu 16 Volt mit geringen Einfügungs- und Rückflussverlusten über seinen Betriebsfrequenzbereich sperrt (Abbildung 8).

Diagramm: Der CBLK-300-3 von Crystek sperrt Gleichstrom und leitet Signale weiterAbbildung 8: Der CBLK-300-3 von Crystek sperrt Gleichstrom und lässt Signale mit Frequenzen von 300 kHz bis 3 GHz passieren. (Bildquelle: Crystek Corporation)

Bias-T-Stück

Das Bias-T-Stück ist mit der DC-Sperre verwandt. Es handelt sich um einen Dreiport-Adapter, bei dem ein Port mit Gleichstrom versorgt wird. Ein zweiter Port kombiniert die DC-Vorspannung mit dem einfallenden HF-Signal von einem isolierten HF-Anschluss (Abbildung 9).

Bild: Das Bias-T-Stück von Crystek hat drei PortsAbbildung 9: Das Bias-T-Stück hat drei Anschlüsse: einen zum Anlegen einer DC-Vorspannung, ein zweiter ist ein isolierter HF-Anschluss, während der dritte das HF-Signal und die DC-Vorspannung kombiniert. (Bildquelle: Crystek Corporation)

Bias-T-Stücke werden verwendet, um entfernte Elektronik, wie z. B. einen rauscharmen Verstärker (LNA), der auf einer Antenne montiert ist, mit Gleichstrom zu versorgen und gleichzeitig einen gleichstromfreien Anschluss für einen HF-Empfänger bereitzustellen. Die Gleichstromvorspannung wird über eine Serieninduktivität angelegt, die das Anlegen von HF an die Gleichstromquelle blockiert. Wie bei einer DC-Sperre ist der reine HF-Anschluss durch einen Reihenkondensator vom DC-Eingang isoliert. Der kombinierte Anschluss lässt sowohl die HF- als auch die DC-Komponenten durch.

Das Bias-T-Stück BTEE-01-50-6000 der Crystek Corporation bietet eine HF-Bandbreite von 50 Megahertz (MHz) bis 6 GHz über SMA-Buchsen. Der HF-Anschluss akzeptiert ein HF-Signal mit einem maximalen Leistungspegel von 2 Watt. Der DC-Anschluss hat einen maximalen DC-Eingang von 16 Volt. Die Einfügedämpfung des Bias-T-Stücks beträgt typischerweise 0,5 Dezibel (dB) bei 2 GHz. Im Betrieb ist der RF+DC-Port mit dem LNA und der Antenne verbunden. Die DC-Stromquelle wird an den DC-Anschluss und der Empfänger an den HF-Anschluss angeschlossen.

Inline-Filter

Ein weiterer nützlicher Koaxialadapter ist der Inline-Filter. Tiefpass-, Hochpass- und Bandpassfilter sind für BNC- oder SMA-Anschlusstypen erhältlich. Diese werden eingesetzt, um das Spektrum des auf dem Kabel übertragenen Signals zu kontrollieren. Um z. B. die effektive Anzahl der Bits in einem Analog/Digital-Wandler (ADC) zu messen, würde ein Tiefpassfilter zwischen dem Signalgenerator und dem ADC eingefügt werden. Der Filter dämpft die Oberschwingungspegel des Generators und verbessert dadurch die Messgenauigkeit erheblich. Dadurch kann ein kostengünstigerer Signalgenerator verwendet werden.

Ein gutes Beispiel für eine solche Komponente ist der CLPFL-0100 von Crystek, ein Tiefpassfilter 7. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 100 MHz (Abbildung 10).

Abbildung des 100-MHz-Tiefpassfilters 7. Ordnung CLPFL-0100 von CrystekAbbildung 10: Der 100-MHz-Tiefpassfilter 7. Ordnung CLPFL-0100 ist eine in ein SMA-Kabel eingefügte Inline-Komponente. (Bildquelle: Crystek Corporation)

Bei einem Eingangssignal von 100 MHz wird die zweite Harmonische um 30 dB und die höhere Harmonische um mehr als 60 dB gedämpft. Wenn der Signalgenerator im obigen Beispiel eine Oberschwingungspegel-Spezifikation von -66 dB hatte, würde der Filter diese auf unter -96 dB reduzieren.

Überlastschutzkomponenten

Überlastschutzkomponenten, manchmal auch Blitzableiter genannt, schützen empfindliche Elektronik vor transienten Überspannungen, wie z. B. Blitzschlag. Dies kann mit Funkenstrecken, Gasröhren oder Dioden geschehen, die einen elektrischen Durchschlag ermöglichen, um elektrische Überspannungen zur Erde abzuleiten, bevor sie die geschützten Geräte beschädigen können.

Der LP-GTR-NFF von Amphenol Time Microwave Systems ist ein Inline-Überlastschutz des Typs N, der eine austauschbare Gasentladungsröhre verwendet. Die Röhre bricht bei Gleichspannungen über ±90 Volt/20 A zusammen und kann Überlastungen von bis zu 50 Watt verkraften. Die Komponente wird in die Leitung eingefügt und hat eine Bandbreite von DC bis 3 GHz mit einer Einfügedämpfung von 0,1 dB bis 1 GHz und 0,2 dB bis 3 GHz (Abbildung 11).

Bild der Überlastschutzkomponente LP-GTR-NFF von Amphenol Times Microwave SystemsAbbildung 11: Der Überspannungsschutz LP-GTR-NFF von Amphenol Times Microwave Systems ist eine Inline-N-Steckkomponente, die zum Schutz von Koaxialleitungen gegen transiente Überspannungen von bis zu 50 Watt verwendet wird. (Bildquelle: Amphenol Times Microwave Systems)

Überspannungsschutzbauteile werden in der Regel auf L-Winkeln montiert, die mit großen, niederinduktiven Leitern elektrisch und mechanisch mit einer niederohmigen Erde verbunden sind. Es ist wichtig zu beachten, dass die Qualität der Erdverbindung die Leistung des Überspannungsschutzes beeinflusst.

Inline-Dämpfungsglieder

Dämpfungsglieder reduzieren den Leistungspegel eines Signals, ohne die Signalform zu verzerren. Koaxiale Inline-Versionen bieten eine feste Dämpfung und sind in einer großen Anzahl von Steckertypen mit verschiedenen Stecker- und Buchsenkonfigurationen erhältlich.

Die Komponente CATTEN-03R0-BNC der Crystek Corporation ist ein 3 dB, 50 Ω, BNC-Dämpfungsglied mit einer Bandbreite von 0 bis 1 GHz und einer Nennleistung von 2 Watt (Abbildung 12). Es ist eines von dreizehn verfügbaren Dämpfungsmodellen in der Produktlinie mit Dämpfungen von 1 bis 20 dB.

Bild des CATTEN-03RO-BNC von CrystekAbbildung 12: Der CATTEN-03RO-BNC von Crystek ist ein koaxiales BNC-3dB-Dämpfungsglied mit einer Bandbreite von 0 bis 1 GHz. (Bildquelle: Crystek Corporation)

Inline-Dämpfungsglieder werden offensichtlich verwendet, um den Leistungspegel eines Signals zu reduzieren, aber weniger offensichtlich werden sie auch verwendet, um eine Isolierung zwischen Impedanzen in seriell verbundenen Geräten zu schaffen sowie Impedanzfehlanpassungen und unerwünschte Reflexionen zu reduzieren.

Betrachten Sie das Einfügen eines angepassten 3dB-Dämpfungsglieds vor einer nicht angepassten Lastimpedanz. Das Eingangssignal des Dämpfungsglieds wird durch das Dämpfungsglied um 3 dB reduziert, wenn es sich zur fehlangepassten Last ausbreitet. Angenommen, die Fehlanpassung ist ein offener Stromkreis, dann wird das gesamte Signal an der Last reflektiert und durch das Dämpfungsglied zurückgeworfen, wo es am Eingang des Dämpfungsglieds einen weiteren Verlust von 3 dB erleidet. Die Rückflussdämpfung am Eingang des Dämpfungsglieds wird um 6 dB verbessert. Die am Eingang des Dämpfungsglieds beobachtete Fehlanpassung wird um einen Betrag verbessert, der dem doppelten Wert des Dämpfungsglieds entspricht - in diesem Fall beträgt die gesamte Reduzierung 6 dB.

Diese Technik hat den Nachteil, dass die Amplitude des Durchgangssignals um 3 dB reduziert wird, was an anderer Stelle im Netzwerk kompensiert werden muss. Der CATTEN-03R0-BNC von Crystek würde in dieser Anwendung gut funktionieren.

Fazit

Beim Anschluss von Instrumenten oder anderen Geräten mit Koaxialadaptern müssen Entwickler und andere Geräteanwender mit den Grundlagen von Übertragungsleitung vertraut sein. Sobald diese verstanden sind, können Anwender diese sehr nützlichen Komponenten mit ihrem breiten Spektrum an Einsatzmöglichkeiten optimal nutzen, einschließlich der Änderung von Steckertypen und charakteristischen Impedanzen, der Signalverzweigung, Filterung, des Überspannungsschutzes, der Signaldämpfung und der DC-Steuerung und Isolierung.

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Über den Autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini ist ein aktiver Autor bei Digi-Key Electronics. Seine Abschlüsse umfassen einen Bachelor of Electrical Engineering vom City College of New York und einen Master of Electrical Engineering von der City University of New York. Er verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Elektronikbranche und war in leitenden Positionen in den Bereichen Technik und Marketing bei Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek und Nicolet Scientific tätig. Er hat Interesse an der Messtechnik und umfangreiche Erfahrung mit Oszilloskopen, Spektrumanalysatoren, Generatoren für beliebige Wellenformen, Digitalisierern und Leistungsmessern.

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