Unidad Tem

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Unidad Temática Nro.1
Conectores Coaxiales para RF y Microondas
Rev.5 9/04/2012
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Introducción

• Un conector actúa como la interfaz física entre
  líneas de transmisión, equipos o distintos
  bloques de un sistema. La correcta selección de
  un conector coaxial es en algunos casos
  fundamental para asegurar la calidad de una
  medición y performance del sistema. Para el buen
  manejo y entendimiento de un conector es
  necesario estudiarlos eléctrica y mecánicamente.
• Existen muchos tipos distintos de conectores,
  entre ellos se encuentran
• Conectores para cable
• Conectores para Impreso (end-launch, through
  hole, smd)
• Conectores para Gabinete
• Adaptadores inter-serie y del mismo tipo (H-H,
  H-M, M-M)
• Hay tres categorías de conector según su calidad
  
• Conectores de uso general
• Conectores de precisión
• Tipo GPC (General Precision Connector)
• Tipo LPC (Laboratory Precision Connector)
• Los últimos dos son utilizados para mediciones
  de precisión o sistemas con exigencias altas
  (aeroespacial, aéreo, militar, etc.).

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Normas e historia
En la década del 40 comenzaron a utilizarse los
conectores de RF. En Estados Unidos se crea la
ANRFCCC (Army-Navy RF Cable Coordinating
Commitee), quien comienza a desarrollar
estándares para los conectores. En los 50s el
conector de RF mas difundido era el tipo N,
teniendo su norma asociada la MIL-C-71. La
estandarización de conectores comienza en el año
1964 con el estándar MIL-C-39012 creado por la
ANSI (American National Standarization
Institute). Regulaba los conectores BNC, TNC,
SMA, y N entre otros. En 1968 el IEEE crea el
estándar IEEE 287-1968, la cual especifica
conectores de precisión de laboratorio (LPC) y de
uso general (GPC). El estándar IEEE 287 continuo
su actualización hasta el 2007. Estandariza los
conectores de precisión desde 14mm a 1mm. El IEC
(International Electrotechnical Commission) creo
a su vez las normas para conectores 169 y
475. El CECC (European Committee for
Electrotechnical Standardization) también tiene
normas relacionadas como la CECC22220.
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Especificaciones de un conector

• Los parámetros que caracterizan a un conector se
  pueden dividir en 3 grupos
• Parámetros del sistema Son los parámetros
  básicos que el sistema (sea de medición,
  interconexión, etc.) exige al conector .
• Impedancia característica
• Frecuencia máxima de trabajo
• ROE máximo
• Parámetros intrínsecos
• Interface de conexión
• Repetibilidad
• Perdida de inserción
• Plano de referencia
• Blindaje
• Estos parámetros reflejan la calidad de un
  conector frente a otro. En base a estos
  parámetros se puede reconocer si un conector es
  LPC o GPC.
• Parámetros de diseño tienen importancia cuando
  el conector es parte de un diseño.
• Tamaño y peso
• Robustez mecánica, potencia, etc.
• Costo.

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Conceptos Básicos
Interfaz de conexión Conectores con sexo el
tipo de conector posee hembra y macho, estos se
diferencian porque el hembra posee jack y el
macho posee plug (ver fig.1) en su conector
central. Pueden o no ser coplanares, por lo que
la transición o plano de referencia, no suele ser
el mismo entre diferentes tipos de conectores.
Fig1. Izq. conector Hembra, der.
Conector macho tipo 7/16 Conectores Hermafrodita
Ambos conectores son idénticos (coplanares) y en
general son de precisión, por poseen mejor
performance a costa de mayor costo, volumen y
peso. (Ver fig.2)
Fig2. conector hermafrodita GR900
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Conceptos Básicos
Impedancia Característica Un par de conectores
coaxiales apareados forman una línea de
transmisión con sus conductores externos e
internos. D Diam. interno del conductor
externo mm d Diam. externo del conductor
interno mm er Cte.dieléctrica de la línea de
transmisión Corte transversal de la
línea (Aire 1,00059 Teflón 2,02)
de transmisión Frecuencia máxima de
trabajo Al ser una línea de transmisión,
interesa que en el conector se propague el modo
de transmisión TEM, el siguiente modo (TE11)
posee una frecuencia de corte inferior por debajo
de la cual toda la potencia transmitida por la
línea de transmisión se produce en el modo TEM.
Al aumentar la frecuencia el modo TE11 comienza a
propagarse quitándole energía al modo TEM, es por
esto que el conector se utiliza por debajo de
esta frecuencia de corte. Puede observarse
que al disminuir D, la frecuencia máxima útil del
conductor aumenta.
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Conceptos Básicos
Coeficiente de reflexión Se especifica como SWR
(o ROE), Gamma o como Return Loss de un par de
conectores apareados. Para los conectores de
precisión se especifica este valor para un par
GPC/LPC apareado y para un par GPC/GPC. El test
setup se realiza con líneas de transmisión de
aire y conectores de precisión de
laboratorio. Fig3. Setup de medición
para gamma. Relacion de onda estacionaria
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Conceptos Básicos
Perdidas de retorno Al introducir un conector
en un sistema de RF, el cual muy habitualmente
trabaja con todas sus impedancias
caracteristicas, de carga y fuentes en 50ohms, se
produce una desadaptacion. Esta desadaptacion
puede interpretarse como una potencia reflejada
desde el plano donde se encuentra la union de
conectores. Se define entonces las perdidas de
retorno como la relacion entre la potencia
entregada por la fuente (potencia normalizada a
una impedancia de 50ohms) y la potencia reflejada
por el sistema al poseer un coeficiente de
reflexion distinto de cero. Potencia
incidente
Potencia reflejada Perdidas de retorno

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Conceptos Básicos
Calculo de potencia con perdidas de retorno La
potencia desarrollada en una carga se calcula
como la resta entre la potencia incidente y la
potencia reflejada. Conclusion Las
perdidas de retorno representan la potencia
reflejada por la carga desadaptada.
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Conceptos Básicos
Perdidas de inserción Representa la atenuación
que introduce el par de conectores acoplados al
sistema, existen varios setup de medición de este
parámetro, todos definidos en la IEEE 278. Uno de
ellos es el de transmisión
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Conceptos Básicos
Ciclos de conexión/desconexión Cantidad de
veces que un conector soporta conexiones y
desconexiones sin afectar significativamente sus
especificaciones. Hay conectores especificados
para 100 ciclos, como otros para mas de 5000.
Plano de referencia Es la interfaz mecánica
entre los conductores externos del conector.
Algunos de los conectores con macho y hembra
poseen un offset entre el plano de referencia y
el plano de los conductores internos. Los
conectores hermafrodita poseen un plano de
referencia coincidente. Ver fig.
5. Fig5. Planos de referencia de
tipo N y GR900(14mm)
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Conceptos Básicos
Discontinuidad o Gap del conductor interno Es un
parámetro muy importante en los conectores de
precisión. Si no se controla este parámetro se
puede dañar el conductor interno y así dejar
inservible el conector.
El valor del gap influye directamente en las
perdidas, Mackenzie y Sanderson desarrollaron
una de las formulas mas utilizadas
Donde d diámetro del cond interno dg
diámetro mas angosto del macho f frecuencia
en GHz g longitud del Gap en mm N cantidad
de ranuras de la hembra. w ancho de las
ranuras en mm.
Fig 6. Gap entre conectores M y H
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Conceptos Básicos
Blindaje El blindaje se asocia al nivel de la
señal que se pierde a través del conductor
externo (se irradia) o en la interfase de
conexión respecto al nivel de la señal que
circula por el conductor. Este parámetro se
expresa en dB siendo un valor típico de -55 dB.
Repetibilidad Máxima desviación de alguno de
los parámetros eléctricos mencionados
anteriormente medidos en un intervalo de N ciclos
de conexión desconexión. Se utiliza para los
conectores de precisión y se especifica la
repetibilidad para cada parámetro como
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Conceptos Básicos
Manejo de potencia La potencia que puede ser
transmitida por un conector se limita por
factores como perdidas en el dieléctrico y los
conductores (las cuales son funcion de la
frecuencia y generan calor que debe disiparse) o
ruptura del dieléctrico por altas tensiones. Los
fabricantes especifican el manejo de potencia de
cada uno de sus conectores dando a veces formulas
para un calculo mas exacto del punto de
funcionamiento. A continuación vemos un grafico
de potencia tolerada en función de la frecuencia
del fabricante Maury.
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Conectores de uso general
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1 - BNC
Bayonet Neill-Concelman Llamado así por su
método de acoplamiento tipo bayoneta de ¼ de
vuelta y por sus dos inventores Neill y
Concelman, fue creado en los laboratorios Bell
en 1944 . Es el conector mas difundido en
aplicaciones electrónicas de consumo. Su
frecuencia máxima de trabajo puede llegar a 4
GHz, esto es debido a que los slots en el
conductor externo arriba de 4GHz comienzan a
radiar. Existen versiones de 50 y 75ohms, la
diferencia esta en que la versión de 75 ohms no
tiene dieléctrico, pero mecánicamente son
iguales.
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2- TNC (Threaded Neill-Concelman)
En 1956 nació como una mejora del conector BNC,
donde se reemplazo el sistema de bayoneta por un
sistema roscado. Esto permitió aumentar la
frecuencia de corte a unos 12GHz. Utilizados en
la actualidad por ejemplo en antenas de Cisco.
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3-UHF
Fue el primer conector coaxial utilizado en RF,
creado a fines del 30 cuando la tecnología
llegaba a frecuencias de UHF. Poseen una
frecuencia de corte de entre 200 y 500MHz. Aun se
los utiliza en aplicaciones de Ham Radio, donde
los valores de ROE no son críticos ya que por su
geometría no puede garantizar un valor estable.
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4- Conector tipo F
Conector de 75 ohms utilizado en circuitos de TV.
Su frecuencia máxima es de 1GHz
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5- Conector tipo RCA
Conector normalmente utilizado en aplicaciones de
video y audio con una frecuencia máxima de
10MHz. Es un conector que no tiene una impedancia
característica garantizada, algunos son de 75ohms.
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Conectores de precisión
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5- SMA
Subminiature type A, estandarizado en la norma
MIL-C-39012 en el año 1968. Es uno de los
conectores de RF mas difundidos por su bajo costo
y tamaño. Posee dieléctrico de teflón y su
frecuencia de corte esta entre los 18GHz y 24 GHz
según la calidad. Se lo considera un
conector de semi-precision, se lo suele utilizar
en Cables semirrígidos, interconexión dentro
de equipos, componentes que no requieren muchas
conexiones y desconexiones y circuitos de
microstrip por su costo y peso. Desventajas Cic
los de conexión de 500 veces Valores de ROE de
hasta 1,25
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SMA(cont.)
Están controlados por la norma MIL-C-39012 ,
existen diferentes versiones en las que la
frecuencia máxima varia entre 18 y
24GHz. Fig. 12. Cortes de SMA macho y
hembra.
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SMA(cont.)
Fig. 13. Efecto del Gap en un SMA
Cuando se requiere una mejor adaptación en un
sistema que utiliza conectores tipo SMA, se
utilizan conectores de precisión tipo APC-3.5mm
en vez de interfasear SMA con SMA.
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7- Conector tipo N
El conector N (Navy o Neil) de 50 ohm fue
diseñado en 1942 para ser utilizado en sistemas
militares en radio y radar durante la Segunda
Guerra Mundial y reemplazó al conector UHF ya que
para aplicaciones por encima de los 300 MHz este
último conector ya no era el más adecuado. Tiene
un diseño más robusto, con un dieléctrico de aire
e inicialmente se diseñó para aplicaciones hasta
4 GHz. El conductor externo era ranurado (ídem al
BNC) por una cuestión de tolerancias mecánicas de
la época. Fig. 15. Izq. conector N con y
sin ranuras. Der conector N de precisión En 1965
diversos fabricantes aportaron mejoras que se
incluyeron en las normas MIL de ese entonces,
pudiendo elevar su desempeño hasta los 18 GHz con
una ROE típico de hasta 1,08 para las versiones
de precisión o no ranuradas (slottless). En la
actualidad existen versiones N de alta precisión
con ROE de 1,04 hasta los 18 GHz.
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Conector tipo N (cont.)
El conector N pertenece a la familia de
conectores de 7 mm ya que utiliza un conductor
externo de 7 mm de diámetro igual que el APC-7,
pero a diferencia de este último, el conector N
tiene macho y hembra. Es robusto y es considerado
más fácil de usar que otros tipos. No posee
dieléctrico entre los conductores. Plano de
referencia El valor de offset en este conector
es de 0,207 (5,258 mm). El valor del gap no
debe superar los 0,006 para los conectores N
de precisión y de 0,007 para los conectores N
de uso general. Estos valores varían según la
norma utilizada por el fabricante.
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Conector tipo N (cont.)
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Conector tipo N (cont.)
Conector Hembra Posee una cavidad en su conector
central para guiar al macho en la conexión, están
ranuradas en forma de uñas para que se flexionen.
Esta cavidad puede tener de 2 a 6 ranuras o no
tenerlas (slotless), siendo las ultimas las que
permiten una mayor precisión y repetibilidad.
Estas ranuras son extremadamente sensibles y
limitan los ciclos de conexión a 5000.
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Conector tipo N (cont.)
Existen versiones de N tanto de 50
como de 75 ohms, la segunda es utilizada en
algunos sistemas de RF y CATV. Se diferencian en
que la versión de 75 ohms tiene el conector
central mas fino por lo que no son compatibles.
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8- Conector tipo DIN 7/16
Fue desarrollado en Alemania durante la década de
1960. El nombre del conector sale del diámetro
nominal del conductor interno, 7 mm, y el
diámetro del conductor externo, 16 mm. Se lo
utiliza mucho en aplicaciones GSM de telefonía,
especialmente en estaciones base. Es un conector
muy robusto y debe usarse una llave para
conectarlo. Posee buena repetibilidad y una alta
capacidad de manejo de potencia. Su frecuencia
máxima es de 7,5 GHz.
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9- Conector GR900 (IEEE 278 pago 53)
Fue el primer conector hermafrodita de precisión
comercial. Fue creado por General Radio en 1962.
El diámetro del conductor externo es de 14 mm.
Posee excelentes características de reflexión,
pérdida de inserción y repetibilidad hasta 8,5
GHz (hasta 3 GHz en la versión de 75
ohm). Posee una rueda dentada en el
exterior y un sistema de uñas en protrusión en el
conector central para procurar que el plano de
referencia sea coplanar a ambos contactos.
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GR900 (cont.)
El blindaje de este conector es muy bueno con
valores menores que -130 dB por debajo de la
señal. Esto se debe a la acción del triple
blindaje en el plano de contacto de los
conectores externos y por la calidad de los
materiales empleados como ser El conductor
interno, externo y el contacto tipo resorte están
hecho de aleación de plata sólida enchapada en
oro. El soporte del conductor interno es de
Teflón. El acople externo de tipo rueda dentada
es de acero inoxidable. Al tratarse de un
conector hermafrodita de gran precisión, los
valores de repetibilidad son extremadamente bajos
(lt 0,002 dB). Además, la superficie frontal del
conductor interno está sobresalido 0,025 mm
(0,001 ) respecto al plano de referencia del
conector externo para asegurar el contacto
externo. Este diseño permite librarse del uso de
ranuras en los conductores internos y externos
evitando así la aparición de reflexiones,
aumentando considerablemente la vida útil y la
repetibilidad. Es un conector muy voluminoso y
costoso. Fue un conector de referencia por muchos
años hasta que fue desplazado por el conector N
de precisión y el APC-7. Actualmente se sigue
fabricando en forma reducida para algunas
aplicaciones metrológicas.
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10- Conector APC-7 (IEEE 278 pago 53)
El APC-7 (Amphenol precisión Connector - 7 mm)
ofrece el coeficiente de reflexión más bajo y la
mayor repetibilidad en mediciones de todos los
conectores hasta 18 GHz. El desarrollo de este
conector fue un esfuerzo en conjunto entre
Hewlett Packard y Amphenol fue introducido en
1964. Tiene un diseño hermafrodita y es el
preferido para la mayoría de las aplicaciones en
metrología y calibración hasta 18 GHz. El plano
de referencia es coplanar para ambos contactos,
con las interfaces eléctricas y mecánicas en la
misma ubicación. Al igual que el GR900
posee un sistema de resorte con ranuras que
sobresale mínimamente del conector central para
hacer máximo contacto, el gap típico es de
0,025mm. Posee un ciclo de conexión/desconexión
de 5000 veces.
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Conector APC-7 (cont.)
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11- Conector APC-3.5
Desarrollado por Hewelett Packard y fabricado por
Amphenol en el 76, fue concebido como un conector
de precisión para utilizar con conectores SMA.
El diámetro del conductor externo es de 3.5mm,
pudiendo ser usado hasta los 26,5 a 33GHz.
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Conector APC-3.5 (cont.)

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12- Conector K (2.92mm)
Desarrollado la firma Maury en el 74 para llegar
hasta los 40GHz pero fue comercializado en el 83
con instrumental para esas frecuencias. Es
compatible con SMA y APC-3.5 pero debe tenerse en
cuenta que existirá una discontinuidad. El
diámetro interno del conector externo es de
2.92mm.
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13- Conector 2.4mm (Q)
El 2.4 mm fue desarrollado por Hewlett Packard,
Amphenol y M/A-COM Omni Spectra en 1986 para ser
usado hasta 50 GHz pudiendo reemplazar el uso de
las guía de onda hasta dicha frecuencia. Se lo
conoce también como conector Q. Este diseño
elimina la fragilidad de los conectores
anteriores como el SMA o el 2.92 mm debido a su
mayor robustez, incrementando el ancho de la
pared externa y reforzando las uñas del conector
hembra. El diámetro interno del conductor externo
es de 2,4 mm. No es compatible con SMA, 3.5 y
2.92.
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Conector mm (Q) (cont.)

• Existen tres grados de calidad en este tipo de
  conector dependiendo de su utilización y costo
• Nivel de producción o propósito general OS-50
• Es una versión económica y simple de montar. Es
  ofrecido por M/A-COM Omni Spectra, para ser usado
  en microstrip, componentes y cables donde se lo
  conecte y desconecte una reducida cantidad de
  veces con una repetibilidad media.
• Nivel de instrumental APC-2.4 mm
• Ofrecido por Amphenol Products está diseñado
  para ser usado en equipos de medición y prueba
  debiendo soportar numerosos ciclos de conexión /
  desconexión.
• Nivel de metrología Serie HP
• Diseñado para tener la mejor exactitud y
  trazabilidad a patrones nacionales de medición,
  se utiliza en toda aplicación relacionada con
  calibraciones de referencias o patrones. Su costo
  es elevado.
• Como no es un conector compatible mecánicamente
  con el SMA, 3.5 mm y 2.92 mm, se deberá utilizar
  adaptadores de precisión si se quiere adaptar con
  estos conectores.

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14- Conector 1.85mm (V)
Fue desarrollado originalmente por Hewlett
Packard en 1986 pero insertado en el mercado por
Anritsu en 1989. El diámetro del conductor
externo es de 1,85 mm pero es compatible con el
2.4 mm. Es diseñado para cubrir hasta los 65
GHz.
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Conector 1.85mm (V) (cont.)
Fue desarrollado originalmente por Hewlett
Packard en 1986 pero insertado en el mercado por
Anritsu en 1989. El diámetro del conductor
externo es de 1,85 mm pero es compatible con el
2.4 mm. Es diseñado para cubrir hasta los 65
GHz.
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15- Conector 1mm (W)
Fue diseñado por Hewelett Packard y esta
especificado en la norma IEEE 278. El diámetro de
su conductor externo es de 1mm y cubre hasta los
110GHz.
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Conector 1mm (W) (cont.)
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Conectores discontinuados
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16- Conector GR874
El GR 874 fue diseñado por General Radio en 1949.
Es un conector hermafrodita de encastre (push-on)
el cual tuvo gran aceptación en sus primeros años
debido a sus características de reflexión
superiores al resto de los conectores de aquella
época entre DC y 9 GHz a tal punto que muchos
instrumentos de laboratorio adoptaron este
conector en especial para aplicaciones con pulsos
y en osciloscopios de muestreo o TDR (Time domain
Reflectometry). Ambos conductores (externo e
interno) son ranurados pero están posicionados de
tal forma que, cuando son conectados a otro
conector, el par forma una geometría circular en
ambos conductores.
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17- Conector Dezifix B

Conector desarrollado por la empresa alemana
Rohde Schwarz en la década del 60. Es un
conector muy robusto y fácil de conectar y
desconectar. Tiene una versión en 50 ohm y de 75
ohm. La versión de 50 ohm llega hasta 5 GHz con
una ROE máxima de 1,02. La versión de 75 ohm
llega hasta 3 GHz con una ROE máxima de
1,03.
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Usos y cuidados de los conectores
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Usos y cuidados de conectores

• La vida útil de un conector depende
  mayoritariamente del grado de cuidado y limpieza
  que se brinda a lo largo del tiempo. Un mal uso o
  descuido en el empleo de los mismos podría dañar
  mecánicamente al conector con una degradación en
  sus especificaciones eléctricas.
• Información sobre cuidados
• http//na.tm.agilent.com/pna/connectorcare/Connect
  or_Care.htm
• http//www.maurymw.com/prodvideos/mmc_demo_videos.
  html 
• http//www.microwaves101.com/encyclopedia/connecto
  rcare.cfm
• Lo que no se debe hacer
• http//www.microwaves101.com/encyclopedia/connecto
  rtrashed.cfm

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Otros conectores de uso general
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Conectores SMA p/impreso
Southwest microwave end launch series
.SMA 27GHz .3.5mm 40GHz .2.4mm 50GHz
LightHorse Technologies end launch (SMA)
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Conectores SMA- RP
SMA Reverse Polarity. Tienen el conector
interno invertido, es decir la hembra tiene la
rosca exterior al contrario del SMA. Esto se usa
para impedir conexiones accidentales en equipos
de transmisión. Son muy utilizados en routers y
equipos WiFi.
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Conectores MCX
(Micro coaxial) Son conectores de menor tamaño
que el SMB, con una frecuencia máxima de 6GHz.
Normalizados bajo la norma europea CECC22220.
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Conectores MMCX
(Miniature - Micro coaxial) Son la versión mas
pequeña de los MCX , con una frecuencia máxima de
6GHz. Normalizados bajo la norma europea
CECC22220. Suelen usarse para antenas de GPS.
MMCX para impreso
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Conectores UFL
Utilizados para conectar las placas de wifi de
notebooks y aplicaciones donde el espacio es un
limitante. Su fmax es de 6GHz
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Comparaciones