О причинах повреждений радиочастотных соединителей и способах их предотвращения

О необходимости бережного отношения к радиочастотным соединителям

Радиочастотные соединители определяют надежность работы СВЧ-устройств и систем связи и радиолокации, радиоизмерительной, медицинской и другой аппаратуры [1]. Первыми призвали к бережному отношению к радиочастотным соединителям изготовители дорогостоящей радиоизмерительной аппаратуры сантиметрового, а позднее и миллиметрового диапазона длин волн [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16]. В процессе изготовления, настройки и испытаний изделие СВЧ приходится многократно соединять и рассоединять с портами измерительной аппаратуры с применением в случае необходимости соответствующих адаптеров. Неисправные соединители и адаптеры могут повреждать аппаратуру, которая тем дороже, чем выше ее предельная рабочая частота, ведь измерительная аппаратура миллиметрового диапазона длин волн зачастую дороже крутого автомобиля. При этом с повышением предельной частоты соединители аппаратуры становятся все миниатюрнее и все больше подвержены повреждениям.

Замена неисправного соединителя — достаточно дорогостоящая статья расходов. Так, замена соединителя измерительного порта векторного анализатора цепей 8515 А компании Keysight, работающего в диапазоне частот 45 МГц — 26,5 ГГц, стоит $1000. Замена в скользящей нагрузке соединителя 3,5 мм (предельная частота 33 ГГц) обходится в $2000, а соединителя 2,4 мм (предельная частота 50 ГГц) — в $2200 [1, 4].

Для того чтобы снизить риск повреждения измерительной СВЧ-аппаратуры, ее производители компании Rohde & Schwarz [2], Anritsu [3], Keysight (Agilent) [4] подготовили подробные инструкции по работе с радиочастотными соединителями и рекомендовали пользователям аппаратуры их неукоснительно выполнять.

Не менее жесткие требования предъявляют и к соединителям для изделий микроэлектроники СВЧ. Одной из наиболее распространенных причин выхода из строя этих изделий является повреждение радиочастотных соединителей, кабелей и адаптеров [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Замена поврежденного соединителя в модуле СВЧ, зачастую расположенном в неудобном месте сложного многомодульного блока, — трудоемкая, дорогостоящая операция, предполагающая разборку блока, извлечение неисправного модуля, его разгерметизацию, замену соединителя, повторный монтаж и установку в блок. После этого необходимо провести дополнительные испытания и измерения параметров модуля и всего блока.

Типы радиочастотных соединителей

К настоящему времени разработаны соединители более 50 серий и нескольких тысяч модификаций [7]. Общепринятыми считаются три градации радиочастотных соединителей: метрологические, инструментальные и общего применения, данные о которых приведены в таблице [7].

Примечание: + входит, – не входит в состав градации.

Метрологические соединители предназначены для калибровки и поверки радиоизмерительной аппаратуры. В настоящей статье эти соединители не рассматриваются.

Инструментальные соединители применяют в радиоизмерительной аппаратуре в сочетании с различными кабелями и адаптерами. Эти соединители, как правило, с воздушной коаксиальной линией обеспечивают высокую точность и воспроизводимость результатов измерений и гарантируют большое количество соединений и рассоединений. Инструментальные соединители входят в состав калибровочных комплектов (calibration kits) для радиоизмерительной аппаратуры.

Соединители общего применения — наиболее распространенная градация радиочастотных соединителей. По сравнению с предыдущими градациями они имеют менее высокий уровень параметров и меньший срок службы. Стоимость соединителя общего применения может быть на порядок меньше стоимости инструментального соединителя того же типа.

Среди соединителей, представленных в таблице, наиболее широко применяются соединители SMA, 3,5 и 2,92 мм (K‑типа), показанные на рис. 1 [8].

Рис. 1. Соединители SMA, 3,5 и 2,92 мм

Виды повреждений и причины их возникновения в данной статье рассмотрены для соединителей этих трех типов. Все три соединителя имеют дюймовую резьбу 0,250–36UNS на корпусе, что позволяет им механически соединяться между собой без помощи адаптеров. Но для соединения с отечественными аналогами (тип IX, варианты 1 и 3 ГОСТ РВ 51914–2002), имеющими на корпусе метрическую резьбу М6×0,75, необходимы адаптеры. Наружный диаметр метрической резьбы M6×0,75 равен 6 мм, а дюймовой резьбы 0,250–36UNS — не более 6,35 мм (обычно 6,2 мм), поэтому метрический соединитель «вилка» невозможно накрутить на дюймовый соединитель «розетка». Но дюймовые соединители «вилка» SMA, 3,5 мм и 2,92 мм можно при желании соединить с указанными отечественными соединителями «розетка», хотя шаг метрической и дюймовой резьбы различен: соответственно 0,75 и 0,706 мм. Несмотря на различие, заклинивание не происходит, если длина резьбы не превышает 3–4 витков [9]. Однако при таком соединении не гарантируется надежный электрический контакт внутренних проводников и может произойти их механическое повреждение. Поэтому не рекомендуется соединять в такой комбинации приборные с инструментальными, а тем более с метрологическими соединителями [7, 9].

Отличие отечественных соединителей «вилка» от зарубежных аналогов заключается и в том, что у них разные диаметры штыревого проводника. У соединителей, SMA, 3,5 мм и 2,92 мм эти диаметры равны 0,94–0,04, 0,927±0,008 и 0,94–0,03 мм соответственно. Диаметр же штыревого проводника отечественного соединителя «вилка» (тип IX, ГОСТ РВ 51914–2002) равен 0,9–0,025 мм. Из-за такого, казалось бы, несущественного различия диаметров штыря отечественных и зарубежных соединителей одного и того же типа соединение и рассоединение зарубежной вилки с отечественной розеткой происходит с повышенным усилием. В результате истирается покрытие гнездового контакта розетки, возможно повреждение и даже поломка ламелей ее гнездового контакта и повреждение опорных диэлектрических шайб соединителей 3,5 мм и 2,92 мм [7, 9].

При совмещении каждого из SMA-соединителей, 3,5 мм и 2,92 мм с соединителем другого типа существует еще и электрическая несовместимость, обусловленная разными размерами коаксиальной линии этих соединителей. Диаметры наружного и внутреннего проводников коаксиальной линии для SMA-соединителей равны 4,13×1,27 мм, для 3,5 мм — 3,5×1,52 мм, для 2,92 мм — 2,92×1,27 мм. Различие размеров коаксиальных линий соединителей приводит к ухудшению электрических характеристик соединения между ними.

Кроме разных размеров коаксиальных линий, соединители рассматриваемых типов имеют и разное диэлектрическое заполнение этих линий. В соединителях SMA коаксиальная линия заполнена фторопластом с диэлектрической проницаемостью ε = 2,05–2,10, в соединителях 3,5 мм и 2,92 мм применена воздушная коаксиальная линия, и их внутренние проводники зафиксированы в диэлектрических шайбах.

В качестве примера на рис. 2 показано соединение розетки SMA с вилкой 3,5 мм [9]. В таком соединении возникает неоднородность, которая ограничивает рабочий диапазон частот и ухудшает КСВН [9, 11, 12]. На практике это ухудшение не столь значительно, и с ним можно не считаться во многих случаях.

Рис. 2. Пара соединителей: SMA-розетка и 3.5-mm вилка

Следует также учитывать, что в соединении двух механически совместимых соединителей верхний предел частоты ограничивает соединитель с более низкой рабочей частотой. По этой причине всегда рекомендуется использовать один тип соединителя в измерительной системе, предназначенный для работы в требуемом диапазоне частот [2].

В технике измерений на СВЧ применяют соединители только с воздушной коаксиальной линией.

Выбор приборных соединителей и адаптеров

Рабочий диапазон частот соединителей, адаптеров и кабелей, применяемых в разрабатываемом изделии СВЧ, должен быть ниже предельной частоты, допустимой для этих компонентов. Нецелесообразно использовать более высокочастотный соединитель, чем это необходимо.

Исключительно важно выбрать квалифицированного поставщика соединителей. Такой поставщик гарантирует соответствие параметров соединителей требованиям стандартов и готов помочь разработчику изделий в решении проблем, связанных с соединителями. Он имеет эффективную систему испытаний, а также квалифицированный персонал с высоким уровнем подготовки и большим опытом работы в этой области.

Предпочтение следует отдавать отечественным производителям компонентов. К сожалению, многие типы и модификации соединителей не выпускают в нашей стране, что вынуждает приобретать их за рубежом. Но приобретение соединителей даже у квалифицированных иностранных поставщиков не исключает необходимость входного контроля на соответствие требованиям data sheet соединителей.

Входной контроль соединителей

Цель входного контроля — выявление поврежденных соединителей и адаптеров. Поврежденный соединитель ни при каких обстоятельствах не должен быть применен в выпускаемом изделии, потому что:

•  не позволит получить требуемые технические характеристики изделия;
•  может повредить сочленяемый с ним в изделии ответный соединитель;
•  при проведении измерений может повредить выходной соединитель дорогостоящей радиоизмерительной аппаратуры.

Визуальный осмотр рекомендуется проводить при увеличении 12–16 крат с использованием увеличительной линзы или микроскопа, чтобы наблюдать более тонкие дефекты, такие как мелкие частицы, согнутые штыревые и поврежденные гнездовые контакты. При визуальном осмотре соединителей могут быть выявлены следующие дефекты — (рис. 3):

• Cмещение ламелей гнездового контакта розетки и даже их поломка — (рис. 3а).

Рис. 3. Дефекты соединителя розетка типа IX, ГОСТ РВ 51914-2002:
а) поврежденные ламели гнездового контакта,
б) вмятина во фторопластовом изоляторе,
в) загрязненный фторопластовый изолятор, г) трещины и сколы в стеклянном изоляторе

Одной из причин повреждения ламелей является излишняя длина штыря вилки [10]. При несоосном расположении вилки относительно розетки при их сочленении длинный штырь вилки упирается в одну из ламелей гнезда розетки и отгибает ее при закручивании гайки. Для надежного контакта вилки и розетки необходимо, чтобы сначала соединялись их наружные проводники, и только после этого штырь вилки мог входить в гнездо розетки — рис. 4 [11].

Рис. 4. Отгибание ламели гнезда при несоосном расположении вилки с излишне длинным штырем

Компания Wiltron (США) еще в 1983 году рекомендовала длину штыря, не превышающую 1,5 мм, однако эта рекомендация не всегда учитывается до сих пор, особенно в отечественных соединителях.

• Внутренние проводники вилки и розетки должны быть прямыми и отцентрированными по отношению к наружному проводнику соединителя. Штыревой контакт соединителя «вилка» должен быть скругленным на конце для облегчения его захода в гнездовой контакт розетки. Наличие кольцевой нарезки на штыре является результатом вращения штыря в гнезде. Это возможно, когда при соединении вилки и розетки вращается не гайка на корпусе вилки, а сам корпус вилки. На рис. 3б показан приборный соединитель «розетка», в котором из-за несоосного расположения штыревого контакта кабельной вилки образовалась вмятина в изоляторе розетки рядом с гнездовым контактом.
• Металлические частицы на поверхности фторопластового изолятора и на опорной шайбе (рис. 3в).
• Вмятины, глубокие царапины, заусенцы на резьбе и на металлических поверхностях соединителя [5]. Металлические частицы и заусенцы могут повреждать сопрягаемые поверхности ответного соединителя, создавая глубокие царапины. Легкая полировка поверхностей в области сопряжения вилки и розетки, состоящая из однородных мелких, концентрических царапин, равномерно распределенных по покрытой металлом поверхности, считается допустимой [6].
• Повреждение резьбы на корпусе розетки приборного соединителя и гайки на вилке ответного кабельного соединителя. На резьбе не должно быть заусенцев и отслаивающихся частиц. Гайка должна плавно двигаться при вращении вручную.
• Нарушение и отслоение покрытия на корпусе и проводниках соединителя. Любая царапина, которая проходит через покрытие, должна быть тщательно проверена при увеличении 12–16 крат, чтобы увидеть заусенцы и отслаивающие частицы.
• Грязь на резьбе и поверхностях проводников соединителя. Грязь — враг номер один радиочастотных соединителей. Прежде чем использовать соединитель, необходимо произвести его чистку.
• Трещины и сколы в стеклянном изоляторе соединителей, герметизированных металлостеклянным спаем (рис. 3г).

Правила работы с радиочастотными соединителями

Повреждение соединителей происходит из-за неправильного хранения и обращения с ними, отсутствия ухода за контактными поверхностями, а также вследствие износа [13, 14, 15]. Соединители должны храниться отдельно от других деталей и компонентов. Нельзя прикасаться руками к поверхностям сопряжения соединителей. Соединители должны быть чистыми. Лучший способ обеспечить это — установить защитные колпачки на соединителях, когда соединители не используются.

Техника работы с соединителями

Если соединитель «розетка» установлен на корпусе изделия или на панели измерительной аппаратуры, то общее правило заключается в том, чтобы при соединении вилки с розеткой поворачивать не корпус вилки, а только накидную гайку. При соединении внутренние поверхности вилки и розетки должны оставаться неподвижными, в противном случае возможны износ или повреждение проводников соединителей. Сначала нужно навернуть вручную гайку вилки, а окончательное затягивание произвести при помощи динамометрического ключа — рис. 5 [14].

Рис. 5. Динамометрический ключ

Динамометрические ключи выпускают многие компании, в том числе и отечественная компания «Микран». Тарированный ключ с правильной настройкой для используемого типа соединителя предназначен для обеспечения соединения вилки и розетки с требуемым моментом вращения при затягивании гайки вилки. Слишком большой момент может привести к деформации сопрягаемых поверхностей, а слишком малый момент становится причиной ненадежного соединения и ухудшения параметров соединения.

Для соединителя каждого типа существует максимально допустимый момент затягивания гайки. При достижении этого момента ручка ключа «переламывается». Соблюдение момента затягивания обеспечивает повторяемость электрических параметров при соединении и предотвращает повреждение соединителя. Величина момента затягивания существенно зависит от материала корпуса соединителя. Он равен 56 Н•см для соединителей SMA с корпусом из латуни и 90 Н•см — с корпусом из нержавеющей стали. Для инструментальных соединителей 3,5 мм и 2,92 мм момент затягивания равен 90 Н•см. Если вилку SMA соединяют с одной из розеток 3,5 мм или 2,92 мм, момент должен быть 56 Н•см, при соединении же вилки 3,5 мм и 2,92 мм с розеткой SMA — 90 Н•см.

Срок службы соединителя измеряется количеством соединений и рассоединений, в течение которых сохраняются заданные электрические и механические характеристики. Рекомендуется инспектировать соединители после каждых 20 циклов соединений на наличие повреждения и износа [14]. В процессе эксплуатации максимальному износу подвержены штыревой контакт соединителей «вилка» и гнездовой контакт соединителей «розетка». Несоблюдение этих рекомендаций приводит к уменьшению срока службы и повреждению как минимум одного соединителя из сопрягаемой пары «вилка-розетка». А если поврежден выходной соединитель в векторном анализаторе цепей, то нельзя считать достоверными результаты измерений S‑параметров измеряемого объекта. Подробные инструкции по работе с радиочастотными соединителями приведены в работах [2, 3, 4, 14].

Применение адаптеров при измерениях

В современных радиоизмерительных приборах: измерителях мощности, анализаторах цепей, спектра и шума и т. д., а также в сложных изделиях СВЧ повреждение выходного соединителя приводит к дорогостоящему ремонту. При длительном использовании соединитель изнашивается и повреждается и при сопряжении с ответным соединителем может его повредить. Поэтому при измерениях целесообразно использовать соответствующий адаптер для подключения тестируемого устройства к измерительной аппаратуре и выполнять все последующие подключения через этот интерфейс. Если адаптер будет поврежден, его можно заменить, а не отправлять в ремонт дорогостоящие аппаратуру и измеряемые изделия СВЧ из-за повреждения выходных соединителей. Стоимость адаптера намного меньше стоимости ремонта аппаратуры и изделий. Неслучайно поэтому в зарубежной технической литературе адаптер называют «хранителем» соединителей. Адаптеры очень часто используют при измерении изделий, оснащенных соединителями SMA, так как эти соединители достаточно быстро изнашиваются и для них гарантированное количество подключений не превышает 500 [4, 6, 13, 14].

Однако адаптеры, как и все соединители, также имеют конечный срок службы. Поэтому указание о допустимом периоде эксплуатации применяемых адаптеров должно быть отражено в маршрутной технической документации на изделие, чтобы иметь основание приобрести новые адаптеры для замены изношенных. Адаптеры должны рассматриваться как расходный материал, то есть как предмет с ограниченным сроком службы.

Крайне нежелательно использовать для стандартных измерений адаптеры из калибровочного набора.

Измерение геометрических размеров соединителей и адаптеров

На параметры соединителя влияет положение его центрального проводника относительно опорной (базовой) плоскости. Расположение этого проводника ниже опорной плоскости называют рецессией, а выше нее — протрузией [15]. Для центрального гнездового проводника соединителя «розетка» эти параметры схематично показаны на рис. 6 [15].

Рис. 6. Рецессия (а) и протрузия (б) гнездового проводника соединителя «розетка»

Аналогична картина и для штыревых проводников вилки. Несовершенство области контактирования соединителей «вилка» и «розетка» приводит к ухудшению КСВН и воспроизводимости параметров. Влияние рецессии на электрические параметры соединителей было предметом нескольких исследований [7, 12, 15, 17]. Так, установлено, что величина рецессии не должна превышать 0,0125 мм для соединителей 3,5 мм и 2,92 mm группы LPC (лабораторные прецизионные соединители) и 0,0508 мм для соединителей SMA группы GPC (прецизионные соединители общего применения) [15].

Величина рецессии может быть различна для соединителей даже одного типа, но разных производителей. Если рецессия слишком велика, КСВН соединителя недопустимо возрастает. Допустимая величина рецессии различна также для соединителей разных градаций. Для соединителей общего применения она ограничена 200 мкм, инструментальных — 50 мкм, метрологических — 13 мкм [12]. Идеальным считается такое соединение вилки и розетки, при котором штырь входит в гнездо без зазора и между фторопластовыми изоляторами вилки и розетки соединителей SMA отсутствует зазор.

Наличие же протрузии вообще недопустимо для соединителей всех типов, поскольку может привести к повреждению центральных проводников соединителей.

Для измерения геометрических размеров соединителей применяют специальный инструмент — индикаторные головки с набором эталонных насадок, как показано на рис. 7 [7, 9]. Рецессию и протрузию необходимо контролировать перед началом использования соединителя и после 100 соединений и рассоединений.

Рис. 7. Образцы инструмента для контроля размеров соединителей

Чистка соединителей

После многократных соединений и рассоединений вилки и розетки, а также при неправильном хранении на поверхностях проводников и диэлектрика соединителя появляются нежелательные загрязнения: металлические частицы из-за истирания покрытия, отрывающиеся заусенцы, жировые и другие загрязнения. Чтобы обеспечить длительную работу, а также повторяемость результатов измерений, необходимо регулярно проводить чистку соединителей, контролируя загрязнения при помощи микроскопа или увеличительной линзы.

Для проведения чистки понадобятся сжатый воздух низкого давления или азот, специальные безворсные тампоны, ткань без ворса, деревянные зубочистки, этиловый спирт и увеличительная лупа или микроскоп. Воздух должен быть отфильтрован и очищен от паров масла, влаги и конденсата. Не рекомендуется обдувать соединители воздухом изо рта, так как в нем много нежелательных примесей.

Прежде всего из внутреннего объема соединителя и с резьбы удаляют посторонние частицы обдувом струей сжатого воздуха или азота. Оставшиеся после обдува мелкие посторонние частицы аккуратно удаляют зубочисткой. После этого очищают внутреннюю поверхность и резьбу соединителя, протирая их тканью, смоченной спиртом. Ткань не должна оставлять ворсинок. В качестве растворителя не рекомендуется применять ацетон и метанол. Растворитель должен быть чистым (99,5%), и его нельзя использовать многократно. Количество растворителя должно быть минимальным. Не следует обильно смачивать фторопластовый изолятор соединителя SMA и опорные диэлектрические шайбы соединителей 3,5 мм и 2,92 мм. При чистке внутренних проводников нужно быть предельно осторожным, чтобы их не погнуть. Оставшиеся стойкие частицы удаляют деревянной зубочисткой. Недопустимо для протирки поверхностей соединителя применять абразивные материалы.

После протирки соединитель необходимо снова продуть сжатым воздухом для удаления оставшихся частиц и для высушивания. Специальные требования предъявляются к чистке соединителей в измерительной аппаратуре и в изделиях СВЧ, содержащих элементы, чувствительные к статическому электричеству. При чистке таких соединителей оператор должен носить на запястье заземленный браслет. Металлический наконечник сопла, подающего сжатый воздух, должен быть заземлен, а скорость струи воздуха не должна быть слишком высокой (избыточное давление воздуха не более 0,4 атм.), чтобы не вызвать эффекта электростатической зарядки.

Срок службы соединителей

Срок службы, или ресурс, соединителей определяется допустимым количеством соединений и рассоединений, после которых обеспечивается сохранение электрических и механических характеристик соединителей. Этот параметр является одним из важнейших для соединителей и всегда отражается в технических условиях и data sheet. Так, для соединителей SMA и его отечественных аналогов ресурс определен величиной 500.

Сложно предсказать, сколько раз можно использовать соединитель. Достигнутое количество соединений и рассоединений зависит от соблюдения рекомендаций по работе с соединителями. При правильном хранении и эксплуатации ресурс соединителя обусловлен его конструкцией и прочностными характеристиками материалов и покрытий, использованных при его изготовлении. Соединители 3,5 мм и 2,92 мм, изготовленные с высокой точностью, с корпусами из прочной нержавеющей стали при правильной эксплуатации могут иметь срок службы до 5000. Применение соединителей SMA в качестве инструментальных ограничено их низким сроком службы.

Заключение

Казалось бы, нет ничего сложного в том, чтобы соединить вилку и розетку: вставить штырь вилки в гнездо розетки и накрутить гайку вилки на корпусе розетки. С большими соединителями, такими как 7/16, UHF, DIN 4.1/9.5, и другими проблем с созданием надежного соединения гораздо меньше. Однако с повышением предельной рабочей частоты соединители становятся все миниатюрнее. Их можно легко повредить при неправильном обращении и хранении. Поэтому основная задача данной статьи показать, что к радиочастотным соединителям надо относиться с большим уважением.