Verwendung von Multiport-Anschlüssen in High

Jun 04, 2023

Heutzutage werden elektronische Systeme für Militär und Avionik mit größeren Frequenzbereichen entwickelt, um Bandbreite und Funktionalität zu erhöhen und gleichzeitig für kleinere Räume konzipiert zu werden. Das Erreichen der Systemziele „Reduzierung von Größe, Gewicht und Leistung“ (SWaP) stellt Hochfrequenz-HF-/Mikrowellenkabel und -Steckverbinder vor Herausforderungen, die komplexe elektrische, mechanische und Umgebungsspezifikationen erfüllen müssen, aber auch den Zugriff auf Subsystemmodule für Wartung und Fehlerbehebung ermöglichen müssen. Glücklicherweise weisen neue Multiport-Verbindungstechnologien geringe Verluste bei HF-/Mikrowellenfrequenzen bei hoher Sicherheit und Wiederholbarkeit auf. Ihr unkomplizierter Ansatz erleichtert das Trennen selbst bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot und erfüllt gleichzeitig die anspruchsvollsten EMI/EMV-Anforderungen.

Zivile und militärische Avioniksysteme wie Radarhöhenmesser und Mikrowellenlandesysteme (MLS), die einst Gleichstrom bis 12 GHz nutzten, werden nun auf höhere Frequenzen ausgeweitet, typischerweise bis 18 GHz und oft bis zu 40 GHz. Diese Erweiterung erfordert Subsystemverbindungen, die die höchste und zuverlässigste Leistung bieten und gleichzeitig in den begrenzten Raum der Flugzeugzelle passen.

Im Allgemeinen werden militärische elektronische Systeme wie elektronische Kriegsführung (EW), Radar und elektronische Gegenmaßnahmen (ECM) durch modulare Architekturen für kleinere Räume und höhere Effizienz konzipiert. Solche Designansätze erfordern narrensichere Breitbandverbindungen, die auf engstem Raum verbunden und getrennt werden können und gleichzeitig alle elektrischen, mechanischen und Umgebungsanforderungen herkömmlicher, dauerhafterer 50-Ω-Verbindungen erfüllen, einschließlich Wellenleiter- und Koaxialkabeln und -anschlüssen. Der begrenzte Platz erhöht auch den Bedarf an sehr niedrigen EM-Strahlungs- und Leckagepegeln an allen Hochfrequenzverbindungen, um Interferenzen zwischen Subsystemmodulen zu minimieren.

Die Miniaturisierung und Funktionsdichte moderner Militär- und Avioniksysteme machen den Bedarf an Multiport-Steckverbindern deutlich, mit denen viele Signale auf kleinem Raum weitergeleitet werden können. Multiport-Steckverbinder ermöglichen es, die Gesamtmenge an Verbindungshardware für bemannte Avioniksysteme sowie für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) zu reduzieren, wo etwas weniger Gewicht einen großen Beitrag zur Erhöhung der Fahrzeugreichweite leistet.

Anwendungen mit einer wachsenden Anzahl von Verbindungen bei steigenden HF-/Mikrowellenfrequenzen können leicht zu einem Wirrwarr von Koaxialkabeln mit schwer zu verfolgenden Verbindungen und Anschlüssen führen, wenn jedes Kabel über eigene Eingangs- und Ausgangsanschlüsse verfügt. Das Grundkonzept einer Multiport-Verbindung besteht darin, Verbindungspunkte für möglichst viele Kabel innerhalb eines einzigen Kabelbaums anzuordnen, sodass verschiedene Subsystemmodule an einem Verbindungspunkt miteinander verbunden und sogar farblich gekennzeichnet oder beschriftet werden können, um die Identifizierung und Zugänglichkeit während der Wartung zu erleichtern und Inspektion.

Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung eines solchen Multiport-Kabelbaums besteht jedoch darin, einfache Stecker-zu-Stecker-Anschlüsse innerhalb des Kabelbaums zu ermöglichen, ohne die entsprechende Größe und das entsprechende Gewicht der gesamten separaten Verbindungen hinzuzufügen und gleichzeitig die elektrischen und mechanischen Leistungsanforderungen beizubehalten

Herkömmliche Koaxialsteckverbinder wie 50-Ω-Threaded-Neill-Concelman-(TNC-)Steckverbinder (Abbildung 1) werden seit langem in Militär- und Avionik-Subsystemmodule bei Frequenzen bis 18 GHz integriert und schließen flexible und halbstarre Koaxialkabel durch Crimp- oder Lötverbindungen ab. Durch die Schraubverbindung von TNC-Steckern und -Buchsen entsteht eine sichere und zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung, die den hohen Stößen und Vibrationen standhält, denen diese Systeme häufig ausgesetzt sind. Eine Multiport-Verbindung muss hohen physischen Belastungen standhalten und gleichzeitig höhere Frequenzen erreichen, um die großen Bandbreiten moderner Systeme zu unterstützen. Da Koaxialstecker in Bezug auf die Schnittstellengröße wellenlängenabhängig sind, müssen die Schnittstellenabmessungen viel kleiner sein als die einer herkömmlichen Komponente wie einem TNC-Stecker, um eine verlustarme Leistung über 30 GHz oder sogar 40 GHz zu bieten.

Abbildung 1: Ein herkömmlicher TNC-Stecker

Da Entwickler von Militär- und Avioniksystemen dichtere Lösungen für engere Räume anstreben, stellen sie sich ändernde Anforderungen an koaxiale Steckverbinder und Schnittstellen, nicht nur hinsichtlich ihrer Größe und ihres Gewichts, sondern auch der Notwendigkeit einer besseren Kontrolle der elektromagnetischen (EM) Energie, die durch die Steckverbinderschnittstellen in höheren Lagen fließt Frequenzen.

Herkömmliche Steckverbinderkonstruktionen wie TNC-Steckverbinder erfordern möglicherweise eine zusätzliche Abschirmung (und zusätzliches Gewicht), um elektromagnetische Störungen (EMI) bei Mikrowellenfrequenzen zu begrenzen und den Grad der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu erreichen, der für den erfolgreichen und zuverlässigen Betrieb elektronischer Hochfrequenzsysteme erforderlich ist eng beieinander liegende koaxiale Schnittstellen. Eine Steckerschnittstelle, an der elektromagnetische Energie austritt und an der Schnittstelle keine ordnungsgemäße Abschirmung vorhanden ist, kann dazu führen, dass ein System die EMV-Tests nicht besteht und Leistungseinbußen erleidet. Eine fehlerhafte Steckerschnittstelle mit mangelnder elektrischer Verbindung und Abschirmung setzt das Signal des Leiters außerdem äußeren Einflüssen aus. Die Schnittstellenspezifikationen für herkömmliche Steckverbinder wie TNC-Steckverbinder werden streng kontrolliert und in veröffentlichten Dokumentationen wie MIL-STD-348 detailliert beschrieben, um Unterschiede bei den physikalischen Abmessungen und Toleranzen zu vermeiden.

Ein herkömmliches elektronisches Militär- oder Avioniksystem, das mehrere Koaxialkabelbaugruppen zur Verbindung mehrerer Subsysteme und/oder Module verwendet, verfügt möglicherweise über 50 oder mehr einzelne Anschlüsse, wie z. B. TNC-Anschlüsse, um verschiedene Subsysteme mit einer Hauptsteuereinheit zu verbinden. Jeder Steckverbinder nimmt innerhalb des Systemgerätegehäuses einen gewissen Raum ein, dessen Gesamtvolumen durch eine alternative Steckverbinderschnittstelle wie einen Kabelbaum oder ein Gehäuse mit mehreren Anschlüssen reduziert werden kann, die die vergleichbare Anzahl von Koaxialanschlüssen ersetzen, die normalerweise dafür verwendet würden Zusammenhänge.

Die Schnittstelle mit mehreren Anschlüssen ist komplexer als eine einzelne TNC-Schnittstelle, aber je nach Anzahl der Anschlüsse und dem Abstand zwischen ihnen kann sie klein genug gemacht werden, um im Vergleich zu herkömmlichen Koaxialkabeln mit der gleichen Anzahl einen erheblichen Vorteil bei Größe und Gewicht zu erzielen Versammlungen. Für Militär- und Avionikanwendungen muss eine solche Multiport-Steckerschnittstelle die elektrischen, mechanischen und Umweltspezifikationen der einzelnen herkömmlichen Koaxialstecker, die sie ersetzt, erfüllen oder übertreffen.

Einige allgemeine Anforderungen an eine Multiport-HF-/Mikrowellen-Anschlussschnittstelle für moderne Militär- und Avioniksysteme basieren auf dem Ziel, Größe und Gewicht zu sparen, ohne die Leistung herkömmlicher Koaxial-Anschlussschnittstellen zu beeinträchtigen. Beispielsweise werden bei Radargeräten und anderen Systemen, die zur Zielpositionierung auf Amplituden- und Phasenmessungen angewiesen sind, Sätze herkömmlicher Koaxialkabelbaugruppen über weite Frequenzbereiche hinweg sorgfältig in Amplitude und Phase angepasst, um sicherzustellen, dass sie nicht zu Fehlern bei der Radarrückführung beitragen Signalmessungen. Herkömmliche Koaxialkabel und Steckverbinder können mit der Millimeterwellen-Maßgenauigkeit konfektioniert werden, die erforderlich ist, um Kabelsätze herzustellen, die in der Amplitude genau aufeinander abgestimmt sind und dieselben Phasenlängen aufweisen, um die Antennen eines Radars mit seinem Transceiver oder Empfänger und Sender zu verbinden.

Eine kleinere Multiport-Steckerlösung zum Ersetzen mehrerer Kabelbaugruppen in einem Radarsystem kann erforderlich sein, um eine Amplitudenanpassung zwischen den Ports zu gewährleisten, die typischerweise innerhalb von Zehnteln eines dB liegt, und eine Phasenbalance, die typischerweise innerhalb weniger Grad liegt. Spezifikationen für Koaxialkabel und andere Übertragungsleitungen, die in elektronischen Systemen verwendet werden, werden normalerweise von einem OEM erstellt, der alle elektrischen und Umgebungsanforderungen seines Systems detailliert beschreibt und dann mit einem erfahrenen HF-Baugruppenhersteller zusammenarbeitet, der das optimierte HF-Kabelsystem entwerfen kann. Der ideale Hersteller ist derjenige, der Kabel und Steckverbinder entwirft und herstellt, um eine optimierte Lösung zu schaffen.

Eine effektive Multiport-Koaxialsteckverbinderschnittstelle muss außerdem so konzipiert sein, dass sie den besonderen Umgebungsbedingungen standhält, unter denen Militär- und Avioniksysteme voraussichtlich betrieben werden, wie z. B. starken Stößen und Vibrationen, und gleichzeitig elektrisch stabile und sichere Verbindungen aufrechterhält. Für Systeme, die auf Signalamplituden- und/oder Phaseneigenschaften als Teil eines Modulationsschemas höherer Ordnung angewiesen sind, müssen effektive Multiport-Steckverbinderlösungen auch unter Bedingungen starker Stöße, starker Vibrationen und hoher Luftfeuchtigkeit kontinuierliche, unverfälschte elektrische Verbindungen aufrechterhalten.

Die schädlichen Auswirkungen der Wasseraufnahme auf eine Steckverbinderschnittstelle können minimiert werden, indem die Schnittstelle in einem abgedichteten Gehäuse untergebracht wird. Kabelbaugruppen für Hochleistungsflugzeuge sollten auf eine Kabellänge von mindestens 1 x 10-5 cm³/s/ft abgedichtet sein. Diese Lektion wurde in den 1970er Jahren gelernt, als nicht abgedichtete Kabelbaugruppen zu Zuverlässigkeitsproblemen führten und zur Schaffung der Spezifikationen Navy MIL-T-81490 und Air Force MIL-C-87104 führten, die eine 100-prozentige Prüfung der Dampfleckage erfordern, meist durchgeführt mit einem Helium-Massenspektrometer.

Die Miniaturisierung einer HF-/Mikrowellen-Anschlussschnittstelle erfordert einen engen Abstand zwischen mehreren Ports und gleichzeitig eine ausreichende Isolierung zwischen den Ports, um EMI zu minimieren. Bei Steckverbinderschnittstellen mit höherer Leistung kann der Anschlussabstand auch eine Rolle bei der Wärmemenge spielen, die im Vergleich zu herkömmlichen Mehrfach-Koaxialkabelbaugruppen abgeführt werden kann. Herkömmliche Koaxialkabelbaugruppen müssen als Teil von Militär- und Avioniksystemen weite Betriebstemperaturbereiche tolerieren, ohne dass sich ihre leitenden oder dielektrischen Materialien wesentlich ausdehnen oder zusammenziehen. Bei höheren HF-/Mikrowellenfrequenzen, wenn die Signalwellenlängen kleiner werden, zeigen sich die Auswirkungen physikalischer Veränderungen in einem Material aufgrund der Temperatur typischerweise als Variationen im Amplituden- und Phasenverhalten der von der Anschlussschnittstelle des Kanals übertragenen Signale.

Ein wichtiger Bestandteil einer zuverlässigen Multiport-HF-/Mikrowellen-Anschlusslösung für Militär- und Avioniksysteme ist das Gehäuse, das die Anzahl der Ports beherbergt, die für die Anzahl der von einem System benötigten Verbindungen erforderlich sind (siehe Abbildung 2). Ein Gehäuse kann so bearbeitet werden, dass es bis zu 50 Ports oder mehr enthält, und zusätzliche Ports oder mehrere Gehäuse können konstruiert werden, wenn innerhalb eines Systems mehr Verbindungen benötigt werden. Je nach Anwendung können solche Multiport-Gehäuse aus leichten Materialien wie Aluminium gefertigt und mit bleifreien, REACH/RoHS-konformen Verfahren hergestellt werden, die den strengsten Korrosionsbeständigkeitsanforderungen genügen. Solche Prozesse können dazu beitragen, dass die Multiport-Steckerschnittstellen durch mmWave-Frequenzen eine hervorragende verlustarme Leistung aufrechterhalten, selbst wenn sie Kraftstoff, Salznebel und korrosiven Chemikalien ausgesetzt sind.

Die Hülle kann außerdem ausreichend abgeschirmt werden, um die anspruchsvollsten EMI/EMV-Anforderungen für dicht gepackte Militär- und Avioniksysteme zu erfüllen. Um die volle Kontaktkraft an den elektronischen Kontaktpunkten zu gewährleisten, sind die Anschlussanschlüsse mit ausreichend Kraft federbelastet, um eine kontinuierliche elektrische Verbindung unter allen Bedingungen, einschließlich starker Vibrationen, sicherzustellen. Die Verbindung eines einzelnen Multiport-Steckers mit mehreren Kabeln anstelle der Verwendung mehrerer, völlig separater Koaxialkabelbaugruppen kann dazu beitragen, die Systeminstallationszeit zu verkürzen, die Systemwartung und -prüfung zu vereinfachen und die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen. Durch das Verständnis der rauen Umgebungsbedingungen der meisten Militär- und Avioniksysteme kann das Multiport-Steckergehäuse für die anspruchsvolle Kombination aus hohen Vibrationen, Stößen, Feuchtigkeit, Temperatur und chemischer Belastung konstruiert werden, die normalerweise zu einer elektrischen und mechanischen Verschlechterung herkömmlicher Koaxialkabel führen Versammlungen.

Abbildung 2: Ein bearbeitetes Gehäuse ist ein wichtiger Bestandteil einer HF-/Mikrowellen-Anschlusslösung mit mehreren Anschlüssen

Eine elektrisch dichte Multiport-HF-/Mikrowellen-Steckerschnittstelle, die herkömmliche (und bewährte) Koaxialkabel und -stecker in Militär- und Avioniksystemen ersetzen kann, muss eine lange Liste technischer Herausforderungen meistern. Zu diesen Herausforderungen gehört eine hohe Zuverlässigkeit beim Betrieb unter starken Stößen und Vibrationen, über weite Temperaturbereiche und unter vakuumähnlichen Bedingungen, die in großen Höhen herrschen.

Wie bereits erwähnt, nutzen Signale, die in modernen Militär- und Avioniksystemen verwendet werden, darunter Nachrichtendienste, Radar, Kollisionsvermeidung, elektronische Führung, Navigation, EW und Kommunikation, höhere Frequenzen und decken größere Bandbreiten ab. Militär- und Avioniksysteme, die einst mit Frequenzen von 18 GHz arbeiteten, erstrecken sich nun bis in den Millimeterwellen-Frequenzbereich (mmWave) von 40 GHz. Um die Funktionalität zu erhöhen, erhöhen diese Systeme außerdem die elektronische Dichte, mit mehr Schaltkreisen und Geräten pro Quadratzoll als je zuvor. Mit mehr Antennen und Sensoren erfordern Systeme mit hoher Dichte eine größere Anzahl von Verbindungen mit kleineren Verbindungsabmessungen, um in enge Räume zu passen.

Verdichtung und Miniaturisierung werden teilweise durch die steigende Nachfrage nach kleinen SWaP-Militär- und Avioniksystemen vorangetrieben, die auf engere Verbindungsabstände angewiesen sind. Eine effektive Multiport-HF-/Mikrowellen-Anschlussschnittstellenlösung sollte mehrere Koaxialkabeldurchmesser unterstützen, einschließlich flexibler und halbstarrer Kabeltypen mit 0,047 Zoll, 0,087 Zoll und 0,141 Zoll/Durchmesser, um weltweite Flexibilität in verschiedenen Anwendungen und verschiedenen Frequenzbereichen zu gewährleisten.

Ein typisches Militär- oder Avioniksystem verbindet seine Line-Replaceable-Unit (LRU) mit der Multiport-HF-/Mikrowellen-Anschlussschnittstelle. Die LRU würde mit internen Komponenten und Modulen über Steckverbinder mit kleinem Formfaktor wie verriegelbare Miniatur-Push-on-, verriegelbare Miniatur-Blindsteckverbinder oder SMP-Stecker oder direkt mit einer Leiterplatte (PCB) verbunden. Verbindungen mit phasenkritischen Anforderungen können auch mit phasenstabilen oder Siliziumdioxid (SiO2)-Kabeln hergestellt werden. Bei weniger kritischen Verbindungen werden am häufigsten Kabel mit einem Dielektrikum aus Polytetrafluorethylen (PTFE) (Teflon) verwendet, z. B. flexible oder halbstarre RG-Kabel mit kleinem Durchmesser oder eine flexible Alternative zu halbstarren Kabeln.

Für dicht gepackte In-the-Box-Anwendungen stehen neue leistungsstarke, flexible Kabelbaugruppen zur Verfügung, die um enge Ecken und dicht hinter dem Stecker gebogen werden können, um den Platzbedarf zu minimieren, Platz zu sparen und die Kabelführung zu vereinfachen.

Abhängig von den elektrischen und mechanischen Anforderungen können vielfältige Kabel auch außerhalb der LRU zum Anschluss an deren Ende verwendet werden. Beispiele hierfür sind militärtaugliche, gegen Umwelteinflüsse abgedichtete Kabelbaugruppen, die am häufigsten in Flugzeugzellenanwendungen eingesetzt werden. Diese Kabel sind in einer Vielzahl von Größen erhältlich, mit armierten Optionen für den Einsatz in Anwendungen, bei denen das Kabel einem höheren Maß an Verschleiß ausgesetzt ist, und mit leichten Optionen für Anwendungen, bei denen es auf Gewichtsminimierung ankommt. Die Auswahl der besten Kabelgröße basiert auf der Betriebsfrequenz, dem Verlust und den Leistungsanforderungen der jeweiligen Anwendung.

Es ist auch nicht ungewöhnlich, mehrere Kabeltypen in einer Reihe zu verwenden, um Installationsprobleme zu lösen oder ein gewünschtes elektrisches Ergebnis zu erzielen, beispielsweise einen bestimmten Dämpfungswert, der möglicherweise an einen anderen Teil des Flugzeugs angepasst werden muss. Multiport-Kontakte können auch kodiert werden, um Fehlsteckungen zu verhindern, wenn der Kodierungsstecker in einen der Ports gesteckt wird, um ein Zusammenstecken mit einem Stecker mit einer anderen Schlüsselanordnung zu vermeiden. Die Passung kann auch durch die Verwendung von Schalen mit unterschiedlichen Radien erfolgen.

Militär- und Avioniksysteme sind alle von Natur aus kundenspezifisch angepasst und haben ihre eigenen, einzigartigen Anforderungen an die Schnittstellen von HF-/Mikrowellenanschlüssen. Daher können die Vorteile einer Multiport-Steckerlösung im Vergleich zur Verwendung herkömmlicher HF-/Mikrowellenkabelbaugruppen erheblich sein. Wenn Sie eine Multiport-Steckerschnittstelle in Betracht ziehen, sollten spezifische Anforderungen überprüft werden, wie z. B. Frequenzbereich, Phasenanpassung, EMI usw. Für dicht gepackte Systeme, die einer Miniaturisierung bedürfen, kann eine Multiport-Steckerschnittstelle einen Verbindungsansatz bieten, der die Systemmontage beschleunigt und gleichzeitig die EMV-Anforderungen der am dichtesten gepackten elektronischen Systeme erfüllt.

AvionikHochfrequenzmilitärMultiport-AnschlüsseTed Prema

Ted Prema begann seine Karriere 1979 bei Times Microwave Systems als Programmmanager und hatte im Laufe der Jahre mehrere Management- und technische Vertriebsaufgaben in den kommerziellen und militärischen Geschäftsbereichen des Unternehmens inne. Er verfügt über umfangreiche Erfahrung in den Bereichen Anwendungstechnik, HF-Baugruppen-Designtechnik und Programmmanagement. Er erwarb seinen BSEE am Rensselaer Polytechnic Institute und seinen MBA an der University of New Haven.

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