Koaxialstecker für HF-Anwendungen Darauf muss man bei HF-Steckern achten

Bild 1: Das SMA-Steckverbinderpaar ist ein Beispiel für einen Koaxialsteckverbinder. Im Bild sind der Innenleiter, das Dielektrikum sowie der Außenleiter mit Verriegelung zu sehen.
Bild 1: Das SMA-Steckverbinderpaar ist ein Beispiel für einen Koaxialsteckverbinder. Im Bild sind der Innenleiter, das Dielektrikum sowie der Außenleiter mit Verriegelung zu sehen.

Bei der Weiterleitung hochfrequenter Signale stehen Entwickler vor der Herausforderung, den optimalen HF-Steckverbinder für ihre Anwendung auszuwählen und korrekt zu integrieren. Einen Ausgangspunkt bei der Entscheidungsfindung bietet folgender Artikel.

Von Rich Miron, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics

HF-Koaxialsteckverbinder und -Koaxialkabel werden in Kommunikations-, Übertragungs- und Drahtlosanwendungen sowie in der Prüf- und Messtechnik für wichtige hochfrequente (HF) Verbindungen verwendet. Sie sorgen für verlustarme Pfade zwischen HF-Systemen, Komponenten, Unterbaugruppen und Geräten. Die grundlegende Koaxialstruktur besteht aus einem zentralen Innenleiter, der konzentrisch von einer Isolierschicht (Dielektrikum) umgeben ist. Diese wiederum befindet sich innerhalb eines zylinderförmigen Außenleiters. Die Abmessungen der einzelnen Kabelelemente sind präzise abgestimmt, um konstante Leiterabmessungen und -abstände zu gewährleisten, was für die effiziente Funktionsweise als Übertragungsleitung erforderlich ist. HF-Steckverbinder fungieren als Verbindungselemente von Koaxialkabeln und Bandleitungen mit anderen Komponenten oder Unterbaugruppen. Sie erweitern die Koaxialstruktur um zusammensteckbare Leiter sowie einen Verriegelungsmechanismus, wobei eine kon­stante Impedanz beibehalten wird. Bild 1 zeigt beide Hälften eines SMA-Steckverbinders von Amphenol RF.

Links ist der Stecker zu sehen, das rechte Bild zeigt die Buchse des Steckverbinders. In der Regel verfügt der Stecker über einen vor­stehenden, zentral angeordneten Leiter sowie einen Außenleiter mit Innengewinde. Die Buchse weist einen vertieften Innenleiter und ein Außengewinde auf. Zu beachten ist, dass bei manchen verpolungssicheren Steckverbindern die Anzugsgewinde umgekehrt sind. Das Außengewinde befindet sich dann an der männlichen und das Innengewinde an der weiblichen Steckerhälfte. Weitere mögliche Verriegelungsmechanismen sind Dreh-, Bajonett- oder Schnappverschlüsse. Die meisten Koaxialsteckverbinder sind, so wie auch dieser SMA-Steckverbinder, „geschlechtlich“ und weisen an den beiden Hälften unterschiedliche Strukturen auf. Manche Steckverbinder verfügen über Hälften mit identischen Strukturen. Hierbei handelt es sich in den meisten Fällen um hochpräzise Steckverbinder, die für Laboranwendungen vorgesehen sind.

Ausführungen von
Koaxialsteckverbindern

Es gibt unzählige HF-Steckverbinder, die sich durch verschiedene Hauptparameter unterscheiden. Zu diesen Spezifikationen zählen Größe, Impedanz, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), Art der Kopplung und Bandbreite bzw. Frequenzbereich (s. Tabelle).

Bandbreite und Impedanz

Die Schlüsselspezifikation eines Koaxialsteckverbinders ist seine Bandbreite. Sie gibt die höchste Frequenz an, für die der Steckverbinder verwendet werden kann. Diese maximale Frequenz  ist eine Funktion des Durchmessers der Außenhülle und des als Dielektrikum verwendeten Materials. Je kleiner der Hüllendurchmesser ist, desto höher ist die Frequenz. Ebenso bietet die Verwendung von Luft als Dielektrikum relativ zu anderen Dielektrika die höchste Frequenzleistung. Daher kommt in den Steckverbindern mit der höchsten Bandbreite Luft als Dielektrikum zum Einsatz.

Um die maximale Leistungsübertragung zu gewährleisten und Leistungsverluste durch Reflexionen zu verringern, sollte die charakteristische Impedanz des Steckverbinders der der Quelle und der Last entsprechen. Die meisten Steckverbinder für allgemeine HF-Anwendungen verfügen über eine Impedanz von 50 Ω, für Videoanwendungen sind dagegen Steckverbinder mit 75 Ω verfügbar.

Hohe VSWR = mehr Leistung

Das Stehwellenverhältnis (VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) ist ein Maß für die wirksame Impedanz des gekoppelten Steckverbinders. Je höher die VSWR, desto mehr Leistung wird vom Steckverbinder aufgrund von Impedanzfehlanpassungen reflektiert. Da die VSWR eine Funktion der Frequenz ist, sollten die VSWR-Werte von Steckverbindern nur bei derselben Frequenz verglichen werden.

Kopplungsmechanismus

In der Spalte mit der Kopplungsmethode ist angegeben, welcher mechanische Kopplungsmechanismus verwendet wird. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen, in denen der Steckverbinder Vibrationen ausgesetzt ist. Bei der Kopplung geht es in der Regel darum, einen Kompromiss zwischen einfacher Verbindung und sicherem Halt zu finden. Der SMA-Steckverbinder aus Bild 1 stellt ein Beispiel für eine Gewindekopplung dar. Bild 2 zeigt Beispiele für die Bajonett- und Einrastkopplung an BNC- bzw. SMP-Steckverbindern.

Größe und Haltbarkeit

Angesichts des Trends zur Miniaturisierung spielt die Größe bei der Auswahl eines Steckverbinders eine wichtige Rolle. Die Größenklassen der Steckverbinder sind ebenfalls in der Tabelle angegeben. Hierbei besteht ein Zusammenhang zwischen Größe und Lebensdauer des Steckverbinders. Kleinere Steckverbinder bieten tendenziell weniger Steckzy­klen. Während mit dem größeren N-Steckverbinder über 500 Steckzyklen möglich sind, bietet der Mikrominiatur-U.FL-Steckverbinder lediglich 30 Steckzyklen. Die Lebensdauer jedes Steckverbinders variiert abhängig vom Hersteller. Daher sollten Entwickler unbedingt die Spezifikationen des Steckverbinders lesen, falls die Lebensdauer ein wichtiger Parameter ist.