Koaxial-Steckverbinder für einen breiten Anwendungsbereich

| Autor / Redakteur: Joyce Tseng * / Kristin Rinortner

SMA-Steckverbinder: SMA-Steckverbinder werden durch den Vormarsch von Wireless-Anwendungen immer beliebter. Was sind die Vorteile der unterschiedlichen Varianten auf dem Markt?
SMA-Steckverbinder: SMA-Steckverbinder werden durch den Vormarsch von Wireless-Anwendungen immer beliebter. Was sind die Vorteile der unterschiedlichen Varianten auf dem Markt? (Bild: Würth Electronic EiSos)

Der Bedarf an SMA-Koaxial-Steckverbindern ist exponentiell gestiegen mit der Zahl der Wireless-Anwendungen. Der Beitrag gibt einen Überblick zu den Varianten dieser HF-Steckverbinder.

In den letzten zehn Jahren hat Würth Elektronik eiSos zahlreiche Lösungen sowohl für Board-to-Board-Steckverbindungen als auch für Strom- und/oder Datenübertragungssysteme auf den Markt gebracht. Im Zuge dieser Entwicklungen wurde eine umfassende Palette von HF-Steckverbindern neu konzipiert. Koaxial-HF-Steckverbinder werden für Anwendungen in der Test- und Messtechnik, Kommunikationstechnik und in Funksystemen benötigt.

Für WLAN-Antennensysteme als auch portable Funkantennen werden vorrangig Subminiatur-Steckverbinder vom Typ A (SMA) sowohl als Standard-Verbinder als auch mit umgekehrter Polarität (SMA-RP) genutzt. Die neu entwickelten Varianten sind für einen Frequenzbereich von DC bis 18 GHz mit einer Nennimpedanz von 50 Ω ausgelegt. Die Schraubkupplung sorgt für eine sichere Verbindung selbst in hoch vibrationsbelasteten Umgebungen.

Das aktuelle Produktsortiment reicht von SMA-Steckverbindern über Adapter bis hin zu vorkonfektionierten Anschlusskabeln und umfasst eine große Anzahl von SMA-Standardlösungen. Das Unternehmen bietet SMA-Steckverbinder für Leiterplatten und Schalttafeln in rechtwinkligen oder geraden Topologien in verschiedenen Ausrichtungen und mit diversen Anschlusstypen an. Optional werden die Steckverbinder auch mit rückwärtiger Schottverschraubung sowie vielen Varianten zur Gehäusemontage geliefert.

Impedanzabgleich am Beispiel Winkelsteckverbinder

Auf dem Markt sind viele unterschiedliche Ausführungen von SMA-Steckverbindern erhältlich – von einfach herzustellenden bis hin zu sehr komplexen Typen, für die hier stellvertretend Winkelsteckverbinder diskutiert werden sollen. Die größte Herausforderung bei Koax-Steckverbindern besteht darin, eine konstante Impedanz von 50 Ω zu gewährleisten. Aufgrund der mechanischen Einschränkungen wurden in Waldenburg zwei Ausführungen entworfen: eine Einzelkontaktvariante (Bild 1 links) und eine Version mit verlötetem Kontakt (Bild 1 rechts).

Fehlanpassungen werden durch Fehler im mechanischen Aufbau des Innenleiters, Ungenauigkeiten bei den Abmessungen und eine ungeeignete Lötpaste (oder eine falsche Dosierung derselben) an der Lötstelle bei verlöteten Kontakten verursacht. Die Waldenburger präferieren Winkelsteckverbinder in der Einzelkontaktvariante, um Signalverluste an der Biegung zu minimieren.

Auch die Innenkonstruktion des SMA- Winkelsteckverbinders, wie sie in Bild 2 dargestellt ist, mit PTFE-Anteilen (weiß) und Lufträumen (grün) spielt eine große Rolle bei der Anpassung: Da Fehlanpassungen meistens am Signalleiter auftreten, müssen das zu kompensierende Luftvolumen und das PTFE-Material für eine gute Impedanzanpassung exakt berechnet werden.

In Bild 3 ist die Impedanz am Lötkontakt im TDR-Diagramm (Zeitbereichsreflexion) dargestellt. Die Impedanzabweichung vom Sollwert (rot, 50 Ω) am verlöteten Kontakt (schwarze Kurve) wird meist durch die Lötpaste an der Lötstelle und die in Bezug auf die Luftkompensation mangelhafte Innenkonstruktion verursacht.

Herausforderungen bei hohen Frequenzen

Neben rechtwinkligen SMA-Steckverbindern werden häufig sogenannte End-Launch-Steckverbinder verwendet. Diese sind mit Drehkontakten oder Flachanschlüssen für zahlreiche Leiterplattenstärken erhältlich, beispielsweise 1,1 oder 1,6 mm.

Sie unterscheiden sich von rechtwinkligen SMA-Steckverbindern nicht nur in ihrer mechanischen Stabilität, sondern sie beeinflussen auch das Layout der Signalleitung auf der Leiterplatte (Bild 4). Der Kontaktbereich (grüne Linie) zwischen dem Lötende des Sig­nalleiters und der Signalleiterbahn auf der Leiterplatte bestimmt die Güte des Impedanzabgleichs und damit einhergehend die Signalintegrität.

Durch geringere Impedanzabweichungen im Kontaktbereich kann man relativ einfach höhere Frequenzen erreichen. Wegen der kleineren und dünneren Lötenden lassen sich Flachanschlüsse relativ einfach und mit weniger starken Fehlanpassungen auf Signalleitungen umsetzen. Deshalb eignen sie sich vor allem für hohe Frequenzen.

Im Gegensatz dazu ist der Aufwand, der bei Drehkontakten unternommen werden muss, um auch für Frequenzen oberhalb von 6 GHz gute Impedanzwerte zu erzielen, ungleich höher. Ebenso ist der durch den mechanischen Aufbau bedingte Spaltunterschied zwischen Flachanschluss und Drehkontakt für den Impedanzabgleich entscheidend.

Für einen Impedanzabgleich bei 50 Ω sollte die Signalleitung auf der Leiterplatte eine niedrigere Impedanz aufweisen, um den Impedanzanstieg im Kontaktbereich von Lötende und Signalleitung auszugleichen. Aus mechanischer Sicht sind Drehkontakte allerdings robuster als Flachanschlüsse, die bei der Montage und/oder Fertigung leicht beschädigt werden können.

Standards und Protokolle wie 3G, 4G, LTE, 5G, WLAN, Bluetooth und andere IoT-Kommunikationssysteme werden in der Konsum-Elektronik, Industrie, Datenübertragung und/oder Telekommunikation häufig verwendet. Aufgrund dessen sind viele SMA-Steckverbinder für Frequenzen unterhalb von 6 GHz optimiert.

Die SMA-Konnektoren von Würth Elektronik eiSos sind dagegen für Frequenzbereiche von DC bis 18 GHz ausgelegt. So stehen Anwendern zahlreiche HF-Steckverbinder zur Verfügung, die die Design-Flexibilität erhöhen. Zudem lässt sich auch bei abweichenden Anforderungen oder Signalleitungslayouts ein guter Impedanzabgleich erzielen, wenn folgende Punkte beachtet werden:

  • Korrektur der Position der THT-Bauteile nach der Leiterplattenmontage (Bild 5).
  • Signalverlust durch einen optimierten Spalt zwischen Leiterplatte und SMT-Bauteilen (Bild 6) verringern.
  • Maßbeschränkung von End-Launch-Steckverbindern, die in der Signalleiterkonstruktion verwendet werden (Bild 7).

Bei Hochfrequenzanwendungen gestaltet sich der Impedanzabgleich in den Konstruktions- und Testphasen schwieriger als bei niederfrequenten Applikationen. Hier ist insbesondere der Signalweg zwischen den Steckverbindern und der Leiterplatte zu berücksichtigen. Deshalb stellen Fehlanpassungen bei Steckverbindern, die für hohe Frequenzen ausgelegt sind, stets ein kniffliges Problem dar. Daher ist es wichtig, frühzeitig den richtigen SMA-Steckverbinder und den richtigen Anschlusstyp auszuwählen.

Mit den Waldenburger Steckverbindern ist man übrigens fertigungstechnisch im Vorfeld nicht auf die Durchsteck- oder Oberflächenmontage festgelegt, denn die THR-Lösungen (Durchsteckmontage mit Reflow-Löten) bieten Alternativen beim Lötverfahren.

Konfektionierte Koaxialkabel, die SMA-Steckverbinder miteinander verbinden oder auf SMA-Steckverbinder mit Schottverschraubung umsetzen, sind in verschiedenen Ausführungen von flexibel bis handformbar erhältlich. Bei den Koaxial-Kabeln gibt es als flexible Lösungen RG-58C/U, RG-174/U, RG-142/U, RG-316/U, RG-316 mit Doppelgeflecht sowie bei den handformbaren Optionen Kabel mit Außendurchmessern von 3,58 und 2,16 mm.

Alle Steckverbinderkon­struktionen erfüllen den Standard MIL-PRF-39012F und sind mit MIL-STD-348-konformen Schnittstellen ausgestattet.

Kunden werden mit 3D-Modellen sowie mit Eagle- und Altium-Bibliotheken zur schnellen Entwicklung von Referenzkonstruktionen unterstützt.

Die Roadmap bei Würth Elektronik eiSos sieht vor, dass regelmäßig neue Koaxial-HF-Steckverbinder in verschiedenen Größen und mit unterschiedlichen Kupplungen auf den Markt gebracht werden. Ein zentraler Aspekt bei der Entwicklung ist die Miniaturisierung, d. h., es werden MCX- und MMCX-Baureihen folgen.

* Joyce Tseng Coaxial Connectors bei Würth Elektronik eiSos in Taipeh, Taiwan.

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