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UTN FRBA Medidas Electrónicas II. Unidad Temática Nro.1. Conectores Coaxiales para RF y Microondas. Rev.5 – 9/04/2012. UTN FRBA Medidas Electrónicas II. Introducción.

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Unidad tem tica nro 1

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Medidas Electrónicas II

Unidad Temática Nro.1

Conectores Coaxiales para RF y Microondas

Rev.5 – 9/04/2012


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Medidas Electrónicas II

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 50’s 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]

εr = 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:

  • Ciclos 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 (< 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/Connector_Care.htm

http://www.maurymw.com/prodvideos/mmc_demo_videos.html

http://www.microwaves101.com/encyclopedia/connectorcare.cfm

Lo que no se debe hacer:

http://www.microwaves101.com/encyclopedia/connectortrashed.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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