RF 纜線組件挑選和使用的工程師指南

RF 纜線組件應用廣泛，從航太和通訊等成熟領域，到汽車、工業和物聯網 (IoT) 等較新的使用情境。在應用不斷擴大下，也促使新型 RF 纜線組件的開發，為工程師提供進一步讓 RF 系統設計達到最佳化的機會。

然而，這些增長會讓設計流程複雜化。市場上已經有多樣組件，很難針對特定應用判定最佳選擇為何。此外，在新式應用中使用 RF 纜線會讓更多設計人員、安裝人員和維護技術人員接觸不熟悉的技術。除了空間和環境方面的考量外，這些團隊現在還必須熟悉頻率相容性、阻抗匹配、電壓駐波比 (VSWR)、磁耦合和屏蔽。

為了確保 RF 系統的效能和可靠性，工程師需要一套謹慎的作法，也要清楚瞭解可用選項的路線圖與未來可能遭遇的潛在困難。

本文會先概述 RF 應用，包括其電氣特性、物理結構和典型使用案例，接著會針對 RF 纜線組件複雜的挑選、安裝與維護作業提供指引。會以 Molex 的範例來說明主要的挑選和使用條件。

RF 纜線組件逐漸擴大的使用情境

RF 技術跨越眾多領域，每個領域都有其獨特的挑戰。頻率範圍介於數百 Hz 到數十 GHz。某些應用需要進行強固化。有些應用的實體覆蓋區則極度受限。為了說明使用案例的多樣性，可試想以下常見應用：

• 航太和國防：雷達系統、通訊頻道和 GPS
• 汽車和運輸：車用資訊娛樂系統、導航和車載通訊網路
• 電信和廣播：通過 Wi-Fi、LTE 和 5G 網路傳輸8K 視訊訊號
• 工業：IoT 感測器、自動化組裝線和遙測
• 醫療：遠端病患監測系統、先進的診斷機械和機器人手術單元
• 測試和量測：製造設施中的指標測量、現場測試和品質保證

由於 RF 的使用越來越多，越來越多工程師和設計人員開始採用高頻電路，但許多人都沒有這項技術的背景知識。在緊迫的期限和預算下，他們需要可簡化任務的解決方案，更要確保系統能可靠運作。

此時，RF 纜線組件就可派上用場。這些組件由預先組裝的連接器和纜線組成，符合指定的效能要求，同時可減少工程工作量。使用預製的 RF 纜線組件就可在設計與原型製造時節省時間和成本，並提高生產的品質和效率。

頻率相容性、阻抗匹配和 VSWR

挑選合適的纜線組件需要仔細考量多個因素。首先，組件必須要配合 RF 訊號的頻率範圍。範圍可以從幾百 Hz 到 3 至 30 GHz 或更高的超高頻 (SHF) 水準 (圖 1)。

圖 1：RF 纜線組件有多種設計，可依據連接器的尺寸及其支援的最大頻率等因素進行分類。(圖片來源：Molex)

為了達到所需效能，纜線組件必須可處理適當的頻率範圍，而不會出現明顯的訊號損耗或失真。例如，美國電影電視工程師協會 (SMPTE) 就在 2082-1 準則中制訂了嚴格的訊號品質要求，在一半的時脈頻率下，損耗需限制在 40 dB 以內。

有個方法可符合這些要求，就是採用 Molex 的 BNC Mini RF 纜線組件，可在高達 12 GHz 頻率下提供高回波損耗效能。此效能超過 8K 高解析度電視 (HDTV) 視訊的序列傳輸要求，可在不變更硬體的情況下，允許日後頻寬擴充。

阻抗匹配是另一個關鍵參數。RF 訊號容易受到訊號線沿線阻抗不匹配所引起之入射波和反射波的干擾。為了將訊號損耗降至最低，纜線組件應具有與連接負載相同的阻抗，通常為 50 或 75 Ω。最好一同設計連接器和纜線，以達到最佳匹配。

這種做法有個真實範例就是 0897629290 組件，會將 Molex 的 BNC 連接器與 Belden 的 4794R 電纜湊成對，以用於高階 75 Ω 應用。

針對測試和測量等要求特別嚴格的應用，可能要仔細考量其他參數，如 VSWR 和插入損耗。VSWR 是入射訊號與反射訊號的比值，可用於衡量 RF 訊號從來源到負載的傳輸效率。插入損耗是指訊號沿著連接器和纜線傳輸時損失的能量。圖 2 說明每個參數的一些範例。

圖 2：在此顯示高效、低損耗、微波頻率纜線的 VSWR 和插入損耗指數範例。(圖片來源：Molex)

屏蔽、磁耦合和其他注意事項

屏蔽是另一個重要的考量。任何承載 RF 訊號的纜線都可以像天線一樣廣播或接收訊號，因此會產生干擾。為了將干擾降至最低，纜線必須用接地的金屬外罩進行屏蔽 (圖 3)。

圖 3：此為典型的屏蔽纜線。從纜線內部開始是線芯導線、將線芯與屏蔽層隔開的介電材料、編織金屬屏蔽層，最後則是纜線護套。(圖片來源：Molex)

屏蔽材料的選擇受一系列因素影響，包括效能要求、環境條件和預算限制。舉例而言，銅對大多數頻率都非常有效，但也相對較重且成本高昂，而鋁重量輕且價格低廉，但效果較差且更容易腐蝕。

屏蔽的形式也要納入考量。RG-136 纜線搭配金屬編織層，如 0897616761 MCX 組件，就可提供出色的機械強度和實體保護。相比之下，箔片屏蔽通常由鋁層壓到聚酯或聚丙烯薄膜上製成，是一種輕巧、廉價且彈性的替代品。還有其他類型，例如螺旋、膠帶和綜合材質，在頻率覆蓋百分比、彈性、壽命、機械強度、成本和端接難易程度方面各不相同。

可能還有一些應用的獨特要求要納入考量。例如，醫療應用通常就有感測器，會受到磁場影響。在此，0897616791 MMCX 纜線組件就是個可行的選擇，因為這些組件提供非磁耦合款式，可達到更好的設計相容性。

空間限制、環境危害和維護

在考量物理參數時，空間和佈線的限制通常是主要障礙。以國防應用為例，就是出了名的擁擠侷限。對此，0897611760 SSMCX 纜線組件會是較實用的解決方案。SSMCX 連接器是市面上最小的連接器之一，提供垂直和直角方向，可因應艱鉅的空間和佈線限制。

設計人員在挑選組件時也要考量最小彎曲半徑。由於結構複雜，RF 纜線往往相當堅硬。對於需要急轉彎的情況，可參考 Molex 的撓性微波組件等解決方案 (圖 4)。這些纜線專為較小的靜態彎曲半徑而設計。

圖 4：此範例為靜態彎曲半徑較小的 RF 纜線。(圖片來源：Molex)

極端溫度也可能造成問題，特別是電信領域等戶外應用。對於此類應用，RF 纜線組件上常用的熱塑性護套就不適合。反之，要用更耐用的材料。例如，前面提到的撓性微波組件就採用 Temp-Flex 氟化乙丙烯 (FEP) 材料作為護套；這是一種類似聚四氟乙烯的堅韌材料。

振動和衝擊可能會影響設計，尤其是在航空等應用中。為確保可靠運作，使用的 RF 纜線組件必須具備超凡牢固的連接。有個很好的例子是 Molex 的 0732306110 纜線組件，採用該公司專利的 MHF 連接器鎖定機制 (圖 5)。

圖 5：Molex 的 MHF 連接器系統使用專利的鎖定機制來確保連接牢固。(圖片來源：Molex)

維護也要納入設計流程的考量之中。重點在於查看纜線組件的平均故障間隔時間 (MTBF)，並考量如何安排容易維護和維修的設計，且要有合理的進出口，以便接觸可能最常需要照料的子組件與連接。

設計人員也要考慮針對正常維護制定檢查排程，並製作使用者檢查表，以檢查纜線組件是否有需要維修或更換的跡象，以便積極管理相關障礙。常見的維護步驟包括檢查組件是否磨損、清潔纜線和連接器，以去除污染物，以免滲透連接並降低效能。

最後，評估纜線組件的製造商也很重要。評估條件包括是否具備妥當的認證、生產相關組件的經驗、充裕的產品選項以支援設計靈活性，以及品質保證程序以免出現效能問題。例如，Molex 一直是纜線和連接器技術的領先開發商，其眾多創新具有 8,100 多項專利的後援，更在品質和技術支援方面享有盛譽，包括客製化纜線建立工具。

結論

挑選合適的 RF 纜線組件並不容易，因為必須瞭解並仔細考量諸多因素，如頻率相容性、屏蔽、環境條件、空間限制和維護等。如本文所述，與經驗豐富的製造商合作，就可享受其專業知識、品質保證和創新，而這可能就是應對這些挑戰的關鍵，特別是對剛接觸 RF 的工程師和設計人員而言。這樣的合作夥伴可以在在挑選、安裝和維護這些纜線的過程中提供指引，確保裝置和系統發揮最佳效能。