如何選擇、使用和維護適用於 RF 應用的同軸連接器

無線射頻 (RF) 電路越來越常運用在有線與無線通訊領域中，包括 Wi-Fi 與物聯網 (IoT) 所使用的各種無線技術。這些高頻訊號需要分佈在眾多系統、電路元件與次組件之間，並且必須將損耗或雜散輻射減至最低。

雖然這就是一直以來 RF 同軸纜線與連接器所扮演的角色，但設計人員在面對時間、成本與可靠度的壓力下，需要確保自己能快速挑選出最適合的 RF 連接器，並以正確的方式加以應用，使其能發揮最大效能，並擁有最長的使用壽命。

本文將從尺寸、頻率範圍、損耗以及耐用性等關鍵參數的角度檢視 RF 連接器，以幫助設計人員為自己的 RF 應用找到最適合的連接器。此外，還會提供適合的解決方案，以及有關如何應用與維護 RF 連接器的實用資訊。

RF 同軸連接器

在通訊、廣播、無線，以及測試與量測等用途中，RF 同軸連接器與纜線提供了關鍵的 RF 連接。它們在眾多 RF 系統、元件、次組件以及使用同軸纜線或帶狀線的裝置之間提供低損耗的路徑。同軸的基本架構是一條中心導體，再加上周邊以同心圓方式環繞的一圈絕緣介電層，而該結構又以圓柱形導電外殼包圍。纜線元件的尺寸必須精密管控，才能維持恆定的導線尺寸和間距，這是傳輸線路有效運作的必要條件。RF 連接器提供用於將同軸纜線與帶狀線傳輸線連接到其他元件或次組件的接點。RF 連接器能在維持恆定電氣阻抗的同時，增加聯鎖導體與鎖定機制，從而延伸同軸結構。圖 1 顯示了一對能互相配接的 Amphenol RF 超小型 A 類 (SMA) 連接器元件。

圖 1：SMA 連接器對是同軸連接器的一個例子，由圖中可看到配接的內層導體、介電層和外層鎖定導體。(圖片來源：Amphenol RF)

圖中左邊是公接頭，即插頭。右邊是連接器對的母接頭，即插孔或插座。通常插頭會有一條突出的中心導體，在導體外層的內側會有鎖定的螺紋。插座則有內凹的內部導體，螺紋位於外側。應注意，部分「反轉極性」連接器類型的鎖定螺紋分佈也會相反，公元件的螺紋在外側，母元件的螺紋則在內側。其他鎖定機制還有扭鎖、卡口式連接，或扣鎖環。

絕大多數同軸連接器 (例如此 SMA 連接器對) 都分「公母」，各自有不同的構造。也有一些連接器接面兩邊的結構是完全一樣的，這些大多是用於實驗室應用的高精密度連接器。

同軸連接器類型

RF 連接器的種類雖多，但可使用幾個關鍵參數進行區分。這些規格包括實體尺寸、阻抗、VSWR、耦合類型，以及頻寬或頻率範圍 (表 1)。

表 1：常用同軸連接器規格摘要表。(資料來源：DigiKey)

連接器頻寬

同軸連接器的關鍵規格是其頻寬。頻寬表示連接器可使用的頻率上限。連接器可使用的頻率上限取決於外殼直徑和用作介電質的材料。外殼直徑越小，可使用的頻率上限就越高。同理，使用空氣作為介電質，可獲得的頻率效能比其他介電質都高。因此，頻寬最高的連接器使用空氣作為介電質。

連接器阻抗

為確保能獲得最大功率傳輸並減少反射所造成的功率損耗，連接器的特性阻抗應與源和負載相匹配。大多數用於一般 RF 應用的連接器都是採用 50 Ω 阻抗設計；75 Ω 的連接器適用於視訊相關應用。

VSWR

電壓駐波比 (VSWR) 是配接連接器有效阻抗的一種量測方式。VSWR 越高，由於阻抗不匹配，從連接器反射的功率就越多。請注意，VSWR 取決於頻率，連接器的 VSWR 值只應在相同頻率下進行比較。

耦合機制

耦合欄列出了所採用的機械鎖定機制。在連接器會受到振動的應用中，耦合機制非常重要。耦合通常是在易於連接和穩固鎖定之間做出折衷。前面圖 1 中所示的 SMA 連接器對便是螺紋耦合的一個例子。圖 2 所示為卡口式與扣鎖式耦合的例子，分別使用 BNC 和 SMP 連接器類型。

圖 2：卡口式與扣鎖式耦合的例子。若應用方式預計會有震動情形，耦合方式便非常重要，通常會在易於使用與穩固鎖定之間做出折衷。(圖片來源：DigiKey)

連接器尺寸與耐用性

由於設計趨於微型化，因此尺寸成為連接器選擇的主要考量因素。本文所列各連接器的尺寸分類請再參照表 1。尺寸與連接器使用壽命之間也必須做出取捨。較小的連接器，可使用的連接／斷開配接循環次數通常也比較少。較大的 N 連接器耐用度可能超過 500 次配接循環，而微型 U.FL 連接器的耐用性則限於 30 次配接循環。各製造商所生產的連接器使用壽命也各不相同，若使用壽命對您而言是重要參數，請留意諮詢相關規格。

測試與量測儀器等應用方式中所使用的同軸連接器通常配接循環次數較多，多半會使用「保護接頭」。這種可與儀器連接器配接的轉接器很容易更換，採用消耗性的連接器主體，可使用多次。

連接器分類與業界規格

連接器按幾種不同的類別進行分類。表 1 中，諸如 1 mm 到 2.92 mm 的精密連接器及 N 連接器都屬於 IEEE-STD-287。這些連接器具有更精密的尺寸容差，這是根據連接器較寬的頻寬應用而決定。更多常見連接器是屬於 MIL-STD-348 或某項歐洲標準 (例如 CECC 22220)。這些連接器的容差較寬鬆，因此有節省成本的機會。

配接相容性

連接器種類與是否能和不同系列的連接器配接息息相關。表 1 中列出了幾種可互換的連接器配接方式。1.85 mm 與 2.4 mm 連接器可互換，2.92 mm 與 3.5 mm 也可互換。2.92 mm 和 3.5 mm 連接器公座可與 SMA 連接器母座配接，但整體頻寬會減少。由於這兩者的容差等級不同，因此將 SMA 連接器公座與 2.92 mm 或 3.5 mm 連接器母座配接並不是一種好的做法。SMA 較廣的機械容差可能會損壞精密連接器的插座針腳。

連接器額定功率

製造商並不會提供自家連接器的功率耗散額定值，因為這項規格主要是隨應用方式而定。功率耗散隨頻率、系統 VSWR、溫度、海拔高度與負載阻抗而變化。一般來說，功率容量會直接因為連接器的尺寸與散熱能力而變動。功率耗散上限會隨頻率增加而減少。

功率容量最佳的連接器是 N 連接器，能夠處理 300 和 400 W。BNC 與 SMA 連接器次之。精密連接器的功率上限為幾十瓦特。再次強調，若應用方式需要高功率運作，請務必聯絡製造商以取得更精確的功率耗散規格。

連接器用途

使用連接器前，請務必檢查是否有任何損壞，例如出現金屬顆粒、中心導體彎折，或是外殼碎裂或變形 (圖 3)。若有任何損壞都應修復，或更換損壞的連接器。連接器應保持清潔，不可積有污垢或其他污染物。連接器的主體應能順暢配接，不可有粘連或卡住的情況。不要強行配接；若有問題，請再次檢查連接器以判定問題來源。

配接有螺紋的連接器時，只可轉動外殼，不可轉動連接器主體或纜線。旋轉連接器主體可能會損壞中心導體。用手將外側套圈旋緊後，請使用校準過的扭力扳手來達到製造商所指示的特定鎖定扭力。

圖 3：(左) SMA 連接器示例，介電質上積有污垢和金屬顆粒；(右) 同一個連接器，使用棉花棒和異丙醇清潔之後的樣子。(圖片來源：DigiKey)

連接器的維護

連接器應保持清潔。最好的方法就是在連接器沒有使用時套上保護帽。若連接器沾染了污垢，應將其清潔乾淨。使用固體介電質的連接器可使用不起毛絨的棉花棒沾取異丙醇清潔。注意避免彎折中央導體針腳。另外，最好也一併清潔螺紋，連接器內外側的螺紋都要一起清潔。不要使用棉花棒清潔以空氣作為介電的連接器，因為溶劑可能會損壞用來固定元件的介電珠。可使用乾燥的壓縮空氣清潔這種連接器。

選擇同軸連接器

選擇同軸連接器首先要考慮的是處理使用訊號所需要的頻寬，然後再考慮尺寸和機械配置 (插頭、插座、焊接、面板安裝等)。例如，假設要為 1 GHz 的訊號產生器選擇輸出連接器。由於這是測試與量測訊號源，因此 BNC 連接器是常見的選擇。BNC 的頻寬大於 1 GHz，且可安裝在面板上作為插座。Amphenol RF 的 31-221-RFX 型號 BNC 插座是一個不錯的選擇。

若要為超過 10 GHz 的頻率訊號選擇連接器，可考慮 SMA 連接器，例如 Amphenol SV Microwave 的 SF2950-6062，或 2.92 mm 精密連接器，例如 Amphenol SV Microwave 的 SF1521-60013。選擇時可能需要在頻寬與成本之間進行權衡。2.9 mm 連接器的頻寬是 SMA 的兩倍以上，但這樣的頻寬優勢需要花上幾乎三倍的成本才能得到。

若主要注重的規格是尺寸，請考量連接器的耐用性。例如，Molex LLC 的 0734152063 型號 MMCX 插孔的額定配接次數為 500 次。Hirose Electric Co. 的 U.FL-R-SMT(10) 更小，但只能承受 30 次配接循環。成本上也可能會有顯著差異。

結論

本文檢視了 RF 同軸連接器的範圍，並總結了它們的主要特性。這為設計人員提供了一個良好的起始點，可幫助他們為其設計選擇合適的連接器。如文中所示，即使是在選擇一個看似簡單的 RF 同軸連接器時，審慎檢視工程需求都非常重要。建議設計人員進一步查詢供應商規格書，檢視更詳細的資訊。