瞭解及挑選 GHz 等級同軸連接器與纜線組件

無線射頻 (RF) 連接器及其完整的同軸纜線組件，可在電路板、子組件與底盤之間提供必要的訊號路徑。適當的連接器至少可提供必要的最低電氣效能以及機械強固性。然而，已經服役數年的 RF 連接器系列，包括卡口固定式 BNC 連接器，礙於實體體積與效能的限制，已經不敷使用。

為了因應如今設計的眾多難題，工程師可從眾多主要系列中，挑選現成的指定類型使用，每一項產品多少都兼具更高頻寬、較小體積，並使用更細的同軸纜線。這些連接器提供多種 PC 板端接樣式以及纜線端接類型，可因應眾多類型的實際安裝優先順序。因此設計人員必須先挑選適當的連接器系列，以滿足設計需求，然後才挑選該系列中的樣式。

本文將查看五種常用的 GHz 等級 RF 連接器系列。也會探討使用 Würth Elektronik 的 眾多系列元件，將纜線組件與選定連接器端接完成後的密切相關問題。

RF 連接器的基本知識

瞭解連接器相關的術語相當重要。「連接器」是指金屬端接部分，可在必要時配接與分開。「纜線」是指含有內部銅導線、間隔介電質、外層屏蔽以及連接器安裝處的絕緣層所構成的同軸電線。「纜線組件」是纜線搭配一端或兩端安裝連接器所組成。然而，「纜線」一詞經常在一般對話中用於「纜線組件」中，其真正的意義通常從上下文就可清晰得知。我們將在本文中以其嚴格的定義使用這些詞彙。

連接器屬於被動元件，不會提供任何訊號處理或增進功能，在幾乎任何產品設計中都屬於必備要素。「理想」的連接器可提供關鍵的機械屬性，例如便利的配接與分離、機械與電氣完整性，且應該達到電氣隱蔽性，沒有 DC 電阻或 RF 阻抗不連續性。連接器在設計、製造與使用的難度，會隨著工作頻率而增加。隨著工作頻率需求延伸到 RF 頻域，且進入甚至高出 GHz 等級，必要的機械結構精密度也逐漸增加，也連帶影響許多關鍵效能屬性與參數。

典型的連接器，例如 BNC，就有提供 50 Ω 與 75 Ω 款式 (後者用於視訊與電視)，且自 1950 年代開始就廣泛運用到如今 (圖 1)。此鎖定連接器可透過「卡口」系統，三分之一轉即可達到快接／斷開動作。雖然頻率響應的正式額定值為 4 GHz，但連接器在更高頻率時，損耗通常會增加到無法接受的程度。以物理來說，這並不適合如今小巧緊湊式封裝的設計，因為完整的纜線組件具有相對大的尺寸，且最小彎曲半徑也大。

圖 1：BNC 連接器含有卡口主體鎖，且自 1950 年代早期開發就廣泛運用至今，但對於如今高頻率、空間受限的應用來說，在電氣或機械性上並非良好的選擇。公端插頭通常會搭配纜線組件 (左)；母端插孔 (右) 則用於儀器面板。(圖片來源：Wikipedia、Pinterest)

新應用的更新系列

目前已經有許多業界標準連接器系列，更適合用於更高頻率且更小巧的應用。其中最常見的包括 SMA、SMB、SMP、MMX 與 MMCX 系列，皆有標準 50 Ω RF 阻抗值。各提供不同的電氣與機械特性組合。相較於 17 mm 直徑的 BNC 連接器，這些連接器的直徑小很多，只在 5mm 之譜。

本文將查看各系列中的單一款連接器。然而，各系列中的其他產品也有幾乎相同的電氣規格，但差異甚大的機械性配置與排列。包括印刷電路板 (PCB) 款式搭配直角主體或直式主體，以及表面黏著、通孔或末端裝接；背面安裝隔板類型；面板安裝款式搭配焊杯、扁平接片或圓柱連接。還有不同的排列可配接纜線末端的連接器，例如直式與直角樣式。

光一個連接器類型就有如此多選項，對設計人員來說其實是好事，因為這可提升找到現貨供應產品的機率，不僅符合指定型式，也適合產品的設計與限制。也就是說，不太需要，甚至完全無需改變產品的機械設計優先考量。現在，讓我們仔細查看這五個系列：

•SMA：超小型 SMA 系列同軸連接器採用螺紋耦合技術設計，可確保在面對劇烈振動時維持高機械穩定性 (圖 2)。連接器的固定中心觸點與絕緣體可提升軸向力與扭力。中心觸點經過厚膜鍍金，可增強電氣效能並提升至多達 500 次插拔次數。

圖 2：超小型 SMA 系列連接器採用螺紋耦合，可在劇烈振動下增強機械完整性。(圖片來源： Würth Elektronik)

此類型連接器有個良好範例，就是 Würth Elektronik 的 60312242114510 DC 對 10 GHz SMA 連接器插孔搭配母座 (圖 3)。此設計適合板緣用途與末端裝接定向。此面板安裝和接連接器亦隨附正面螺帽與鎖定墊圈，有利於隔板 (面板) 安裝，能為最終產品增添堅固性。

圖 3：60312242114510 DC 對 10 GHz SMA 連接器插孔搭配母座，含有正面螺帽與相關鎖定墊圈，可在面板或隔板安裝時增添機械完整性 (所有尺寸皆為 mm)。(圖片來源：Würth Elektronik)

主要的 RF 規格包括在 DC 至 12.4 GHz 時，電壓駐波比 (VSWR) 低於 1.2，插入損耗 (IL) 低於 0.14 dB；在 12.4 至 18 GHz 時，VSWR 與 IL 各為 1.4 與 0.2 dB。

•SMB：SMB 系列連接器的設計可用於卡扣式耦合，其寬頻能力介於 DC 至最高 4 GHz。比 SMA 系列連接器還小，因此非常適合電路小型化用途。在可用的 SMB 連接器中，有通孔與表面黏著的 PC 板插座，以及插頭與插孔用的卡緣及纜線連接器 (圖 4)。

圖 4：SMB 連接器屬於卡扣式裝置，比 SMA 連接器還小且無螺紋，並可提供多種配置。(圖片來源：Würth Elektronik)

61611002121501 就是 SMB 連接器的例子之一，此公引腳、直角、通孔、焊接連接器插孔，具有 1.5 VSWR 以及低於 0.2 dB 的插入損耗 (圖 5)。如同 SMA 裝置，插拔次數額定值為 500 次。

圖 5：61611002121501 SMB 連接器屬於卡扣式直角單元，可進行通孔板安裝與焊接，比 SMB 單元還小，但具有可媲美的規格。(圖片來源：Würth Elektronik)

•SMP 系列：這些小型連接器具有滑入與卡扣特點，可用於高達 40 GHz 的應用。提供三種介面類型：全「凹陷」具有最大固定力，可提供高抗振力 (100 次插拔)；有限凹陷具有中至低固定力 ( 500 次插拔)；平滑孔 (1000 次插拔) 具有最小固定力，可透過滑動觸點達到，適用於模組化系統與應用 (圖 6)。

圖 6：SMP 系列連接器提供多種固定力額定值，包括有限凹陷 (左) 提供中至低固定力與 500 次插拔；平滑孔 (右) 具有最低固定力但插拔次數加倍。(圖片來源：Würth Elektronik)

此系列連接器的例子包括 60114202122305 表面黏著、卡緣連接器，具有延長焊接腳，可用於最大厚度達 1.2 mm 的電路板 (圖 7)。在 DC 至 12 GHz 下，可達到 1.5 VSWR 以及 0.42 dB 的插入損耗指定效能。

圖 7：60114202122305 是 SMP 系列的平滑孔卡緣連接器，額定值為 12 GHz。(圖片來源：Würth Elektronik)

•MCX 系列：MCX (極細同軸) 系列連接器具有卡扣式耦合機制，可達到快速便利的連接，預定可在 DC 至 6 GHz 下操作 (圖 8)。這些連接器相容於 IEC 61169-36《無線射頻連接器 -第 36 篇：微小型 RF 連接器具有卡扣式耦合 - 特性阻抗值為 50 Ω (MCX 型)》。

圖 8：MCX 連接器系列是更進一步縮小的卡扣式連接器系列，相容於 IEC 61169-36。(圖片來源：Würth Elektronik)

60612202111308 是 MXC 系列中的表面黏著邊緣裝接插孔，適用於厚度達 1.6 mm 的板件。具有 1.3 VSWR，在工作範圍內的插入損耗為 0.25 dB，並具有 500 次插拔額定值。

圖 9：MCX 系列 60612202111308 表面黏著邊緣裝接插孔，在 6 GHz 下的插入損耗僅有 0.25 dB。(圖片來源：Würth Elektronik)

•MMCX 系列：這些連接器相較於 MXC 連接器縮小大約 30%，非常適合需要超小型設計的應用 (圖 10)。採用卡扣式耦合機制，可輕鬆快速連接並且符合 IEC 61169-36。

圖 10：MMCX 系列連接器比 MCX 系列還小約 30%，但在 RF 效能上可加以媲美。(圖片來源：Würth Elektronik)

以 66046011210320 MMCX 插頭為例，屬於 MMCX 系列中公引腳、「自由懸掛式」(直列)、壓接連接器 (圖 11)。此 6 GHz 連接器可搭配 RG174、RG316 及 RG188 同軸纜線使用，具有 1.3 VSWR 及 0.3 dB 的插入損耗。

圖 11：66046011210320 MMCX 插頭的設計可壓接到 RG174、RG316 及 RG188 同軸類型纜線上。(圖片來源：Würth Elektronik)

專用型連接器、配接器讓系列產品更加完備

有鑑於連接器種類繁多，需要使用配接器在系列之間達到互連是無可避免的情況。Würth Elektronik 提供多種完整的配接器系列，可支援一種連接器類型與極性轉接至另一種，例如從 SMA 插頭與插座轉接到其他連接器插頭與插孔系列 (圖 12)。

圖 12：在此顯示多種可用的 SMA 插頭與插孔配接器，可順利轉接到 SMB、MCX與 MMCX 系列的多種類型連接器。(圖片來源：Würth Elektronik)

還有另一種特殊的連接器類型容易讓設計人員在一開始時搞混：反轉極性 (RP) 連接器。在標準連接器配置中，插頭有公端 (引腳) 中心觸點，插孔則有對應的母端 (插座)。但在美國，聯邦通訊委員會 (FCC) 的規範則強制要求在某些獨特情況中具有逆向「極性」。

此情況要追溯數十年前，消費性用途的 Wi-Fi 無線路由器剛推出之際。一開始的設計只有有限的訊號範圍，因為採用小型天線，並在底座使用連接器，直接螺絲固定在 Wi-Fi 機的天線連接上，因此無法重新移位。然而，FCC 擔心最終使用者會試著用附加放大器及／或外接天線的方式來擴大裝置的訊號範圍，進而導致 Wi-Fi 頻段干擾。「解決方案」是試著避免此類附加元件輕鬆連接，因此規定在這些無線裝置 (通常採用 SMA 連接器) 上採用 RP 連接器，因此就無法與標準附加元件相容 (圖 13)。

圖 13：RP SMA 插頭與插孔連接器相較於傳統 SMA 連接器，中心導線極性剛好相反；由左至右依序為標準 SMA 公端連接器、SMA 標準母端連接器、RP-SMA 母端連接器、RP-SMA 公端連接器。(圖片來源：Wikipedia)

但在短時間內，纜線組件與 RP 連接器對端接的情況已經很常見，而且對於外接、重新移位的 Wi-Fi 天線等裝置來說，已經成為標準的附加元件 (圖 14)。

圖 14：此外接 Wi-Fi 天線可四處移動，以找到最佳位置，且連接器採用 RP-SMA，因此相容於 Wi-Fi 路由器上的天線介面。(圖片來源：Amazon)

圖 15：反轉極性 (RP) 連接器提供多種電路板樣式以及纜線端接配置。(圖片來源：Würth Elektronik)

RP-SMA 插孔連接器的例子之一就是面板安裝、通孔焊接的 63012042124504 (圖 16)。此連接器在 DC 至 12.4 GHz 及 12.4 至18 GHz 之間具有 1.2 VSWR，在此兩個範圍內的插入損耗分別為 0.14 dB 與 0.2 dB。

圖 16：63012042124504 屬於反轉極性 SMA 連接器，專為通孔安裝與焊接而設計。(圖片來源：Würth Elektronik)

用纜線與組件完成連接

連接器僅是 RF 訊號路徑場景的一部份而已，其插頭通常會配接標準同軸纜線，如 RG174、RG316 與 RG188 等等。雖然都是 50 Ω 纜線，可用於 RF 作業 (75 Ω 纜線與連接器可用於視訊系統)，但在眾多層面上皆有所不同，包括頻率範圍、衰減、直徑、介電類型、相位特性、功率處理能力、最小彎曲半徑、外部襯套，以及其他機械與電氣屬性 (圖 17)。

圖 17：設計人員可在多種 50 Ω 同軸纜線中挑選，但在機械與電氣特性上有所不同。在此顯示一些常見標準同軸纜線的衰減與頻率間關係，這是相當重要的規格。(圖片來源：Würth Elektronik)

設計人員也要決定是否要自製同軸纜線組件，或直接購買成品，這是相當經典的「自製或購買」抉擇問題。透過「自製」，必要時就可用選定的連接器端接這些同軸纜線，但這並不容易，因為在許多情況下需要技能、練習、時間、適當的壓接工具和其他加工。

此外，這些完成的纜線組件不只需要簡單的連續性測試而已，還要通過 RF 效能因素的檢查，例如頻寬與平坦度、阻抗不連續性、損耗、相移等等因素。這些電氣測試需要時間以及複雜的測試設備，而組件則需要透過防拉裝置增添額外所需的機械堅固性。

幸好，纜線組件的標準庫存品提供多種長度，可用於最常見的纜線與連接器類型。此外也提供客製化的長度與連接器配對，交貨時間也相當快。舉例來說， Würth 的 65503503530505 是 12 in/305 mm 纜線組件，每一端具有直式 SMA 公端插頭，採用 RG-316 同軸纜線 (外徑 0.102 in/2.59 mm)，且在連接器／纜線接面額外包覆熱縮管，達到防拉與堅固性。

圖 18：65503503530505 是標準 12 英吋同軸纜線組件，採用 RG-316 纜線，在每一端採用直式 SMA 公端插頭；請注意，連接器與纜線之間需有防拉裝置。(圖片來源：Würth Elektronik)

此纜線組件的規格書含有完整的機械與材料詳情與尺寸，以及在 DC 至 6 GHz 下的 VSWR (1.3) 與插入損耗 (1.2 dB) 保證規格。也有表格顯示每 100 英尺的衰減與頻率關係，因此使用者可快速判定此纜線組件樣式的長度或任何選定長度時的衰減。

圖 19：在此顯示 65503503530505 纜線組件的衰減與頻率關係。(圖片來源：Würth Elektronik)

廠商提供的纜線組件相當多種，不限於每一端都要使用相同的連接器類型，甚至還可直接解決互連與轉換的問題。舉例來說，65530260515303 屬於短纜線組件 (6 in/125 mm)，採用 RG-174 纜線，一端搭配 RP-SMA 隔板公端插孔，另一端則搭配直式 MMCX 公端插孔 (圖 20)。

圖 20：纜線組件亦可在不同連接器系列之間進行轉接；以 65530260515303 組件為例，就採用 RG-174 纜線，在一端使用 RP-SMA 隔板公端插孔，另一端使用直式 MMCX 公端插孔。(圖片來源：Würth Elektronik)

使用這些連接器與纜線組件時還有一件事要謹記在心：這些元件尺寸小，鎖緊或鬆開其螺紋主體時，有時並不容易處理。此外，旋緊時須遵守指定的扭力值：扭力太小可能接觸不可靠；扭力太大，螺紋可能受壓力而變形，會導致配接／分離次數有所降低。有鑑於此， Würth Elektronik 提供 6006330101 WR-Tool 小型扭力扳手，可用於所有 WR-SMA 連接器 (圖 21)。

圖 21：6006330101 WR-Tool 可確保 SMA 連接器螺紋主體施加正確一致的扭力，這對小型尺寸的 SMA 主體來說其實並不容易。(圖片來源：Würth Elektronik)

使用此工具就可確保施加的連接器扭力達到指定位準，藉此確保正確的接觸配接，達到最大可靠度與一致的效能。

結論

面對延伸至 GHz 頻率範圍的 RF 電路與系統時，設計人員有多種連接器可供選擇，並可搭配不同的尺寸、主體樣式、極性排列與其他關鍵參數。挑選具有適當電氣與機械規格的連接器，然後正確施加扭力，就可迎刃而解，確保在電路、子電路與系統之間達到可靠一致、低損耗的訊號路徑。