專欄文章

無線通訊系統常會採用同軸線將天線外引佈建涵蓋，同軸傳輸線在設計上除了要滿足系統的特性阻抗外，也需考量傳輸損耗以及功率承載耐受性等，本專欄將介紹同軸傳輸線之設計參數與傳輸模態。

無線通訊系統常會因應欲改善涵蓋區域之訊號品質或提升系統收發效能，而將天線外引佈建，兩者之間的電性連接會採用同軸連接器與同軸纜線。另外，在終端裝置上，常見內部的射頻模組因考量彈性配置與減少傳輸損耗會採用同軸纜線跳線連接至基頻端，或於量測系統上之射頻訊號測試等應用，其用途非常廣泛。如圖一所示，同軸結構的組成為內導體訊號端與外導體地端，兩者之間靠著絕緣體分開，早期SMA(Sub Miniature version A)連接器內部絕緣體材質一般以聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)，或稱之鐵氟龍(Teflon)為主，其介質係數約2.2。

圖一、同軸線結構之場分佈、高階模態截止頻率與等效電路參數計算式

隨著通訊系統頻段日趨增高，考量操作頻段之電氣特性與滿足結構強度等，常見如RF 3.5mm至1mm形式，其中間的傳輸媒介已轉為空氣為主。同軸電纜線的傳輸主模態為橫向電磁波(Transverse Electromagnetic Wave, TEM)，但當操作頻率越高時，會激發高階模態，造成傳輸特性同時存在兩個模態，使得無法有效掌握效能。而同軸傳輸線第一個會被誘發之高階模態為TE₁₁，其電場分佈可參照圖一，一般來說，同軸纜線的a與b尺寸越小，其第一高階模態截止頻率會提高，從計算式可以發現當減少a與b大小，其截止波數K_c(Cut-off Wavenumber)值會提高，因此，截止頻率f_c即會往高頻偏移，實際應用上其運作頻率仍需略低(約5%)，預留餘裕以確保傳輸效能穩定性。

如表一所示為幾種常見之RF連接器形式，包括: 3.5mm、2.92mm、2.4mm、1.85mm與1mm，其尺寸表示為同軸連接器之外導體內徑大小，因此，當內外導體之內徑同時縮小其操作頻率可以提升。SMA與3.5mm兩者的差異在於SMA中間的絕緣體是用PTFE，而3.5mm則用空氣當介質，因此，3.5mm不論在操作頻段，其電性中的傳輸損耗與機械強度也較SMA為佳。另外，需特別注意SMA、3.5mm、2.92mm三者可以互相連接，而2.4mm、1.85mm兩種規格可以配對連接，但不能將這兩個族群作連接使用，否則會導致連接器結構上之損壞。

表一、不同同軸連接器之結構差異與適用頻段

圖二為同軸結構之阻抗、截止頻率與等效L與C值設計軟體工具，輸入外導體內徑(D)與內導體內徑(d)與兩者中間之絕緣體介質係數(ε_R)，即可獲得相關的設計參數。雖然同軸纜線可藉由調整內外導體之內徑來設計運作頻段，但同軸線之線徑縮小對於高功率傳輸系統而言較無法承載，因此，仍需端看實際的應用選擇合適的纜線規格。另外，對於未來6G太赫茲的應用，AiP模組的訊號外引連接測試，相關的量測接頭與線材也將會面臨更大的設計挑戰。

圖二、同軸結構之阻抗、截止頻率與等效L和C值設計計算

參考資料：

[1] David.M.Pozar, “Microwave Engineering”, 4ed, Wiley, 2012.

[2] http://na.support.keysight.com/pna/connectorcare/What_mates_with_what.htm

[3] https://www.microwaves101.com/calculators/863-coax-calculator

[4] https://www.maurymw.com/pdf/datasheets/5A-021.pdf