射頻電纜組件選擇和使用工程師指南

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

射頻電纜組件應(yīng)用廣泛，既包括航空航天和通信等成熟領(lǐng)域，也包括汽車、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 等新興行業(yè)。應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大促進(jìn)了新型射頻電纜組件的開發(fā)，為工程師優(yōu)化射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多機(jī)會(huì)。

然而，所有這些增長(zhǎng)都使設(shè)計(jì)過程變得更加復(fù)雜。市場(chǎng)上有如此之多的組件，很難為特定應(yīng)用確定最佳選擇。此外，射頻布線在新應(yīng)用中的使用也讓更多的設(shè)計(jì)人員、安裝人員和維護(hù)技術(shù)人員不得不面臨棘手的陌生技術(shù)。除了空間和環(huán)境方面的考慮，這些人員現(xiàn)在還必須熟悉頻率兼容性、阻抗匹配、電壓駐波比 (VSWR)、磁耦合和屏蔽。

為了確保射頻系統(tǒng)的性能和可靠性，工程師們需要采用細(xì)致入微的方法和清晰的路線圖，以了解等待他們的選擇和潛在隱患。

本文首先簡(jiǎn)要介紹了射頻應(yīng)用，包括其電氣特征、物理結(jié)構(gòu)和典型用例，然后指導(dǎo)大家完成復(fù)雜的射頻電纜組件選擇、安裝和維護(hù)任務(wù)。其間介紹了 [Molex] 的幾個(gè)實(shí)例，以說明關(guān)鍵選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)。

不斷擴(kuò)大的射頻電纜組件使用范圍

射頻技術(shù)涉及多個(gè)領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都有其獨(dú)特的挑戰(zhàn)。頻率范圍從數(shù)百赫茲 (Hz) 到數(shù)萬兆赫茲 (GHz) 不等。有些應(yīng)用要求堅(jiān)固耐用。還有一些應(yīng)用對(duì)封裝尺寸有著極致限制。以下為一些常見應(yīng)用，展示了使用案例的多樣性：

• 航空航天和國(guó)防 ：雷達(dá)系統(tǒng)、通信頻道和 GPS
• 汽車和運(yùn)輸 ：信息娛樂系統(tǒng)、導(dǎo)航和車載通信網(wǎng)絡(luò)
• 電信和廣播 ：通過 Wi-Fi、LTE 和 5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸 8K 視頻信號(hào)
• 工業(yè) ：物聯(lián)網(wǎng)傳感器、自動(dòng)裝配線和遙測(cè)技術(shù)
• 醫(yī)療 ：遠(yuǎn)程病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、高級(jí)診斷設(shè)備和機(jī)器人手術(shù)裝置
• 測(cè)試與計(jì)量 ：臺(tái)架測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和生產(chǎn)設(shè)備質(zhì)保

由于射頻應(yīng)用日益廣泛，越來越多的工程師和設(shè)計(jì)師開始接觸高頻電路，其中許多人并不具備相關(guān)技術(shù)背景。面對(duì)緊迫的期限和預(yù)算，他們需要既能簡(jiǎn)化任務(wù)又能確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行的解決方案。

這就是射頻電纜組件的用武之地。這些組件由預(yù)先組裝好的連接器和電纜組成，既能滿足指定的性能要求，又能減少工程設(shè)計(jì)工作量。使用預(yù)制射頻電纜組件可節(jié)省設(shè)計(jì)和原型開發(fā)的時(shí)間和成本，并提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

頻率兼容性、阻抗匹配和 VSWR

選擇合適的電纜組件需要仔細(xì)考慮多個(gè)因素。首先，組件必須能夠適應(yīng)射頻信號(hào)的頻率范圍。這些頻率從幾百赫茲到 3 至 30 千兆赫或更高的超高頻 (SHF) 頻段不等（圖 1）。

圖 1：射頻電纜組件的設(shè)計(jì)多種多樣，可根據(jù)連接器的尺寸和最大支持頻率等因素進(jìn)行分類。（圖片來源：Molex）

要實(shí)現(xiàn)所需的性能，電纜組件必須能應(yīng)對(duì)適當(dāng)?shù)念l率范圍，且不會(huì)出現(xiàn)明顯的信號(hào)損失或失真。例如，美國(guó)電影電視工程師學(xué)會(huì) (SMPTE) 在其 2082-1 準(zhǔn)則中規(guī)定了嚴(yán)格的信號(hào)質(zhì)量要求，將一半時(shí)鐘頻率時(shí)的損耗限制在 40 分貝 (dB) 以內(nèi)。

采用 Molex [BNC 小型射頻電纜組件]是滿足這些要求的方法之一，它們?cè)谧罡?12 GHz 的頻率下具有高回波損耗性能。這一性能超過了串行傳輸 8K 高清電視 (HDTV) 視頻的要求，因此未來無需更改硬件即可擴(kuò)展帶寬。

阻抗匹配是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。射頻信號(hào)容易受到入射波和反射波的干擾，這些干擾是由信號(hào)線上的阻抗失配造成的。為盡量減少信號(hào)損耗，電纜組件應(yīng)具有與所連接負(fù)載相同的阻抗，通常為 50 或 75 歐姆 (Ω)。好的做法是將連接器和電纜一起設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

采用這種做法的一個(gè)實(shí)例是 [0897629290]組件，該組件將 Molex BNC 連接器與 Belden 4794R 電纜配對(duì)在一起，可用于高端 75 Ω 應(yīng)用。

對(duì)于測(cè)試與計(jì)量等要求特別苛刻的應(yīng)用，可能需要仔細(xì)考慮電壓駐波比 (VSWR) 和插損等附加參數(shù)。VSWR 是入射信號(hào)與反射信號(hào)之比，用于衡量射頻信號(hào)從信號(hào)源到負(fù)載的傳輸效率。插損是指信號(hào)沿連接器和電纜傳輸時(shí)損失的能量。圖 2 各舉了一些實(shí)例。

| | 訂購(gòu)編號(hào) | 連接器對(duì)連接器 | 電纜類型 | 長(zhǎng)度 | 電壓駐波比 (VSWR) | 插損 |
| ------------ | ----------------------------------- | ------------------- | ------------------- | --------------------- | --------- |
| 89762-1540 | 2.92 mm ST 插頭轉(zhuǎn)
2.92 mm ST 插頭 | 086 低損耗 | 152.40 mm / 6.00" | 最大 1.50 至 40 GHz | 1.00 dB |
| 89762-1541 | 228.60 mm / 9.00" | 1.43 dB |
| 89762-1542 | 304.80 mm / 12.00" | 1.85 dB |
| 89762-1543 | 381.00 mm / 15.00" | 2.15 dB |
| 89762-1544 | 457.20 mm / 18.00" | 2.85 dB |
| 98762-1580 | 047 低損耗 | 152.40 mm / 6.00" | 最大 1.55 至 40 GHz | 1.65 dB |
| 89762-1581 | 228.60 毫米 / 9.00 英寸 | 2.30 分貝 |
| 89762-1582 | 304.80 毫米 / 12.00 英寸 | 2.90 分貝 |
| 89762-1583 | 831.00 毫米 / 15.00 英寸 | 3.60 分貝 |
| 89762-1584 | 457.20 毫米 / 18.00 英寸 | 4.20 分貝 |

圖 2：表中所示為高效、低損耗微波頻率電纜所具備的電壓駐波比和插損值示例。（圖片來源：Molex）

屏蔽、磁耦合和其他考慮因素

屏蔽是另一個(gè)重要的考慮因素。任何攜帶射頻信號(hào)的電纜都可能像天線一樣廣播或接收信號(hào)，從而產(chǎn)生干擾。為盡量減少這種干擾，電纜需要用接地的金屬外殼屏蔽（圖 3）。

圖 3：所示為典型的屏蔽電纜。從電纜內(nèi)部開始依次是線芯導(dǎo)體、將線芯與屏蔽層隔開的絕緣材料、編織金屬屏蔽層和電纜護(hù)套。（圖片來源：Molex）

屏蔽材料的選擇受一系列因素的影響，包括性能要求、環(huán)境條件和預(yù)算限制。例如，銅在大多數(shù)頻率下都非常有效，但相對(duì)較重且成本較高，而鋁輕且價(jià)格低廉，但效果較差且更容易腐蝕。

另外還要考慮屏蔽的形式。比如在連接 RG-136 電纜的 [0897616761]MCX 組件上所使用的金屬編織層，就具有出色的機(jī)械強(qiáng)度和物理保護(hù)能力。相比之下，鋁箔屏蔽通常由鋁與聚酯或聚丙烯薄膜壓合而成，是一種重量輕、價(jià)格低廉且靈活的替代品。還有其他類型，如螺旋式、帶式和組合式，它們?cè)陬l率覆蓋百分比、柔性、使用壽命、機(jī)械強(qiáng)度、成本和端接難易程度方面各不相同。

此外還可能需要考慮獨(dú)特的應(yīng)用要求。例如，醫(yī)療應(yīng)用中的傳感器通常會(huì)受到磁場(chǎng)的影響。此時(shí)，像 [0897616791]MMCX 電纜組件這樣的解決方案就是一個(gè)可行的選擇，因?yàn)檫@些組件有非磁性耦合版本，具有更好的設(shè)計(jì)兼容性。

空間限制、環(huán)境危害和維護(hù)

在考慮物理參數(shù)時(shí)，空間和布線的限制往往是主要障礙?？紤]到國(guó)防應(yīng)用，其空間狹小是出了名的。此時(shí)像 [0897611760]SSMCX 電纜組件這樣的解決方案就非常實(shí)用。SSMCX 連接器是市場(chǎng)上體積最小的連接器之一，有垂直和直角兩種方向可供選擇，以適應(yīng)具有挑戰(zhàn)性的空間和布線限制。

設(shè)計(jì)人員在選擇組件時(shí)還需要考慮最小彎曲半徑。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，射頻電纜往往比較堅(jiān)硬。對(duì)于需要急轉(zhuǎn)彎的情況，可采用像 Molex 的[柔性微波組件]這樣的解決方案（圖 4）。這類電纜專為較小的靜態(tài)彎曲半徑而設(shè)計(jì)。

| | 電纜零件編號(hào) | 阻抗 | VOP | 電容 | 靜態(tài)彎曲半徑（最小值） | 中心導(dǎo)體 | 絕緣 | 護(hù)套 | 外徑 | 截止頻率 |
| -------------- | ------------ | ------------ | ---------- | ------------------------ | ---------- | ------ | ------ | -------- | ---------- |
| 100067-1047 | 50±1 歐姆 | 70% | 29 pF/ft | 0.20" | 0.0113" | PFA | FEP | 0.061" | 112 GHz |
| 100067-1086 | 0.30" | 0.0201" | 0.101" | 62 GHz |
| 100067-1141 | 0.50" | 0.036" | 0.158" | 41 GHz |
| 100054-0007 | 87% | 23.0 pF/ft | 0.30" | 0.0126" | 0.056" | 143 GHz |
| 100054-0006 | 23.4 pF/ft | 0.38" | 0.0253 | 0.158" | 42 GHz |
| 100054-0008 | 23.3 pF/英尺 | 0.75 英寸 | 0.0453 英寸 | 0.158 英寸 | 42 GHz |
| 100054-0027 | 1.00 英寸 | 0.0571 英寸 | 0.210 英寸 | 31GHz |
| 100054-0028 | 1.60 英寸 | 0.0907 英寸 | 0.310 英寸 | 19 GHz |

圖 4：所示為靜態(tài)彎曲半徑較小時(shí)射頻電纜采樣值。（圖片來源：Molex）

極端溫度也是一個(gè)問題，尤其是對(duì)于電信行業(yè)的戶外應(yīng)用。對(duì)于此類應(yīng)用，射頻電纜組件上常見的熱塑性護(hù)套并不適用。相反，需要更耐用的材料。例如，前面提到的柔性微波組件使用 Temp-Flex 氟化乙烯丙烯 (FEP) 材料作為外套，這是一種類似于特氟龍的堅(jiān)韌材料。

此外，振動(dòng)和沖擊會(huì)影響設(shè)計(jì)，尤其是在航空等應(yīng)用領(lǐng)域。為確保運(yùn)行可靠性，所使用的射頻電纜組件必須具有非常牢固的連接。Molex 的 [0732306110] 電纜組件就是一個(gè)很好的例子，它采用了該公司獲得專利的 MHF 連接器鎖定機(jī)構(gòu)（圖 5）。

圖 5：Molex 的 MHF 連接器系統(tǒng)采用專利鎖定機(jī)構(gòu)，確保了連接安全。（圖片來源：Molex）

設(shè)計(jì)過程中必須考慮維護(hù)問題。所以必須研究電纜組件的平均無故障時(shí)間 (MTBF)，并考慮如何安排設(shè)計(jì)，使之便于維護(hù)和修理，同時(shí)對(duì)這些可能最需要維護(hù)的組件和連接提供合理的檢修通道。

設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮為正常維護(hù)制定檢查計(jì)劃，并為電纜組件可能需要維修或更換的跡象制定用戶檢查表，以主動(dòng)管理這些故障因素。常見的維護(hù)步驟包括檢查組件的磨損情況，以及清潔電纜和連接器，以清除可能滲入連接處并降低性能的污染物。

最后，評(píng)估電纜組件制造商也很重要。標(biāo)準(zhǔn)包括適當(dāng)?shù)?a target="_blank">認(rèn)證、生產(chǎn)相關(guān)組件的經(jīng)驗(yàn)、足夠的產(chǎn)品選件以支持設(shè)計(jì)靈活性，以及避免性能問題的質(zhì)量保證流程。例如，Molex 一直是領(lǐng)先的電纜和連接器技術(shù)開發(fā)商，其創(chuàng)新技術(shù)依托 8100 多項(xiàng)專利，在質(zhì)量和技術(shù)支持（包括[電纜定制工具]）方面享有盛譽(yù)。

結(jié)語(yǔ)

選擇合適的射頻電纜組件是一種挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@需要了解并仔細(xì)考慮頻率兼容性、屏蔽措施、環(huán)境條件、空間限制和維護(hù)等因素。綜上所述，與資深制造商合作，讓他們提供專業(yè)知識(shí)、質(zhì)量保證和創(chuàng)新，是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵，尤其是對(duì)于剛剛接觸射頻技術(shù)的工程師和設(shè)計(jì)師而言。這樣的合作伙伴可以指導(dǎo)您進(jìn)行電纜選擇、安裝和維護(hù)，確保設(shè)備和系統(tǒng)以最佳狀態(tài)可靠地運(yùn)行。