การประกอบสายเคเบิล RF และโคแอกเชียล: คู่มือฉบับสมบูรณ์สำหรับการเชื่อมต่อความถี่สูง

ทำความเข้าใจการประกอบสายเคเบิล RF

สายเคเบิล RF (Radio Frequency) ใช้สำหรับส่งสัญญาณความถี่สูงโดยมีการสูญเสียและการบิดเบือนน้อยที่สุด ไม่เหมือนกับสายไฟฮาร์เนสทั่วไปที่ใช้ส่งสัญญาณ DC หรือความถี่ต่ำ สายเคเบิล RF ต้องรักษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แม่นยำเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ

สายเคเบิล RF มีการใช้งานอย่างแพร่หลาย: ตั้งแต่การเชื่อมต่อเสาอากาศในสมาร์ทโฟน ระบบสื่อสารดาวเทียม สถานีฐาน 5G อุปกรณ์ถ่ายภาพทางการแพทย์ และระบบเรดาร์ เมื่อเทคโนโลยีไร้สายพัฒนาขึ้น ความต้องการสายเคเบิล RF คุณภาพสูงก็เพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย ตามรายงานของ IEEE ตลาดสายเคเบิล RF กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วพร้อมกับการใช้งาน 5G

ทำไม RF จึงแตกต่าง

ที่ความถี่สูง สายเคเบิลกลายเป็นสายส่งสัญญาณที่มีลักษณะดังนี้:

• ความยาวคลื่นสัญญาณใกล้เคียงกับความยาวสายเคเบิล
• การไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ทำให้เกิดการสะท้อนสัญญาณ
• Skin effect ทำให้กระแสไฟฟ้ารวมตัวที่ผิวตัวนำ
• การสูญเสียในฉนวนเพิ่มขึ้นตามความถี่
• ประสิทธิภาพการป้องกันสัญญาณรบกวนมีความสำคัญมาก

สายเคเบิลที่ทำงานได้ดีกับ DC อาจไม่สามารถใช้งานได้เลยที่ 10 GHz การเข้าใจหลักการเหล่านี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับอุตสาหกรรมโทรคมนาคมและงานทางทหาร

พื้นฐานสายเคเบิลโคแอกเชียล

สายเคเบิลโคแอกเชียลเป็นสายส่งสัญญาณ RF ที่ใช้กันมากที่สุด โครงสร้างแบบ concentric ช่วยให้การป้องกันสัญญาณรบกวนดีเยี่ยมและอิมพีแดนซ์คงที่

โครงสร้างสายเคเบิล

จากภายในออกไปภายนอก:

1. ตัวนำกลาง (Center Conductor) - ส่งสัญญาณ (ทองแดงแท่งหรือเกลียว)
2. ฉนวน (Dielectric) - แยกตัวนำกลางจากตัวป้องกัน (PTFE, PE, โฟม)
3. ตัวป้องกัน (Shield) - ส่งกระแสกลับและป้องกันสัญญาณรบกวน (ถัก, ฟอยล์, แท่ง)
4. แจ็คเก็ต (Jacket) - ป้องกันจากสิ่งแวดล้อม (PVC, FEP, อื่นๆ)

พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าสำคัญ

อิมพีแดนซ์เฉพาะ (Characteristic Impedance - Z₀)

เป็นพารามิเตอร์สำคัญที่สุด ค่ามาตรฐานที่กำหนดโดย มาตรฐาน IEEE:

• 50Ω - ระบบ RF ส่วนใหญ่, อุปกรณ์ทดสอบ, โทรคมนาคม
• 75Ω - วิดีโอ, เคเบิลทีวี, การออกอากาศ

อิมพีแดนซ์ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตและฉนวน:

Z₀ = (138/√εᵣ) × log(D/d)

โดยที่ D = เส้นผ่านศูนย์กลางตัวป้องกัน, d = เส้นผ่านศูนย์กลางตัวนำกลาง, εᵣ = ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก สำหรับการเชื่อมต่อ PCB ดูที่ คู่มือ HDI PCB เกี่ยวกับร่องสัญญาณที่ควบคุมอิมพีแดนซ์

ค่าการลดทอน (Attenuation)

การสูญเสียสัญญาณต่อหน่วยความยาว ระบุเป็น dB/100ft หรือ dB/m ที่ความถี่เฉพาะ ประกอบด้วย:

• การสูญเสียจากตัวนำ (เพิ่มตาม √f)
• การสูญเสียจากฉนวน (เพิ่มตาม f)

ค่าการลดทอนต่ำ = ดีกว่า โดยเฉพาะสำหรับระยะทางยาว

ตัวประกอบความเร็ว (Velocity Factor)

ความเร็วสัญญาณเทียบกับความเร็วแสง:

VF = 1/√εᵣ

ค่าทั่วไป:

• PTFE แท่ง: 70%
• PE โฟม: 85%
• ฉนวนอากาศ: 95%+

ส่งผลต่อความยาวทางไฟฟ้าของสายเคเบิล—สำคัญสำหรับ phased arrays

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

วัดคุณภาพการจับคู่อิมพีแดนซ์:

• 1.0:1 = จับคู่สมบูรณ์แบบ (เป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ)
• 1.2:1 = ดีเยี่ยม
• 1.5:1 = ดี
• 2.0:1 = ยอมรับได้สำหรับหลายการใช้งาน

VSWR สูง = การสะท้อนและการสูญเสียสัญญาณมากขึ้น

ประสิทธิภาพการป้องกัน (Shielding Effectiveness)

วัดความสามารถในการป้องกันสัญญาณรบกวนเป็น dB ประเภท:

• แบบถักเดี่ยว: 60-90 dB
• แบบถักคู่: 90-100 dB
• แบบท่อแท่ง: 100+ dB

ประเภทสายเคเบิลทั่วไป

คู่มือการเลือกสายเคเบิล

สายเคเบิลยืดหยุ่น

RG-58 (50Ω)

• ใช้งานทั่วไป
• ใช้ได้จริงถึง 1 GHz
• ราคาต่ำ

RG-174 (50Ω)

• ขนาดเล็ก ยืดหยุ่น
• การสูญเสียสูงกว่า
• เหมาะสำหรับสายเชื่อมต่อสั้น

RG-316 (50Ω)

• ฉนวน PTFE
• ทนอุณหภูมิสูง
• ใช้ได้ดีถึง 3 GHz

RG-402 (50Ω)

• แบบกึ่งแข็ง (Semi-rigid)
• ประสิทธิภาพยอดเยี่ยมถึง 20 GHz
• เฟสคงที่

สายเคเบิลกึ่งแข็ง

ตัวนำภายนอกแบบแท่งให้:

• การป้องกันสัญญาณรบกวนดีเยี่ยม
• การสูญเสียต่ำ
• ความเสถียรของเฟส
• รัศมีการงอแน่น

ขนาดทั่วไป: 0.047", 0.086", 0.141" OD

สายเคเบิลการสูญเสียต่ำ

LMR-400

• คุณลักษณะการสูญเสียดีเยี่ยม
• ความยืดหยุ่นดี
• นิยมสำหรับสายป้อนเสาอากาศ

Times LMR Series, สายเคเบิลเทียบเท่า Belden

• ขนาดและข้อกำหนดต่างๆ
• สมดุลระหว่างการสูญเสียและความยืดหยุ่น

ตัวเชื่อมต่อ RF

ตัวเชื่อมต่อมักเป็นจุดอ่อนที่สุดในการประกอบ RF การเลือกที่เหมาะสมมีความสำคัญมาก ดูเพิ่มเติมที่บริการการประกอบสายเคเบิลแบบกำหนดเองสำหรับตัวเลือกตัวเชื่อมต่อพิเศษ

ตารางเปรียบเทียบตัวเชื่อมต่อ

ประเภทตัวเชื่อมต่อทั่วไป

SMA (SubMiniature version A)

• ความถี่: DC ถึง 18 GHz (มาตรฐาน), 26.5 GHz (ความแม่นยำสูง)
• อิมพีแดนซ์: 50Ω
• อินเทอร์เฟซ: แบบเกลียว
• การใช้งาน: อุปกรณ์ทดสอบ, ไร้สาย, RF ทั่วไป

N-Type

• ความถี่: DC ถึง 11 GHz
• อิมพีแดนซ์: 50Ω หรือ 75Ω
• อินเทอร์เฟซ: แบบเกลียว
• การใช้งาน: สถานีฐาน, กำลังสูง

BNC (Bayonet Neill-Concelman)

• ความถี่: DC ถึง 4 GHz
• อิมพีแดนซ์: 50Ω หรือ 75Ω
• อินเทอร์เฟซ: แบบล็อกเข็มขัด
• การใช้งาน: วิดีโอ, อุปกรณ์ทดสอบ, RF ความถี่ต่ำ

TNC (Threaded Neill-Concelman)

• เหมือน BNC แต่เป็นแบบเกลียว
• ประสิทธิภาพดีกว่าที่ความถี่สูง
• ทนต่อการสั่นสะเทือน

MCX/MMCX

• ขนาดเล็กแบบสแน็ป
• DC ถึง 6 GHz
• การใช้งานที่มีข้อจำกัดพื้นที่

2.92mm (K-connector)

• DC ถึง 40 GHz
• การใช้งานความแม่นยำสูง
• อุปกรณ์ทดสอบ

2.4mm

• DC ถึง 50 GHz
• การทดสอบประสิทธิภาพสูง

เกณฑ์การเลือกตัวเชื่อมต่อ

1. ช่วงความถี่ - ต้องครอบคลุมการใช้งานของคุณ
2. การรองรับกำลังงาน - เพียงพอสำหรับระดับสัญญาณของคุณ
3. วงจรการเชื่อมต่อ - บ่อยแค่ไหนที่ต้องเชื่อมต่อ/ถอด
4. สภาพแวดล้อม - อุณหภูมิ, ความชื้น, การสั่นสะเทือน
5. ขนาด - ข้อจำกัดทางกายภาพ
6. ต้นทุน - งบประมาณ

การออกแบบการประกอบสายเคเบิล

การพิจารณาความยาว

สั้นกว่ามักจะดีกว่าสำหรับ:

• การลดทอนต่ำกว่า
• ต้นทุนต่ำกว่า
• ความเสถียรของเฟสดีกว่า

แต่ให้มีช่องว่างบ้างสำหรับ:

• ป้องกันแรงดึงตัวเชื่อมต่อ
• การเข้าถึงเพื่อบำรุงรักษา
• การขยายตัวจากความร้อน

รัศมีการงอ

รัศมีการงอขั้นต่ำป้องกันความสมบูรณ์ของสายเคเบิล:

• สายเคเบิลยืดหยุ่น: 10× เส้นผ่านศูนย์กลางสายเคเบิล (ขั้นต่ำ)
• แบบกึ่งแข็ง: ต้องใช้เครื่องมือขึ้นรูป
• การงอซ้ำๆ: ใช้รัศมีที่ใหญ่กว่า

การเกินขีดจำกัดการงอทำลายฉนวน เปลี่ยนอิมพีแดนซ์

การจับคู่เฟส

สำหรับ phased arrays และระบบหลายช่องสัญญาณ:

• ระบุความคลาดเคลื่อนการจับคู่เฟส
• ใช้สายเคเบิลเฟสคงที่
• ควบคุมอุณหภูมิระหว่างการผลิต
• บันทึกความยาวทางไฟฟ้า

ข้อกำหนดการป้องกัน

พิจารณาสภาพแวดล้อม EMI ของคุณ:

• พื้นฐาน: ตัวป้องกันถักเดี่ยว
• ปานกลาง: ตัวป้องกันคู่หรือถัก + ฟอยล์
• เข้มข้น: ตัวป้องกันสามชั้นหรือแบบกึ่งแข็ง

กระบวนการผลิต

การเตรียมสายเคเบิล

การตัด

• ตัดสะอาด ตั้งฉาก
• เครื่องมือที่เหมาะสมป้องกันความเสียหาย
• ความคลาดเคลื่อนความยาวมีความสำคัญ

การลอก

• ถอดแจ็คเก็ต, ตัวป้องกัน, ฉนวนเป็นขั้นตอน
• รักษามิติ
• ไม่มีรอยบากในตัวนำ

การติดตัวเชื่อมต่อ

การย้ำ (Crimp Termination)

• รวดเร็ว ทำซ้ำได้
• การเลือกแม่พิมพ์ที่เหมาะสมมีความสำคัญ
• ดีสำหรับปริมาณการผลิต

การบัดกรี (Solder Termination)

• วิธีดั้งเดิม
• ต้องใช้ทักษะ
• ความเสี่ยงจากความเสียหายจากความร้อน

การหนีบ/บีบอัด (Clamp/Compression)

• ไม่ต้องใช้ความร้อน
• การสัมผัสทางไฟฟ้าดี
• ตัวเชื่อมต่อบางประเภทเท่านั้น

ฝีมือคุณภาพ

คุณภาพการประกอบส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพ:

• ผิวสัมผัสสะอาด
• แรงบิดที่เหมาะสมบนเกลียว
• การติดตั้งป้องกันแรงดึง
• ความสะอาดตลอด

การทดสอบการประกอบ RF

ความต่อเนื่อง/ความต้านทาน

การตรวจสอบพื้นฐาน:

• ความต่อเนื่องตัวนำกลาง
• ความต่อเนื่องตัวป้องกัน
• ไม่มีการลัดวงจรระหว่างตัวนำ

VSWR/Return Loss

การทดสอบประสิทธิภาพ RF หลัก:

วัดตลอดช่วงความถี่การทำงานโดยใช้ vector network analyzer

Insertion Loss

การลดทอนรวมผ่านการประกอบ เปรียบเทียบกับการสูญเสียสายเคเบิลที่คำนวณบวกกับการสูญเสียตัวเชื่อมต่อ

เฟส

สำหรับการประกอบที่จับคู่:

• วัดความยาวทางไฟฟ้า
• คำนวณเฟสที่ความถี่การทำงาน
• ตรวจสอบการจับคู่ภายในความคลาดเคลื่อน

ประสิทธิภาพการป้องกัน

การทดสอบ transfer impedance วัดคุณภาพตัวป้องกัน มีความสำคัญสำหรับการใช้งานที่ละเอียดอ่อน

การทดสอบทางกล

• การทดสอบแรงดึง (การยึดตัวเชื่อมต่อ)
• อายุการงอ (สำหรับการประกอบยืดหยุ่น)
• สภาพแวดล้อม (อุณหภูมิ, ความชื้น)

การใช้งาน

โทรคมนาคม

• การเชื่อมต่อสถานีฐาน
• สายป้อนเสาอากาศ
• สายจั๊มเปอร์
• DAS (Distributed Antenna Systems)

ข้อกำหนด: PIM ต่ำ, ทนสภาพอากาศ, อายุยาวนาน

เรียนรู้เพิ่มเติม: โซลูชันอุตสาหกรรมโทรคมนาคม

การทดสอบและวัด

• การเชื่อมต่อเครื่องมือ
• สายโพรบ
• มาตรฐานอ้างอิง

ข้อกำหนด: ความแม่นยำ, ความเสถียร, การสูญเสียต่ำ มักใช้คู่กับบริการทดสอบของเรา

อวกาศและการทหาร

• ระบบเรดาร์
• อิเล็กทรอนิกส์การบิน
• สงครามอิเล็กทรอนิกส์
• การสื่อสารดาวเทียม

ข้อกำหนด: ความน่าเชื่อถือสูง, สภาพแวดล้อมสุดขั้ว, ข้อกำหนด MIL-STD

เรียนรู้เพิ่มเติม: โซลูชันอวกาศและการทหาร | อิเล็กทรอนิกส์ทางทหาร

อุปกรณ์ทางการแพทย์

• ระบบ MRI
• RF ablation
• การถ่ายภาพวินิจฉัย

ข้อกำหนด: ความเข้ากันได้ทางชีวภาพตาม ISO 10993, การควบคุม EMI, ความน่าเชื่อถือ

เรียนรู้เพิ่มเติม: การผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ | การประกอบสายเคเบิลทางการแพทย์

อุตสาหกรรม

• เซ็นเซอร์ไร้สาย
• ระบบ RFID
• การควบคุมกระบวนการ

ข้อกำหนด: ความทนทาน, ความคุ้มค่า

เรียนรู้เพิ่มเติม: อิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม

การแก้ไขปัญหา

VSWR สูง

สาเหตุที่เป็นไปได้:

• ตัวเชื่อมต่อเสียหาย
• การต่อปลายไม่ถูกต้อง
• สายเคเบิลเสียหาย (งอ, บีบ)
• ความชื้นเข้า
• อิมพีแดนซ์ผิด

การเชื่อมต่อขาดๆ หายๆ

ตรวจสอบ:

• ความแน่นของตัวเชื่อมต่อ
• พินกลางเสียหาย
• การเชื่อมต่อตัวป้องกัน
• ความเค้นที่จุดงอ

การสูญเสียมากเกินไป

พิจารณา:

• ข้อกำหนดสายเคเบิล
• การสูญเสียตัวเชื่อมต่อ
• จำนวนการเชื่อมต่อ
• ความถี่กับคะแนนสายเคเบิล

ข้อกำหนดและมาตรฐาน

มาตรฐานทางทหาร

• MIL-DTL-17 - สายเคเบิล RF
• MIL-DTL-39012 - ตัวเชื่อมต่อ RF
• MIL-STD-348 - อินเทอร์เฟซตัวเชื่อมต่อ

มาตรฐานอุตสาหกรรม

• IEC 61169 - ตัวเชื่อมต่อ RF
• มาตรฐาน IEEE สำหรับการใช้งานเฉพาะ

ข้อกำหนดของผู้ให้บริการ

ผู้ให้บริการโทรคมนาคมรายใหญ่มีข้อกำหนดเฉพาะสำหรับสายเคเบิลและการประกอบที่ได้รับการอนุมัติ

บทสรุป

การประกอบสายเคเบิล RF และโคแอกเชียลต้องการความใส่ใจในรายละเอียดตั้งแต่การออกแบบผ่านการผลิตและการทดสอบ การเข้าใจหลักการของสายส่งสัญญาณ การเลือกตัวเชื่อมต่อที่เหมาะสม และแนวปฏิบัติการผลิตที่มีคุณภาพ รับประกันการส่งสัญญาณความถี่สูงที่เชื่อถือได้

สิ่งสำคัญที่ต้องจำ:

• จับคู่อิมพีแดนซ์ตลอดเส้นทางสัญญาณ
• เลือกสายเคเบิลตามความถี่, การสูญเสีย และสภาพแวดล้อม
• เลือกตัวเชื่อมต่อที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานของคุณ
• การประกอบคุณภาพมีความสำคัญพอๆ กับคุณภาพชิ้นส่วน
• ทดสอบอย่างครอบคลุมก่อนการติดตั้ง

บริการประกอบสายเคเบิล RF และบริการสายเคเบิลโคแอกเชียลของเราครอบคลุมความถี่จาก DC ถึง 40 GHz พร้อมตัวเชื่อมต่อความแม่นยำสูงและการทดสอบอย่างละเอียดเพื่อให้แน่ใจว่าตรงตามข้อกำหนดความสมบูรณ์ของสัญญาณของคุณ

บทความที่เกี่ยวข้อง

• คู่มือการออกแบบและการผลิตสายไฟฮาร์เนส
• คู่มือการประกอบ Box Build และเครื่องกลไฟฟ้า
• คู่มือการทดสอบและควบคุมคุณภาพ PCBA
• คู่มือเทคโนโลยี HDI PCB

อ้างอิง

1. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers: www.ieee.org
2. IEC - International Electrotechnical Commission: www.iec.ch
3. MIL-STD - Military Standards: Wikipedia
4. ISO 10993 Biocompatibility: www.iso.org
5. RF Connector Reference: Wikipedia - RF Connector