高頻訊號線的基本介紹
文/ 吳哲旻
前言
自古以來世界各地的人類發明了各式各樣的科技來傳遞訊息。到了近代，傳遞訊息的媒介從郵差、信使變成了無形的電訊號。這些電訊號有時候在實體的電纜、訊號線中傳遞，有時候則是在空氣中輻射。為了減少訊號的損失，人們使用特別設計的訊號介面來接收和發射訊號。這些介面在設計上考慮了訊號的頻寬、機械結構的耐用度，因此成為各大儀器廠商技術競爭的技術之一。現在就由我們來為大家簡單介紹的基本高頻訊號線。
傳輸訊號的線－波導
進入5G無線通訊在時間延遲和頻寬等表現上都有了長足的進展，但以實體的電纜線傳遞電訊號的有線通訊因為在長途傳遞的耗損較容易控制，所以仍然沒有被完全取代。為了使電訊號在經過長距離的傳遞之後仍然能夠保持訊號的正確率以及訊號強度，這些電纜線在結構上被設計成是能夠使特定範圍的頻率、波長的電磁波能順暢傳輸，此電纜又稱為波導(Waveguide)。波導結構會透過對傳遞介質(Medium)的尺寸及材料特性做計算及設計，而這些結構在設計上多半希望在傳輸上能使能量集中在單一一種電磁波上。波導中的單一電磁波頻率，我們稱作截止頻率(Cutoff Frequency)，高於這個頻率後波導在能量傳遞上將因為能量分散給多種電磁波而降低效率、增加損失。因此不論是電纜的線徑或是接頭的尺寸對訊號傳遞的完整性上都有著顯著的影響。
生活中常見的高頻傳輸介面
不同的介面在規格上支援的頻率範圍不同，因此也有著不同的應用。舉日常生活中常見的同軸RCA數位接頭為例，過去曾被廣泛應用在影音的類比訊號的傳輸上，至今仍然被廣泛應用在音頻的類比訊號及數位訊號的傳輸上。同軸BNC接頭同樣可以作為類比訊號及數位訊號的傳輸，常出現在示波器、三用電錶等設備上。尺寸更小、支援更高頻率的SMA接頭常被應用在藍芽天線或是Wifi天線等高頻率電磁波的發射和接收的介面。再更高頻的3.5mm、2.92mm、2.4mm、1.85mm以及1.0mm的同軸介面的尺寸是由高頻通訊的各個頻帶來決定每種介面該支援的頻率上限。舉例來說，2.92mm介面之所以將尺寸指定為2.92mm就是因為當導體外徑為2.92mm時剛好可以使這個接頭介面的截止頻率接近40 GHz的上限、1.85mm介面則是為了使這類接頭可以支援到接近67GHz的上限。因此這些介面也多半是應用在特定頻段的高頻訊號的量測、接收或發射上。
結語
現今的無線通訊已經邁入5G，未來的6G(或有些人稱為Beyond 5G)在頻率範圍上將邁入數十GHz甚至數百GHz。為了使訊號能夠有效率地由電子設備傳遞到發射器或接收器，工業界也同樣設計並訂定出了在數十GHz乃至數百GHz傳遞電訊號的波導管規格。這些規格當中，最常見的為由電子工業聯盟(EIA)所制定的規格。這些規格的器件可以在許多高頻電子元件的供應商購得。數十GHz範圍的電訊號可以透過同軸轉波導管介面的轉接頭傳遞到波導管，超過一百GHz的電訊號會需要使用主動的倍頻設備來產生。
對現今高速度、高頻寬的通訊科技來說，能夠忠實傳遞高頻率電訊號的介面是不可或缺的基礎建設。然而高頻電子和微波通訊的科技經過數十年的發展，也產生出了成千上百種的接頭規格。為了順利的使用高頻通訊的設備，對這些接頭規格也需要有著基本的認識。透過這篇簡短的介紹，希望可以讓讀者在使用設備及線材時能夠更為順利。
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