SMA 連接器在 RF PCB 設計中的運作原理

SMA 連接器是一種具有螺紋的 50 歐姆同軸連接器，其本體很少是 RF PCB 的薄弱環節。真正決定效能的，通常是中心針腳接入電路板的短短幾毫米。在連接器內部，訊號以均勻環繞中心針腳的電磁場形式傳播；進入電路板後，電磁場必須轉變為接地平面上方的平面走線模式。每一次幾何形狀變化都會改變阻抗，因此部分訊號會產生反射。

圖 1：RF PCB 上的板邊式 SMA 連接器

針腳下方的焊盤比走線寬，因此會形成一個小電容。100 MHz 的訊號幾乎不受影響，但 6 GHz 的訊號則不然。本指南將說明 SMA 連接器的結構及其在 RF 系統中的功能，接著探討訊號轉接設計、接地導通孔、封裝焊盤、製造公差，以及 SMA 連接器適用的應用場景。

甚麼是 SMA 連接器？

SMA 連接器（SubMiniature version A，超小型 A 型）是一種螺紋式同軸連接器，可在直流至約 18 GHz 的頻率範圍內維持 50 歐姆阻抗。它用於連接同軸電纜與 PCB、儀器或另一條電纜。螺紋鎖緊結構能維持接點壓力，因此每次重新連接都能獲得一致的接觸效果。

SMA 連接器的結構與介面

每個 SMA 連接器都由四個部分組成：中心接點、PTFE 介電材料、金屬外殼及螺紋鎖緊結構。插頭（公頭）具有實心針腳和螺紋螺母；插座（母頭）則具有開槽插孔和外螺紋。通常焊接到 PCB 上的是插座，因為可旋轉的螺母位於電纜端。

圖 2：SMA 插頭與插座接合後的剖面圖

內部幾何結構決定了阻抗。IEC 61169-15 所定義的 SMA 介面，其外導體內徑為 4.13 mm（163 mil），內部填充 PTFE。導體直徑比例及 PTFE 的介電常數共同決定 50 歐姆阻抗。因此，凹痕、間隙或彎曲的針腳，都會使該位置的阻抗發生變化。

SMA 連接器在 RF 系統中的功能

SMA 連接器的作用，是提供一個可反覆拆卸及重新連接、又不會明顯影響訊號的接點。焊接接點屬永久連接，而推入式連接器可能隨電纜移動而產生位移。SMA 螺紋以固定的力量壓緊外導體，因此每次插合的阻抗及接觸電阻都能保持一致。

封閉的金屬外殼亦能屏蔽訊號。回流電流沿外殼內側流動，令電磁場保持在連接器內部，同時阻隔外界雜訊。這就是為何 PCB 連接器類型 的分類會將 SMA 歸入 RF 連接器，而不是排針連接器。fsma 連接器、甚麼是 SMA 連接器、SMA 連接器的功能、PCB 連接器、RF PCB、板邊式 SMA 連接器、SMA 封裝、50 歐姆轉接處

SMA 連接器如何與 RF PCB 配合運作

SMA 連接器與 RF PCB 的配合，主要是將同軸電磁場轉接至平面傳輸線。只要電磁場形態能逐步轉變，並讓阻抗維持接近 50 歐姆，轉接就能順利完成。

從連接器到 PCB 的訊號傳輸

在同軸結構中，電場由中心針腳沿徑向延伸至外殼；在微帶線中，電場則主要由走線向下延伸至下方接地平面，部分分布於空氣中。轉接處就是兩種電場模式相互轉換的一小段區域，因此不可能完全沒有不連續性，只能透過設計控制其程度。

圖 3：SMA 轉接處的電場由同軸模式轉換為微帶線模式

回流電流與訊號本身同樣重要。它沿外殼內側返回，再透過連接器接地腳及附近的導通孔流入電路板接地平面。如果最近的導通孔距離 3 mm（118 mil），回流電流便需要繞路，並在原本已存在阻抗不匹配的轉接處增加電感。

阻抗匹配與訊號完整性

轉接處的阻抗匹配，是指讓包括焊盤在內的整條路徑都維持接近 50 歐姆。在該介電結構下，1.27 mm（50 mil）寬的焊盤，其阻抗約為 22 歐姆。反射係數為 (22 - 50) / (22 + 50)，即約 -0.39。因此，接近 40% 的入射電壓會在焊盤前緣反射。不過，在 500 MHz 時，焊盤非常短，兩端產生的反射波幅度幾乎相等、方向相反，因而互相抵消。

隨著頻率提高，焊盤長度佔波長的比例增加，反射抵消的效果便會減弱。因此，轉接處在 1 GHz 掃頻測試中可能表現良好，但當頻率升至約 2 GHz 以上，回波損耗便可能持續惡化。控制焊盤阻抗，正是 PCB 阻抗控制在實務上的重要一環。

SMA 連接器的 PCB 佈局考量

SMA 連接器的 PCB 佈局主要取決於三項決策：走線與針腳之間的轉接、接地導通孔，以及封裝焊盤。更廣泛的 RF PCB 佈局準則 仍然適用，但這三項因素決定轉接處能否維持 50 歐姆阻抗。

轉接設計與訊號路徑

轉接設計的第一步是移除接地銅層，而不是增加銅層。在焊盤下方的第 2 層接地平面挖空，有時亦包括第 3 層，可將焊盤的參考平面移至更深的位置，降低電容。在 Altium 的模擬中，移除第 2、3 層的接地銅層，可使 1.27 mm（50 mil）焊盤的阻抗達到 50 歐姆。頂層共面走線的間隙只需由 0.15 mm 加寬至 0.25 mm（6 至 10 mil）。

使用漸變線寬看似是最直接的解決方案，但在同一項 Altium 研究中，未經調整的漸變結構，其回波損耗表現反而比單純挖空接地銅層更差，儘管仍在可接受範圍內。這是因為楔形結構本身亦會增加電容。較合適的方式是讓走線以接地共面波導形式直接連接焊盤。即使是經驗豐富的設計人員，也可能遇到以下轉接設計錯誤：

• 在焊盤下方保留完整接地銅層，會使薄預浸材料上的焊盤形成約 22 歐姆的電容性不連續結構。應移除第 2 層焊盤下方的接地銅層。
• 在焊盤附近彎折走線，會在焊盤的不連續性之外再增加轉角造成的不連續性。走線前幾毫米應保持筆直，之後使用兩個 45 度轉角或圓弧轉彎。
• 焊盤若比針腳更長，針腳末端以外便會留下開路銅箔殘段。應將焊盤長度控制為針腳長度加上少量焊接裕量。
• 中心針腳上的焊錫過多，會形成增加電容的焊角。只需使用足以潤濕針腳與焊盤的薄焊角即可。

接地導通孔位置與回流路徑

接地導通孔負責將回流電流由連接器接地腳導入接地平面。因此，第一對導通孔應直接放在各接地腳下方或旁邊。接地腳與導通孔每增加一毫米的距離，都會在回流路徑中增加串聯電感。在數 GHz 的頻率下，這些電感的影響就如同接地路徑出現缺口。

圖 4：FR-4 板材上接地導通孔圍欄的最大間距與頻率關係

導通孔圍欄將共面走線兩側的接地銅層連接至接地平面，避免兩者之間產生平行板模式共振。這種模式完全存在於介電材料內，因此導通孔間距取決於 FR-4 內部的波長。當介電常數 Dk 為 4.4、頻率為 6 GHz 時，波長約為 24 mm（0.94 吋）。若間距設定為波長的二十分之一，導通孔之間便不可超過 1.2 mm（47 mil）。

封裝焊盤與機械對位

安裝方式決定封裝焊盤的形式，因此應在繪製銅箔之前先選定安裝方式。以下四種常見形式，在訊號路徑品質及抵抗電纜拉力方面各有不同：

製造 RF PCB，確保 SMA 連接可靠

即使轉接處在模擬中達到 50 歐姆，也只有在製造商實際製作出預期幾何結構時，才能獲得相同效能。介電層厚度、走線寬度及導通孔位置都存在公差，因此設計必須預留相應裕量。

控制 PCB 尺寸與層疊結構

介電層厚度決定 50 歐姆走線的寬度，也影響走線與針腳的寬度匹配程度。在厚度為 1.6 mm（63 mil）的雙層 FR-4 電路板上，50 歐姆微帶線的寬度約為 2.8 mm（110 mil）；在厚度為 0.51 mm（20 mil）的 RO4350B 電路板上，寬度則接近 1 mm（39 mil），幾乎與針腳相同。這就是薄型 Rogers 電路板能獲得良好轉接效果的原因。

圖 5：夾持在 1.6 mm（63 mil）四層 PCB 上的板邊式 SMA 連接器

對於厚度為 1.0 mm（39 mil）及以上的電路板，JLCPCB 將厚度公差控制在 ±10% 以內。因此，標稱厚度為 1.6 mm（63 mil）的電路板，實際厚度可能介於 1.44 至 1.76 mm（57 至 69 mil）。在選擇 PCB 厚度時，應同時參考連接器規格書，確保夾持結構與收到的電路板厚度相符。

維持 RF 走線與導通孔的精度

蝕刻後的走線並不會完全呈現電磁場求解器假設的矩形截面。蝕刻液在向下蝕刻時亦會向側面侵蝕，因此成品走線的截面呈梯形。當蝕刻因子為 3:1 時，1 oz 銅厚的走線頂部最終會窄約 25 µm（1 mil）。對 0.36 mm（14 mil）寬的走線而言，這會使阻抗提高約 1 歐姆，因此製造商會根據實測數據修正設計走線寬度。

導通孔精度在圍欄及轉接處尤其重要。鑽孔位置公差與層間對位偏差，會改變導通孔相對於周圍銅箔的位置。因此，如果導通孔圍欄設計得太靠近共面間隙，成品便可能與訊號銅箔接觸。應維持阻抗計算工具所假設的間距，並確保即使鑽孔偏移，導通孔仍具有完整的環形焊盤。

檢驗與品質驗證

阻抗通常在測試試片上驗證，而不是直接量測電路板本身。測試試片位於拼板邊框內，並經過相同的蝕刻與壓合製程，再依照 IPC-TM-650 2.5.5.7 方法使用時域反射量測法進行測試。JLCPCB 對阻抗控制訂單採用 ±10% 的測試允差，因此 50 歐姆的目標值，其允許範圍為 45 至 55 歐姆。

只有對首塊已組裝電路板進行 RF 掃頻測試，才能量測實際製作完成的轉接處。網絡分析儀上的 S11（反射訊號）曲線，可顯示回波損耗是否符合工作頻段要求；如不符合，則可利用 TDR 波形定位問題。電路板通過測試後， 應使用相同的層疊結構及表面處理方式下單進行量產。

SMA 連接器的常見應用

SMA 連接器主要應用於兩類系統：測試設備與無線產品。測試設備需要在數百次插拔後仍維持一致的連接性能，而無線連接埠則需要在特定頻段內保持良好的阻抗匹配。

RF 測試與量測

評估板、濾波器、放大器及測試治具使用 SMA 連接器，是因為它們可與最高 18 GHz 的實驗室電纜及儀器連接。SMA 亦可與精密 3.5 mm 及 2.92 mm 連接器配接。不過，磨損的 SMA 針腳可能損壞網絡分析儀上昂貴的連接埠，因此連接時應遵循以下步驟：

1. 使用放大工具檢查插頭針腳及插座端面，因為彎曲的針腳可能損壞另一端的接點。
2. 在儀器連接埠上安裝連接器保護轉接頭，作為可替換的消耗性配件。
3. 將兩端對齊，只旋轉鎖緊螺母，不要轉動連接器本體。
4. 最後使用預設扭力的 SMA 扭力扳手鎖緊，確保每次接合面位置一致。
5. 電纜完成佈線後，應在實際使用的電纜末端進行校準。

每次量測的結果仍包含轉接處的影響。IEEE 370-2020 說明如何設計測試治具，並通常使用 2x-thru 結構將治具的影響從量測數據中移除。如此便可從量測所得的 S 參數中扣除連接器及轉接處的影響。

無線與高頻系統

在無線產品中，SMA 連接器通常用作天線連接埠，而工作頻段決定轉接設計需要多嚴格。915 MHz 的 LoRa 無線電可容忍較不理想的轉接結構，但 5 GHz 的 Wi-Fi 連接埠則需要間距緊密的導通孔圍欄：

SMA 連接器常見問題

結論

SMA 連接器可在 50 歐姆同軸電纜與 PCB 之間提供可靠連接。然而，良好的 RF 效能不只取決於連接器本身。最關鍵的區域是 PCB 轉接處，也就是訊號由連接器過渡至電路板傳輸線的位置。隨著越來越多無線裝置採用 6 GHz Wi-Fi 頻段，謹慎設計 SMA 連接器的 PCB 佈局變得更加重要，尤其是在高頻 PCB 設計中。

為確保可靠的 RF 效能，應遵循連接器製造商建議的封裝焊盤設計，並使用阻抗受控的 PCB 層疊結構。JLCPCB 提供阻抗控制 PCB 製造服務，以及適用於 RF 應用的 Rogers 板材選項。其元件庫亦收錄可安裝於 PCB 的 SMA 連接器，方便設計人員為專案採購元件。