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14/100 第2周：網路傳輸媒介與技術
14. 同軸電纜、波導與射頻介質 📡
同軸阻抗、波導應用與 VSWR！
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🎯 單元導讀
在各種網路與射頻（RF）系統中，同軸電纜（Coaxial Cable） 與 波導（Waveguide） 是重要的傳輸介質：
• 同軸電纜利用中心導體與外導體同軸排列，能有效屏蔽雜訊，傳輸高頻電訊號。
• 波導則利用金屬管導引電磁波，適合微波、毫米波傳輸。
選擇合適的傳輸介質與控制 VSWR，是確保訊號品質的關鍵。
👉 一句話：射頻訊號的高速公路要靠同軸與波導來鋪設。
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🧠 一、同軸電纜的核心概念
1️⃣ 結構
• 中心導體：傳輸訊號。
• 絕緣層（介電質）：保持中心導體與外導體間距。
• 外導體（編織/箔片）：屏蔽外部干擾、提供回路。
• 外護套：保護整體。
2️⃣ 特性阻抗（Characteristic Impedance）
• 常見有 50 Ω（通訊、射頻系統） 與 75 Ω（影音、廣播）。
• 必須和設備阻抗匹配，才能減少反射與損耗。
3️⃣ 優點與限制
• 抗干擾好、施工方便，適合高頻和中距離。
• 頻率越高、距離越長，損耗也增加。
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🧠 二、波導與射頻介質
1️⃣ 波導（Waveguide）
• 結構：中空金屬管，矩形或圓形截面。
• 特點：傳輸微波/毫米波損耗極低，可承受高功率；尺寸與工作頻率密切相關。
• 應用：雷達、衛星通訊、5G 毫米波回傳。
2️⃣ VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）駐波比
• 反映輸入與反射功率比例。
• VSWR = 1:1 為理想完全匹配；越大表示反射越多。
• 高 VSWR 會導致功率損耗、訊號失真，甚至燒壞發射器件。
3️⃣ 常見改善方法
• 阻抗匹配（選對同軸、接頭）。
• 減少接頭或曲折，保持導體完整。
• 使用合適波導尺寸、接頭密封良好。
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💻 三、ASCII 示意圖
1️⃣ 同軸電纜 (Coaxial Cable)
╔═══════════外護套═══════════╗
║ ┌──────────外導體(編織)───┐ ║
║ │ 絕緣層(介電質) │ ║
║ │ ● 中心導體 │ ║
╚═════════════════════════ ═╝
→ 50Ω / 75Ω 阻抗
2️⃣ 波導 (Waveguide)
┌─────────┐
│ │ ← 金屬導管，電磁波在裡面傳
│ │
└─────────┘
→ 適合微波/毫米波
3️⃣ VSWR
輸出───/\/\/\───負載
↑反射波
→ 匹配不良會有反射波形成駐波
這三個示意圖分別代表了不同的傳輸介質與特性。
同軸電纜是一種由中心導體、絕緣層、編織外導體與外護套組成的結構，因為具備良好的屏蔽效果，所以在電視訊號、網路與無線電中常見，常見阻抗為 50Ω（通訊用）或 75Ω（電視用）。波導則是金屬管狀結構，用來導引電磁波，特別適合在微波、毫米波等高頻應用中使用，因為比同軸線路能承受更低損耗。最後，VSWR（電壓駐波比）是衡量傳輸線匹配品質的重要指標，如果阻抗不匹配，就會產生反射波，形成駐波，不僅降低傳輸效率，也可能造成設備損壞，因此設計上需要盡量降低 VSWR，以確保能量有效傳送。
👉 說明：
• 同軸 = 射頻「電纜」。
• 波導 = 微波「管道」。
• VSWR = 訊號「塞車指標」。
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🧩 四、模擬題
1️⃣ 專業題：50Ω vs 75Ω 同軸電纜 & 阻抗匹配對 VSWR 的重要性
• 阻抗差異
o 50Ω 同軸：內導體與外導體距離、介電質設計成 50Ω，能在功率承載與衰減之間取得折衷，特別適合射頻傳輸、無線通訊、實驗儀器、天線饋線等高功率或需精準測量的場合。
o 75Ω 同軸：因介電質比例不同，衰減較低，但承載功率較小，常用於電視訊號、有線電視、長距離監視系統等以信號傳輸效率為主的場合。
• 為什麼阻抗匹配對 VSWR 重要
VSWR（Voltage Standing Wave Ratio，電壓駐波比）反映傳輸線與負載的阻抗匹配程度。若傳輸線（例如 50Ω）與負載（例如天線、儀器）阻抗不一致，就會產生反射波，造成駐波：
o 訊號功率無法完全送出，有效功率下降。
o 在高功率下可能導致放大器或傳輸線過熱、損壞。
o 量測儀器讀值不準確。
所以實務上會確保系統的所有元件（電纜、連接器、負載）阻抗一致，例如全系統都 50Ω 或都 75Ω，以將 VSWR 降至接近 1:1。
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2️⃣ 應用題：5G 毫米波基站與天線之間的選擇
• 特性比較
o 同軸電纜在高頻（特別是毫米波、>30GHz）下損耗急遽上升，即使選用低損耗高檔電纜，傳輸距離也受限於幾米以內，且接頭匹配難度高。
o 波導專為微波/毫米波設計，金屬導管內只傳電磁場，不傳導電流，損耗極低、抗干擾能力高，能長距離傳輸高頻功率，是雷達、衛星、5G 毫米波基站常見的射頻傳輸介質。
• 選擇理由
因為 5G 毫米波屬於高頻高功率信號、距離通常大於幾米，所以基站射頻單元到天線之間多採用 波導，以確保低損耗、穩定傳輸與良好阻抗匹配。同軸只適合極短距離或測試連接。
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3️⃣ 情境題：VSWR 過高的檢查與改善步驟
檢查重點
1. 連接器與接頭：鬆動、氧化或規格錯誤（50Ω/75Ω混用）。
2. 電纜或波導損傷：彎折過度、介電質受潮、金屬管變形。
3. 負載或天線狀態：天線單元損壞、配件錯誤、調諧不良。
改善步驟
• 步驟 1：重新檢查連接器與電纜規格
確認所有元件阻抗一致、接頭鎖緊且乾淨無氧化。
• 步驟 2：量測替代法排除問題
用網路分析儀或反射計分別量測電纜與負載，區分問題出在電纜還是天線端。
• 步驟 3：調整或更換負載
重新調諧天線或更換故障元件，使阻抗回到設計值，再檢測 VSWR 是否回落。
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✅ 五、小結與啟示
• 同軸電纜：中心導體 + 屏蔽層，抗干擾好，阻抗要匹配。
• 波導：適合微波/毫米波，低損耗高功率，但安裝要求高。
• VSWR：駐波比越低越好，代表傳輸效率高。
👉 一句話總結：同軸與波導是射頻傳輸的命脈，阻抗匹配與低 VSWR 才能確保訊號穩定高效。
